Sähköajoneuvojen lämmönhallinta

Tässä artikkelisarjassa käydään läpi nykyaikaisen sähköajoneuvon lämmönhallintaan liittyviä järjestelmiä ja ratkaisuja. Tämä on artikkelisarjan 1. osa, ja tässä osassa käsitellään yleisiä asioita lämmönhallinnasta ja käytettävistä kylmäaineista.

Sähköajoneuvojen lämmönhallintajärjestelmät ovat nousseet keskeiseen rooliin sähköajoneuvojen suorituskyvyn, luotettavuuden ja energiatehokkuuden optimoinnissa. Toisin kuin polttomoottoriajoneuvoissa, joissa hukkalämpö on usein ongelma, sähköajoneuvoissa lämmön tarkka hallinta on elintärkeää useille komponenteille ja ajoneuvon toimintamatkalle, erityisesti kylmissä olosuhteissa.

Lämmönhallintajärjestelmät koostuvat useista eri komponenteista, jotka muodostavat ja ohjaavat monimutkaisia kokonaisuuksia. Kokonaisuus voi koostua esimerkiksi kompressoreista, paisuntaventtiileistä, solenoidiventtiileistä, tunnistimista ja lämmönvaihtimista. Kokonaisuutta nimitetään usein lämpöpumpuksi, ja se on keskeinen osa sähköajoneuvojen lämmönhallintaa. Se mahdollistaa lämmön siirtämisen tehokkaasti paikasta toiseen, mikä on erityisen tärkeää auton sisätilojen lämmityksessä. Lämpöpumppu voi merkittävästi parantaa ajoneuvon toimintasädettä kylmällä säällä verrattuna perinteiseen sähkövastuslämmitykseen.

Ympäristöystävällisempiä kylmäaineita 

EU:ssa on 2010-luvulta asti vaadittu vähemmän ilmastoa lämmittävien kylmäaineiden käyttämistä henkilöautoissa ja kevyissä pakettiautoissa, kun taas isommille ajoneuvoille ei ole asetettu tällaisia vaatimuksia. Uusissa henkilöautoissa ja kevyissä pakettiautoissa käytetään R1234yf- tai R744-kylmäaineita, kun taas muissa ajoneuvoissa käytetään vaihtelevasti edellisten lisäksi R134a-, R407C- ja R410-kylmäaineita.    

Sähköautojen lämmönhallinnassa käytetään pääasiassa R744- ja R1234yf-kylmäaineita.  R1234yf on kehitetty korvaamaan R134a, jonka ilmastonlämpenemisvaikutus on korkeampi. R1234yf:n lämmöntuottokyky kuitenkin laskee alhaisissa lämpötiloissa lämpöpumppukäytössä. R744 eli hiilidioksidi on luonnollinen kylmäaine, jonka käyttö ei lisää hiilidioksidipäästöjä, jos se on kerätty talteen jo olemassa olevasta hiilidioksidista. R744 toimii hyvin kylmissä olosuhteissa, mutta sen jäähdytyskyky heikkenee kuumissa olosuhteissa, ja järjestelmissä on huomioitava CO2:n mahdolliset riskit, kuten vuodot.  R407C- ja R410-kylmäaineita käytetään esimerkiksi linja-autojen matkustamotilojen lämpöpumppuyksiköissä, joissa on usein kahdennetut järjestelmät, PTC-vastukset ja biopolttoainetta käyttävät lisälämmittimet.

Kompressoriöljyjen vaatimuksia

Hybridi- ja sähköautojen ilmastoinnin kompressorit ovat pääsääntöisesti sähkökäyttöisiä, ja ne ovat osa autojen korkeajännitejärjestelmää. Toimiessaan kompressorin moottori tuottaa lämpöä, joka on johdettava pois moottorin käämitykseltä. Lämmön poisjohtamiseen voidaan käyttää matalapainepuolen kylmäainehöyryä, joka johdetaan moottorin kautta kompressorille. Tällöin erityisen tärkeäksi tekijäksi muodostuu kylmäainehöyryn seassa kulkeva öljy, jonka tulee olla juuri oikeanlaista kyseessä olevaan kompressoriin ja järjestelmään. Useimmiten öljyn tulee täyttää myös sähkönjohtamattomuuden vaatimukset. Pahimmillaan vääränlainen öljy voi aiheuttaa eristysvastusvian, jolloin ajoneuvon korkeajännitejärjestelmä kytkeytyy pois päältä. Tästä saattaa lisäksi seurata työläs ja kallis huuhtelu- ja korjaustoimenpide.

Kompressoriöljyjä on erilaisia järjestelmä- ja kompressorivalmistajan sekä käytettävän kylmäaineen mukaan. Yleisimpiä käytettyjä öljytyyppejä ovat PAG- ja POE-öljyt. Eri öljytyypeillä on myös erilaisia viskositeetteja eri järjestelmiin valmistajan vaatimusten mukaan, kuten esimerkiksi PAG-öljyjen matala, normaali ja korkea viskositeetti (ISO 46, ISO 100 ja ISO 150). Eri öljytyyppejä ei myöskään saa sekoittaa keskenään. Yleisöljytyyppinä on usein tarjolla PAO 68 -tyyppinen öljy, jolla ei kuitenkaan pääsääntöisesti ole kompressorivalmistajan hyväksyntää. Uutena öljytyyppinä joissain järjestelmissä käytetään polyvinyylieetteriöljyä (PVE), jonka ominaisuudet soveltuvat hyvin nykyaikaisiin järjestelmiin. 

