Hvorfor har en elbil brug for kølemiddel? Det handler om langt mere end aircondition

En elbil skal ikke kun holde menneskerne i kabinen varme eller kolde. Den skal også styre temperaturen i batteriet, elmotoren, inverteren og ladeelektronikken. I mange modeller er kølemiddelkredsen derfor en vigtig del af både varmepumpen, hurtigladningen og bilens samlede energiforbrug.

En elbil har ingen varm forbrændingsmotor under motorhjelmen. Derfor kan det umiddelbart lyde, som om den næsten ikke behøver et køleanlæg. Elmotoren er ganske rigtigt langt mere energieffektiv end en benzin- eller dieselmotor og udvikler mindre spildvarme. Men konklusionen er ikke, at temperaturstyringen bliver overflødig.

Elbilen har i stedet flere forskellige dele, som helst skal holdes inden for hver deres temperaturgrænser. Batteriet kan have brug for varme på en kold vintermorgen og aktiv køling under hurtigladning. Kabinen skal både kunne køles, affugtes og opvarmes. Samtidig skal elmotor, inverter og ladeelektronik kunne komme af med den varme, der trods alt opstår under drift.

Elbilens udfordring er ikke én varm motor, men mange temperaturzoner

 

I en bil med forbrændingsmotor opstår en stor del af varmen ét tydeligt sted: i motoren. Noget af spildvarmen kan om vinteren ledes ind i kabinen næsten gratis, mens et kølesystem skal føre resten væk.

En elbil fordeler opgaven anderledes. Den producerer mindre spildvarme, men skal til gengæld styre varmestrømme mellem flere komponenter. Det kaldes ofte termisk styring eller thermal management. Opgaven er ikke kun at køle. Bilen skal kunne:

• køle og affugte kabinen om sommeren

• opvarme kabinen om vinteren

• opvarme et koldt batteri før kørsel eller hurtigladning

• køle et varmt batteri under høj belastning og opladning

• holde elmotor, inverter og anden effektelektronik inden for sikre temperaturer

• genbruge overskudsvarme, når det er mere effektivt end at sende den ud i luften.

Derfor kan en moderne elbils termiske system bedst forstås som et lille varmenetværk. Pumper, ventiler, sensorer, varmevekslere og software bestemmer løbende, hvor varme skal hentes, hvor den skal afleveres, og om systemet skal prioritere kabinen, batteriet eller drivlinjen.

Kabinen: Elbilen mangler motorens gratis varme

På en varm dag fungerer airconditionanlægget grundlæggende som i andre biler: Det fjerner varme og fugt fra kabineluften. Affugtningen er også vigtig, når ruderne dugger.

Om vinteren bliver forskellen til forbrændingsbilen tydeligere. En benzin- eller dieselmotor omdanner en stor del af brændstoffets energi til spildvarme. Når motoren er blevet varm, kan noget af denne energi bruges til kabinevarme. Elmotoren spilder langt mindre energi som varme, og derfor er der ikke den samme store og stabile varmekilde at hente fra.

Elbilen kan i stedet anvende et elektrisk varmelegeme. Det er enkelt og virker hurtigt, men strømmen bliver i praksis omdannet direkte til varme. Den energi skal komme fra højvoltsbatteriet, hvis bilen ikke står tilsluttet en lader.

Mange elbiler har derfor en varmepumpe, enten som standard eller ekstraudstyr. En varmepumpe skaber ikke al varmen direkte. Den bruger en elektrisk kompressor til at flytte varme fra eksempelvis udeluften eller bilens egne komponenter ind i kabinen. Under de rette forhold kan den derfor levere mere varmeenergi, end kompressoren bruger i elektrisk energi. Det amerikanske energiministerium forklarer princippet ved at sammenligne varmepumpen med et køleskab, der flytter varme fra et koldt område til et varmere område.

Fordelen er ikke ens i alle biler og ved alle temperaturer. Effektiviteten afhænger blandt andet af udetemperatur, kølemiddel, systemdesign, software og muligheden for at udnytte overskudsvarme. Ved hård frost kan bilen stadig have brug for supplerende elektrisk varme. Derfor er ordet “varmepumpe” i udstyrslisten ikke i sig selv en garanti for en bestemt vinterrækkevidde.

