بازیابی انرژی از پیشرانه: پمپ‌های حرارتی خودروهای الکتریکی چگونه با مهار گرمای اتلافی، افت پیمایش در هوای سرد را جبران می‌کنند

موتورهای احتراق داخلی در اساس کوره‌های متحرکی هستند که اتفاقاً نیروی محرکه نیز تولید می‌کنند؛ آن‌ها ۶۰ تا ۷۰ درصد از انرژی مصرفی خود را به شکل گرمای اتلافی هدر می‌دهند که به راحتی برای گرم کردن کابین مسافران هدایت می‌شود. در مقابل، موتور کششی یک خودروی الکتریکی با بازدهی بالای ۹۰ درصد کار می‌کند و تقریباً هیچ گرمای اتلافی غیرفعالی برای مهار باقی نمی‌گذارد. وقتی دمای محیط به زیر صفر می‌رسد، خودروی الکتریکی باید به طور فعال گرمای خود را تولید کند. از نظر تاریخی، خودروسازان این مشکل را با نصب بخاری‌های مقاومتی با ضریب دمای مثبت (PTC) حل می‌کردند؛ در واقع توسترهای بزرگی که جریان را مستقیماً از باتری ولتاژ بالا می‌کشند. اگرچه این بخاری‌ها از نظر مکانیکی ساده هستند، اما یک بخاری PTC با مصرف ۳ تا ۴ کیلووات می‌تواند تنها با مقابله با سرما، برد پیمایش خودرو را تا ۳۰ درصد کاهش دهد.[4][5]

پمپ حرارتی خودرو، این مصرف مستقیم انرژی را با یک انتقال ترمودینامیکی جایگزین می‌کند. پمپ حرارتی به جای سوزاندن ظرفیت باتری برای تولید گرما از صفر، از یک کمپرسور و یک مدار مبرد برای انتقال انرژی حرارتی موجود از یک مکان به مکان دیگر استفاده می‌کند. این سیستم با معکوس کردن چرخه استاندارد تهویه مطبوع، گرمای نهان هوای بیرون را جذب کرده، مبرد را برای افزایش دمای آن فشرده می‌کند و آن گرمای متمرکز را به داخل کابین می‌فرستد.[2][6]

پیشرفته‌ترین نسخه‌های این معماری تنها به هوای بیرون متکی نیستند. سیستم‌های مدیریت حرارتی خودروهای الکتریکی مدرن، شبکه‌ای پیچیده از شیرهای خنک‌کننده را برای بازیابی گرمای اتلافی مستقیماً از قطعات پیشرانه خود خودرو ادغام می‌کنند. اینورتر کششی، شارژر داخلی و خود موتور الکتریکی در حین کار بارهای حرارتی متوسطی تولید می‌کنند. با هدایت یک مدار خنک‌کننده مایع از میان این قطعات، پمپ حرارتی می‌تواند این انرژی حرارتی سطح پایین را مهار کرده و آن را تا رسیدن به دمای قابل استفاده برای کابین فشرده کند.[1][3][7]

این معماری بازیابی، اقتصاد انرژی خودرو را در شرایط زمستانی به طور بنیادین تغییر می‌دهد. داده‌های حاصل از مطالعات حفظ پیمایش در دنیای واقعی نشان می‌دهد که خودروهای الکتریکی مجهز به پمپ حرارتی در دمای منفی ۶ درجه سانتی‌گراد، بین ۱۵ تا ۲۰ درصد بیشتر از مدل‌های مشابهی که تنها به گرمایش مقاومتی متکی هستند، پیمایش تخمینی EPA خود را حفظ می‌کنند. یک تحلیل فنی در سال ۲۰۲۴ توسط وزارت انرژی ایالات متحده نشان می‌دهد که در حالی که یک بخاری PTC با حداکثر ضریب عملکرد (COP) برابر با ۱.۰ کار می‌کند - به این معنی که یک واحد انرژی الکتریکی دقیقاً یک واحد گرما تولید می‌کند - یک پمپ حرارتی که گرمای اتلافی پیشرانه را بازیابی می‌کند، می‌تواند در شرایط زمستانی معتدل به ضریب عملکرد ۳.۰ یا بالاتر دست یابد. اگرچه مستندات فنی وزارت انرژی و پژوهشگران MDPI جزئیات مشخصات مکانیکی این سیستم‌ها را شرح می‌دهند، اما گزارش‌های مهندسی حاوی هیچ نقل‌قول مستقیمی از افراد درباره روند توسعه نیستند.[3][4][5]