Väriaineiden käyttö on useammassakin järjestelmässä kielletty, ja vuotojen testaus suoritetaan pääosin painetestauksena. Huolto- ja korjaustilanteissa on suositeltavaa käyttää kompressorin valmistajan määrittelemää öljyä, sillä nämä öljyt sopivat täydellisesti yhteen järjestelmän kanssa. 

Lämmönhallinnan osa-alueet

Ajoneuvojen lämmönhallintajärjestelmät on jaettu pääsääntöisesti kolmeen osaan, joista jokaisella on oma tehtävänsä. Ensimmäinen osa huolehtii korkeajänniteakusta ja varmistaa, että akun lämpötila on optimaalinen kaikissa käyttötilanteissa ja olosuhteissa. Toinen osa huolehtii sähköisestä ajovoimansiirrosta siten, että tehokomponenttien lämpötila ei nouse liian suureksi, ja kolmas osa huolehtii matkustamon pitämisestä halutussa lämpötilassa.

Akun lämmönhallinta

Sähköauton akku on herkkä lämpötilalle. Liian alhainen tai liian korkea lämpötila voi heikentää akun suorituskykyä merkittävästi, lyhentää sen käyttöikää ja jopa aiheuttaa peruuttamattomia vaurioita akun anodille kerrostuvana pintana tai elektrolyytin hajoamisena.  Ihanteellinen toimintalämpötila on lähellä ihmisen mukavuusaluetta. Kylmissä olosuhteissa akkua on lämmitettävä optimaaliseen lämpötilaan, jotta sen sisäinen vastus pysyy alhaisena ja virranluovutuskyky hyvänä.

Joissain tapauksissa, esimerkiksi alle 0 °C:n lämpötiloissa, kennojen lämpötilan tulee ensin nousta riittävälle tasolle, ennen kuin lataus voi alkaa.  Korkeissa lämpötiloissa tai nopean latauksen ja purkamisen aikana syntyy runsaasti lämpöä, joka on poistettava tehokkaasti. Parhaissa tapauksissa ylimääräinen, sillä hetkellä tarpeeton energia voidaan siirtää sinne, missä sitä voidaan tarvittaessa käyttää. Lämpöenergian siirtoon on käytössä erilaisia tapoja, kuten ilma, neste, kylmäaine tai upottaminen.

Voimansiirron lämmönhallinta

Myös sähkömoottorit, tehoelektroniikka (kuten taajuusmuuttajat) ja latausjärjestelmät tuottavat lämpöä, jota on hallittava. Tehoelektroniikan komponentteja voidaan eräissä tapauksissa käyttää myös erillisinä lämmönlähteinä. Esimerkiksi sähkömoottorin ohjaus voidaan muuttaa toimimaan heikolla hyöty-suhteella, jolloin ei synny liikettä vaan pääasiassa lämpöenergiaa, jota voidaan käyttää tarvittaviin kohteisiin. Liian korkea lämpötila voi heikentää komponenttien suorituskykyä ja lyhentää niiden ikää.

Matkustamon lämmönhallinta

Kylmissä olosuhteissa sähköauton matkustamon lämmitys kuluttaa merkittävästi energiaa, mikä vähentää toimintamatkaa erityisesti talvella. Lämmitystä voidaan toteuttaa PTC-lämmittimellä, lämpöpumpulla, hukkalämpöä hyödyntämällä tai näiden yhdistelmillä. Tehokkaat lämmitysmenetelmät ovat siis avainasemassa toimintamatkan pidentämisessä.  Tärkeäksi tekijäksi muodostuu hukkalämmön optimointi ohjaamolämmityksen hyötysuhteen parantamiseksi. Kehittyneimmissä järjestelmissä hyödynnetään kaikki olemassa oleva tai tuotettava lämpö ohjaamon lämmittämiseksi. Esimerkiksi jos ulkoilmasta on hyödynnettävissä lämpöenergiaa johonkin lämmönhallintapiiriin lämpötilaerojen seurauksena, se siirretään sinne, jolloin lämmityksen hyötysuhde kasvaa ja tietyn lämmitysenergian saavuttamiseksi tarvitaan vähemmän sähköenergiaa.

Huolto ja vianmääritys 

Sähköautojen lämmönhallintajärjestelmien huolto ja vianmääritys vaativat erityishuomioita.  Järjestelmän moniosaisten komponenttien on toimittava oikein kaikissa tilanteissa, jotta lämmönsiirto toteutuu halutulla tavalla. Vika- tai häiriötilanteissa on tunnettava järjestelmän toiminta tarkasti, jotta ongelman syy voidaan selvittää. Tämä vaatii hyvää ymmärrystä järjestelmän toiminnasta. Usein tarvitaan myös teknisiä kaavioita, tarvittavia tietoja järjestelmästä sekä testilaitteita, joilla voidaan tarkastella tunnistimien, venttiilien ja solenoidien asentoja ja toimintaa.

Pääsääntöisesti lämmönhallintajärjestelmille on huolto- tai korjaustoimenpiteitä varten ilmoitettava, että järjestelmä on asetettu huoltotilaan. Tämä voidaan usein tehdä testilaitteella tai ajoneuvon omalta näytöltä. Myös kansalliset vaatimukset henkilöiden pätevyyksistä kylmäainepiirien kanssa toimittaessa tulevat muuttumaan: tällä hetkellä kaikkien pätevöityneiden tekijöiden toistaiseksi voimassa ollut pätevöityminen on asetettu päättymään 12.3.2029, eikä uusia vaatimuksia ole vielä päätetty.

Kirjoittaja: Kai Hikman