Batteriet skal både køles og varmes

Højspændingsbatteriet er den mest værdifulde enkeltkomponent i de fleste elbiler, og dets temperatur har betydning for både ydelse, opladning og levetid. Der findes ikke ét universelt idealtemperaturtal for alle batterier. Cellekemi, batterikonstruktion og producentens styring er forskellige. Fælles er dog, at meget kolde og meget varme forhold kan begrænse batteriet.

Elmotor, inverter og lader producerer også varme

En elmotor er effektiv, men ikke tabsfri. Når bilen accelererer eller kører med høj belastning, bliver en mindre del af energien til varme i motoren og dens elektriske dele.

Inverteren har en lige så vigtig rolle. Den omformer batteriets jævnstrøm til den vekselstrøm, som motoren bruger, og styrer motorens moment. Ved regenerativ bremsning arbejder energien den modsatte vej tilbage mod batteriet. Også her opstår elektriske tab og dermed varme, som skal ledes væk.

Den indbyggede lader, som omformer vekselstrøm fra en almindelig AC-ladestander til jævnstrøm til batteriet, kan ligeledes kræve køling. Ved lynladning sker den store AC/DC-omformning i selve ladestanderen, men bilens batteri, forbindelser og styring skal stadig håndtere den høje ladeeffekt og den varme, der følger med.

Kølemiddel og kølevæske er ikke det samme

Ordene ligner hinanden, men de betegner to forskellige medier med forskellige opgaver.

Nogle biler har flere separate væskekredse, mens andre samler funktionerne i et integreret modul. Derfor kan to elbiler med omtrent samme batteristørrelse være konstrueret meget forskelligt under karrosseriet.

Kølevæske og kølemiddel må ikke blandes sammen, og de fyldes ikke på samme kreds. Hvis bilen melder om lav kølevæskestand, er det derfor ikke det samme som, at airconditionanlægget mangler kølemiddel.

Sådan virker kølemiddelkredsen – uden at drukne i køleteknik

En typisk kølemiddelkreds arbejder i fire grundlæggende trin:

1. Kølemidlet optager varme. Ved lavt tryk kan det optage energi i en varmeveksler. I et almindeligt anlæg sker det, mens kølemidlet fordamper.

2. Kompressoren hæver trykket. Den elektriske kompressor suger kølemidlet ind og komprimerer det. Derved stiger både tryk og temperatur.

3. Varmen afgives. Det varme kølemiddel sender energi videre til udeluften, kabinen eller en anden kreds gennem en varmeveksler. I de fleste traditionelle systemer kondenserer kølemidlet her. Et transkritisk CO₂-anlæg arbejder lidt anderledes på den varme side, men det grundlæggende formål er det samme: varmen skal afgives.

4. Trykket sænkes igen. Et ekspansionsorgan reducerer trykket, så kølemidlet bliver klar til endnu en omgang, hvor det kan optage varme ved en lav temperatur.

Kompressoren bruger strøm, men dens vigtigste arbejde er at flytte energi, ikke kun at omdanne strøm til varme. Det er netop derfor, en varmepumpe kan være mere energieffektiv end ren modstandsvarme.

Hvordan køler kølemidlet batteriet, hvis det ikke løber gennem batteriet?

Princippet gør det muligt at forbinde flere behov:

• Kabinen kan køles, samtidig med at batteriet holdes nede i temperatur.

• Overskudsvarme fra motor og elektronik kan i nogle systemer genbruges til kabinen eller batteriet.

• Ventiler kan ændre forbindelserne, så bilen prioriterer hurtig opvarmning, effektiv kørsel eller kraftig køling.

Det præcise kredsløb er producentens valg. Nogle biler bruger flere pumper og adskilte kredse; andre har stærkt integrerede termiske moduler. Der findes også andre batterikøleprincipper end den indirekte løsning gennem en chiller. Derfor bør forklaringen forstås som en almindelig arkitektur – ikke som en universel tegning af alle elbiler.