ادغام این سیستم‌ها نیازمند یک تغییر اساسی در لوله‌کشی شاسی است. یک طرح حرارتی سنتی در خودروهای الکتریکی، مدار خنک‌کننده باتری را از مدار گرمایش کابین جدا می‌کند. اما یک معماری بازیابی گرمای اتلافی، آن‌ها را از طریق یک شیر هشت‌راهه یا یک منیفولد چندمسیره ادغام می‌کند و به پردازنده مرکزی خودرو اجازه می‌دهد تا انرژی حرارتی را به صورت پویا به هر جایی که بیشتر مورد نیاز است هدایت کند. اگر باتری برای پذیرش شارژ سریع DC بیش از حد سرد باشد، پمپ حرارتی می‌تواند انرژی حرارتی را از هوای محیط و موتور برای گرم کردن سلول‌ها دریافت کند. هنگامی که باتری به پنجره بهینه ۲۵ درجه سانتی‌گراد رسید، سیستم می‌تواند جریان را معکوس کرده و گرمای اضافی را از بسته باتری برای گرم کردن مسافران خارج کند.[1][6][8]

محدودیت‌های فیزیکی ترمودینامیک، مرزهای این بازدهی را تعیین می‌کنند. با کاهش دمای محیط به زیر منفی ۱۰ درجه سانتی‌گراد، مقدار گرمای نهان موجود در هوای بیرون به سرعت کاهش می‌یابد و مبرد برای جذب انرژی حرارتی کافی جهت تبخیر شدن با مشکل مواجه می‌شود. در این آستانه، کمپرسور باید به مراتب سخت‌تر کار کند که این امر ضریب عملکرد را تا جایی کاهش می‌دهد که بازدهی پمپ حرارتی دیگر بیشتر از یک المنت مقاومتی نخواهد بود.[2][7]

برای پر کردن این شکاف، مهندسان از یک رویکرد ترکیبی بهره می‌برند. خودروهایی که در اقلیم‌های زمستانی شدید کار می‌کنند، از پمپ حرارتی به عنوان موتور حرارتی اصلی استفاده می‌کنند که توسط یک بخاری PTC کوچکتر با توان کمتر پشتیبانی می‌شود؛ این بخاری تنها زمانی فعال می‌شود که دمای محیط به زیر کف عملیاتی مبرد برسد. این استراتژی دوگانه تضمین می‌کند که کابین بلافاصله پس از روشن شدن خودرو و پیش از آنکه پیشرانه گرمای اتلافی کافی برای مهار توسط مدار بازیابی تولید کند، به سرعت به دمای مطلوبی برسد.[3][8]

گذار از گرمایش مقاومتی به بازیابی حرارتی یکپارچه، نشان‌دهنده بلوغ مهندسی خودروهای الکتریکی است. معماری‌های مدرن به جای اینکه باتری، موتور و کابین را به عنوان دامنه‌های حرارتی مجزا در نظر بگیرند، کل خودرو را به عنوان یک سیستم ترمودینامیکی واحد می‌بینند. تولیدکنندگان با به دام انداختن ژول‌هایی که در غیر این صورت در هوای زمستانی هدر می‌رفتند، بدون افزودن وزن و هزینه بسته‌های باتری بزرگتر، دامنه عملیاتی را گسترش می‌دهند و تمرکز مهندسی را از ذخیره انرژی به حفظ انرژی معطوف می‌کنند. نقطه عطف قابل‌تأیید بعدی برای این فناوری، تجاری‌سازی مبردهای حالت جامد است که نوید می‌دهند کف بازدهی بازیابی را به مراتب پایین‌تر از محدودیت منفی ۱۰ درجه سانتی‌گراد فعلی برسانند.[6][9]