چگونه معماری پمپ حرارتی ۲۰ درصد از برد خودروی برقی را در دمای انجماد بازیابی می‌کند

در دمای ۲۰ درجه فارنهایت (حدود منفی ۶ درجه سانتی‌گراد)، یک بخاری سنتی خودرو برای جلوگیری از لرزیدن راننده، تقریباً ۳۰۰۰ تا ۴۰۰۰ وات توان پیوسته مصرف می‌کند. در خودروهای احتراقی، این انرژی به صورت رایگان از گرمای اتلافی موتور تأمین می‌شود. اما در یک خودروی برقی که به بخاری مقاومتی قدیمی (PTC) متکی است، هر وات از این توان مستقیماً از باتری ولتاژ بالا کشیده می‌شود و انرژی‌ای را که قرار بود چرخ‌ها را بچرخاند، می‌بلعد.[6]

پیامد این مصرف مستقیم به وضوح در یک مطالعه معیار توسط انجمن اتومبیل آمریکا (AAA) مشخص شد. AAA با آزمایش خودروهای برقی روی دینامومتر در یک اتاقک آب و هوایی ۲۰ درجه، دریافت که هوای سرد همراه با استفاده از سیستم تهویه مطبوع (HVAC)، برد رانندگی را ۳۹ درصد کاهش می‌دهد. برای راننده‌ای که از حومه شهر به یک شهر سردسیر رفت و آمد می‌کند، خودرویی که برای ۲۵۰ مایل رتبه‌بندی شده بود، ناگهان تنها ۱۵۲ مایل برد داشت و محاسبات حمل و نقل روزانه او را کاملاً تغییر می‌داد.[5]

گرگ برانون، مدیر مهندسی خودروی AAA، به تغییر رفتاری مورد نیاز اشاره کرد و اظهار داشت: «تا زمانی که رانندگان درک کنند که محدودیت‌هایی در استفاده از خودروهای برقی در آب و هوای بسیار سرد وجود دارد، کمتر احتمال دارد که با کاهش غیرمنتظره برد غافلگیر شوند.» اما در حالی که آموزش راننده ضروری است، خودروسازان تشخیص دادند که جریمه ۳۹ درصدی، مانعی ساختاری برای پذیرش گسترده در مناطق شمالی است.[5]

راه حل مهندسی این نبود که سلول‌های لیتیوم-یون بیشتری در کف خودرو جاسازی شود، بلکه تغییر نحوه گرمایش کابین بود. تولیدکنندگان با ادغام پمپ‌های حرارتی برگشت‌پذیر – فناوری‌ای که مدت‌هاست در سیستم‌های تهویه مطبوع خانگی استفاده می‌شود – راهی برای گرم کردن کابین بدون تولید گرما از صفر پیدا کردند. پمپ حرارتی به جای عبور جریان از یک مقاومت، مبرد را فشرده می‌کند تا انرژی حرارتی محیط را از بیرون خودرو، حتی در دمای انجماد، جذب کرده و به داخل منتقل کند.[3]

افزایش بازدهی مطلق است. در حالی که یک بخاری PTC با حداکثر بازده ۱۰۰ درصد کار می‌کند – یعنی یک کیلووات برق را به یک کیلووات گرما تبدیل می‌کند – یک پمپ حرارتی مدرن خودرو می‌تواند به ضریب عملکرد (COP) ۳٫۰ یا بالاتر دست یابد. این بدان معناست که از یک کیلووات برق برای جابجایی سه کیلووات انرژی حرارتی استفاده می‌کند و مصرف باتری توسط سیستم تهویه مطبوع را تا دو سوم کاهش می‌دهد.[6]

این مزیت مکانیکی مستقیماً در نمایشگر داشبورد منعکس می‌شود. داده‌های تله‌متری جمع‌آوری شده توسط شرکت Recurrent، که هزاران خودروی متصل را در سراسر ایالات متحده تجزیه و تحلیل کرده است، واقعیت زمستانی بسیار متفاوتی را نسبت به خط مبنای قدیمی AAA نشان می‌دهد. تحقیقات این شرکت نشان می‌دهد که میانگین خودروی برقی مدرن اکنون ۸۰ درصد از برد رتبه‌بندی شده خود را در شرایط انجماد حفظ می‌کند.[1][4]

این کاهش ۲۰ درصدی در دنیای واقعی، به معنای نصف شدن جریمه تاریخی هوای سرد است. برای خریدار احتمالی که در یک بازار برفی به دنبال خرید یک کراس‌اوور است، وجود پمپ حرارتی دیگر یک آپشن لوکس نیست؛ بلکه سخت‌افزار تعیین‌کننده‌ای است که مشخص می‌کند آیا خودرو می‌تواند به راحتی یک رفت و برگشت زمستانی را بدون نیاز به توقف شارژ در میانه روز انجام دهد یا خیر.[4]

این گذار در سراسر صنعت در حال شتاب گرفتن است. در حالی که پذیرندگان اولیه مانند نیسان بیش از یک دهه پیش پمپ‌های حرارتی ابتدایی را در مدل لیف (Leaf) ادغام کردند، این سیستم‌ها اکنون به مراکز مدیریت حرارتی بسیار پیچیده‌ای تبدیل شده‌اند. معماری‌های مدرن، مانند مواردی که توسط آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) در سال ۲۰۲۴ تحلیل شدند، می‌توانند گرمای اتلافی را نه تنها از هوای بیرون، بلکه از خود بسته باتری و موتورهای الکتریکی خودرو نیز جمع‌آوری کنند.[2][3]

این سیستم‌های پیشرفته با هدایت حلقه‌های خنک‌کننده از طریق پیشرانه، محصول جانبی حرارتی ناشی از شتاب‌گیری و شارژ سریع را جذب کرده و آن را به داخل کابین هدایت می‌کنند. این جمع‌آوری حرارتی حلقه بسته به این معنی است که به محض حرکت خودرو، انرژی مورد نیاز برای حفظ دمای ۷۰ درجه فارنهایت (حدود ۲۱ درجه سانتی‌گراد) در کابین به کسری از کیلووات کاهش می‌یابد.[2]

با این حال، این فناوری یک درمان جهانی نیست. در دماهای بسیار پایین – معمولاً زیر منفی ۱۰ درجه فارنهایت (حدود منفی ۲۳ درجه سانتی‌گراد) – هوای محیط حاوی چنان انرژی حرارتی کمی است که بازدهی پمپ حرارتی به شدت کاهش می‌یابد. در این سناریوهای انجماد عمیق، سیستم باید برای پر کردن شکاف، به یک بخاری مقاومتی پشتیبان متکی باشد و به طور موقت خودرو را به مصرف برق بالاتر معماری‌های قدیمی بازگرداند.[6]

با وجود این محدودیت، پذیرش گسترده پمپ‌های حرارتی نشان‌دهنده بلوغ مهندسی خودروهای برقی است. تمرکز از صرفاً ساخت باتری‌های بزرگتر به سمت به حداکثر رساندن بازده انرژی موجود تغییر کرده است. برای مالک روزمره، این بدان معناست که تخمین برد روی داشبورد در دی ماه (ژانویه) بالاخره شروع به شبیه شدن به تخمینی می‌کند که در خرداد ماه (ژوئن) می‌بیند.[7]