Chlazení elektromobilů a vozidel na vodík

Zatímco u hybridních pohonů je stále ještě co mazat, u těch čistě bateriových už kromě převodovky pouze chladíme. Jak je to v současnosti s náplní chladicích okruhů bateriových vozidel se dozvíme v tomto příspěvku.

Rovnou tři okruhy
Klasické benzínové a naftové motory potřebují od nepaměti chladit. Ač jim k tomu slouží motorový olej, díky své nízké tepelné kapacitě a vodivosti, částečně i vyšší viskozitě a rychlejší degradaci, na to však sám nestačí. K tomu je potřeba vhodnější tekutina. V omezené míře vzduch, ve většině případů kapalina vždy obsahující vodu, protože nad její teplosměnné vlastnosti prostě není.
Dříve jsme si vystačili s jedním chladicím okruhem, u některých starších osobních vozidel až s velikostí okolo 10 litrů. Pak přišlo období redukce jeho objemu a v nedávné době pro změnu přibývaly komponenty, které je potřeba ve vozidle chladit. Do toho v posledním desetiletí významně stoupla provozní teplota v chladiči, která může lokálně přesáhnout i samotný bod varu používané směsi, jen díky mírnému přetlaku v okruhu se tak nestane. Tohle dědictví si nesou i první vozidla, kde kromě paliva je k pohonu použitá i energie elektrická. Nehledě na to, zda k nabytí baterie byla využita elektrická síť nebo pouze přebytková kinetická energie z pohonu. Když se nyní vývojově dostáváme k čistě elektrickým vozům, kde již spalovací motor není vůbec přítomen, najdeme tam obvykle chladicí okruhy rovnou tři.

Co potřebujeme chladit?
Elektrovozidlo potřebuje udržovat různé provozní teploty v jednotlivých okruzích. Vedle klasického topení, kde je teplota (max. 80 °C) a velikost okruhu obvykle největší, jde o okruh s nižší teplotou (60–70 °C) a chladíme zde tzv. výkonovou elektroniku, tedy palubní nabíječ, elektromotor nebo jde o samotný chladič.
Třetí okruh je nejchladnější (do 40 °C) a ochlazuje se jím chiller nebo třeba trakční akumulátor. Všechny okruhy jsou odděleny jednoduchými dvojcestnými nebo trojcestnými ventily. A koluje v nich ve většině případů (světe div se) úplně stejná chladicí kapalina, jaká je v současných nově vyrobených výhradně spalovacím motorem osazených vozidlech. Odpovídá tomu i nabídka těchto kapalin na trhu, neboť se speciální kapalinou pouze pro elektrovozidla se lze na trhu setkat minimálně. A byl by to také nesmysl, v těch současných nejsou žádné odlišné konstrukční materiály, než máme u klasických spalovacích nebo vznětových motorů, a od tohoto typu chlazení ani nic nového neočekáváme. Tedy rychlý odvod přebytečného tepla, které zde vzniká hlavně z dobíjení baterie a částečně i z jejího vybíjení, a samozřejmě je nutné toutéž směsí zajistit i tepelné pohodlí posádky v zimních měsících. U elektromobilů lze tak žehrat pouze na potenciální bezpečnost, protože ty konvenční chladicí tekutiny jsou elektricky relativně dost vodivé.