Aircondition og varmepumpe bruger mange af de samme dele

Et airconditionanlæg flytter varme ud af kabinen. En varmepumpe gør det muligt at udnytte kredsen til at levere varme den anden vej eller hente energi fra andre dele af bilen. Det sker ved hjælp af ventiler, flere varmevekslere og en styring, som vælger den relevante driftsform.

Det er altså ikke nødvendigvis to helt separate anlæg. I en elbil med varmepumpe er der ofte tale om én udbygget kølemiddelkreds, som kan arbejde på flere måder. Bilen kan eksempelvis hente varme fra udeluften, fra drivlinjens kølevæske eller fra batteriet og sende den til kabinen. Hvilke muligheder der findes, afhænger af konstruktionen.

En elbil uden varmepumpe har stadig normalt aircondition og dermed en kølemiddelkreds til kabinekøling. Batteriet kan desuden have aktiv temperaturstyring gennem andre kombinationer af kølevæske, radiator, elektrisk varme og eventuelt kølemiddelkredsen. “Ingen varmepumpe” betyder derfor ikke “intet køleanlæg”.

Hvad sker der, hvis bilen mangler kølemiddel?

Det mest synlige symptom er ofte, at kabinen ikke bliver ordentligt kold. I en elbil kan konsekvensen dog række længere, hvis samme kreds også bruges til varmepumpe eller batterikøling.

Det betyder ikke, at et svagt airconditionanlæg automatisk skader batteriet. Bilens styring overvåger temperaturer og kan begrænse funktioner, før komponenterne bliver udsat for uacceptable forhold. Det betyder heller ikke, at alle fejl påvirker alle funktioner; systemerne er bygget forskelligt. Men det er en god grund til ikke at betragte en fejl på kølemiddelkredsen som et rent komfortproblem.

Kølemiddel skal ikke efterfyldes rutinemæssigt som sprinklervæske. Hvis fyldningen er for lav, er der mistet kølemiddel, og anlægget bør undersøges for lækage. Det korrekte middel og den korrekte fyldningsmængde fremgår normalt af bilens mærkning eller serviceinformation. Arbejdet bør udføres med udstyr og kompetencer, der passer til både kølemidlet og bilens højspændingssystem.

Det bør du undersøge som elbilkøber

Bilproducenter markedsfører gerne ladeeffekt og rækkevidde, mens det termiske system ofte gemmer sig længere nede i specifikationerne. Især hvis du kører langt om vinteren eller ofte hurtiglader, er disse spørgsmål relevante:

1. Har bilen varmepumpe? Undersøg, om den er standard, ekstraudstyr eller slet ikke tilgængelig på den konkrete variant og årgang.

2. Kan batteriet forkonditioneres før hurtigladning? Se også, hvordan funktionen aktiveres. Automatisk opvarmning via bilens navigation er ofte lettere at få gavn af end en funktion, der kræver flere manuelle trin.

3. Har modellen aktiv batterikøling og -opvarmning? De fleste nyere langdistance-elbiler har avanceret termisk styring, men løsningerne varierer, og ældre eller enklere biler kan være anderledes konstrueret.

4. Hvordan klarer bilen gentagne hurtigladninger og vinterkørsel? En høj maksimal ladeeffekt på papiret fortæller ikke, hvor længe bilen kan holde effekten, eller hvor hurtigt den lader med et koldt batteri.

5. Hvilket kølemiddel bruger den konkrete bil? Oplysningen står normalt på en mærkat eller i serviceinformationen. Modelnavnet alene er ikke altid nok, fordi kølemiddel og varmepumpeløsning kan variere med marked, udstyr og årgang.

Det er ikke nødvendigt at vælge bil alene efter kølesystemet. Men den termiske styring er en del af forklaringen, når to biler med lignende batteristørrelse opleves forskelligt på vinterrækkevidde, ladetid og komfort.

Ofte stillede spørgsmål

Konklusion: Køleanlægget er en del af elbilens energistyring

Kilder og videre læsning