Kapalina G12evo
Pokud se budeme pohybovat u koncernu Volkswagen, ač už ztratil pozici největšího výrobce vozidel na světě, tak jde o chladicí kapalinu G12evo, zde odpovídající normě VW TL 774 L. Ta byla zavedena pro první plnění v roce 2019 a do koncernu jí dodávají dva schválení němečtí dodavatelé.
Jedná se o kapalinu výhradně na bázi ethylenglykolu, jako nemrznoucí složky, a s inhibičním systémem stojícím na solích karboxylových kyselin. Na rozdíl od předchozích kapalin G11-G13 však již bez obsahu EU téměř zakázané – kyseliny 2-ethylhexanové. Najdeme zde ale stále i anorganické inhibitory koroze. Jde v podstatě o HOAT (Hybrid Organic Acid Technology), resp. Si-HOAT typ kapaliny. A jelikož norma VW připustila po více jak 30 letech i použití fosfátů, může se v některých případech stát, že náplní je přímo typ chladicí kapaliny označovaný jako PSi-OAT (Fosfáty, Silikáty a karboxylové kyseliny). Tedy náplň dosti vzdálená starší kapalině G12+ (čistě OAT) nebo G12++ (Si-OAT). Paradoxně tak dochází k situaci dříve nepředstavitelné, kdy většina chladicích kapalin na celém světě si je svým složením velmi podobná až identická. Platí to minimálně v Evropě, kde koncern Stellantis (Fiat, Opel, Peugeot, Citroën, Alfa Romeo, Maserati, Lancia, DS, včetně amerických: Chrysler, Dodge, RAM a Jeep) může mít náplň složením stejnou s náplní koncernu VW, stejně jako u menších evropských výrobců mj. BMW, Daimler, Renault a Dacia. A neřešme teď, že dodavatelem může být různý výrobce a barva se může lišit. Pokud bychom si odmyslili silikáty a opravdu použili i fosfáty, sedneme si i s náplněmi všech asijských vozidel, jako je v současnosti největší výrobce vozidel na světě, koncern Toyota, nebo všechny čínské značky.

Fuel Cell
Výše popsaná situace se v podstatě významně neliší od současného chlazení vozidel, pouze jsme nahradili zdroj pohonu. Je však zřejmé, že aktuální elektrovozidla nejsou sto poskytovat takový komfort jako spalovací a vznětové motory. Brání jim v tom hlavně neúměrně dlouhá doba dobíjení baterie a její omezená kapacita – tedy dojezd. Tyto nešvary lze odstranit přechodem k vyšším nabíjecím proudům a k vodíku jako zdroji energie.
Pak již nejde o klasická EV, ale o vozidla označovaná jako PHEV nebo Fuel Cell. A také pak již nejde o nepřímé kapalinové chlazení, ale o přímé, kdy je zdroj energie chlazen podobně jako některé počítačové procesory, tedy umístěním přímo do kapaliny. Zní to trochu děsivě, ale pokud u chladicí kapaliny zajistíte, že nebude elektrolyt (tedy vodivá), může to fungovat.
Zatímco u zmíněných procesorů lze tyto požadavky zvládnout vhodným teplosměnným olejem nebo velmi měkkou vodou, u Fuel Cell agregátů si s tím nevystačíte. I ten nejlepší olej má tepelnou kapacitu a vodivost poloviční než voda a baterii s ním přebytečného tepla nezbavíte, samotná voda je ale zase limitována svými fyzikálními vlastnostmi (přeměna v led, a bod varu 100 °C). Zůstáváme tak opět u vodného roztoku glykolu, jako u současných G11-G13, resp. G12evo kapalin. Ty ale mají díky obsaženým inhibitorům koroze na bázi (vodivých) solí elektrickou vodivost na úrovni 2000 až 3000 mikroS/cm. Takové hodnoty vodivosti by při přímém kapalinovém chlazení baterii okamžitě zničily a navíc významně ohrozily bezpečnost posádky elektrickým proudem. Pokud do vodného roztoku glykolu nedáte konvekční inhibitory koroze, lze se sice dostat na úroveň elektrické vodivosti 50–100 µS cm-1, ale taková směs v bezpečnosti stačí pouze omezeně a navíc nechrání před korozí žádný ze stávajících konstrukčních materiálů (tedy vyjma plastů, mědi a nerezavějící oceli).
Před budoucími elektromobily či vozidly poháněnými vodíkem tak stojí ještě dost nejasností a nezbytného vývoje. Navíc u baterií totiž výrobci stále zkouší všechny tři možné způsoby chlazení: tedy kromě kapalinového i chlazení vzduchem nebo chladivem (R134a, R1234yf). Pokud bychom tedy o předchozích desetiletích u automobilů mohli mluvit s velkou nadsázkou jako o období mazání, lze u těch současných i budoucích hovořit jako o období chlazení. Dokazují to nakonec i soudobé extrémní výkyvy počasí hlavně do plusových teplot.

Jan Skolil, technický ředitel společnosti CLASSIC Oil

Publikováno: 23. 7. 2024 | Počet zobrazení: 18 3