Energianvändning del 6: Klimatisering

Idag fortsätter serien om energianvändning. I dagens nyhetsbrev är fokus på klimatisering/klimatanläggningar, dvs värme- och kylsystemen av kupén för elbilar.

Värme- och kylsystem för fordon använder mycket energi. T ex pekar en uppskattning för USA (från 2012) att 5,5 % av den totala nationella oljekonsumtionen går åt till kylning av bilkupér [1]. Värme- och kylsystemen utgör också en signifikant energianvändare i elbilar, speciellt i extrema klimatzoner som den nordiska. Nedan finns en genomgång av viktiga skillnader i t ex teknikval rörande klimatisering mellan elbilar och förbränningsmotorbilar, samt vilka tekniker och metoder som industrin och akademin ser potential för fortsatt utveckling.

Värme utgör en större utmaning än kyla för elbilar

En typisk konfiguration för tidiga elbilar var att använda befintliga klimatanläggningsenheter från förbränningsmotorbilar och konvertera dessa för elbilens speciella förutsättningar, ofta genom att installera en dedikerad elmotor för att driva klimatanläggnings (kyla) kompressor [2]. Den konventionella konfigurationen i en förbränningsmotorbil är att kompressorn till klimatanläggningen i huvudsak drivs direkt av förbränningsmotorn, vilket t ex kan innebära att klimatanläggningen stängs av eller reduceras när start-stopp funktionen aktiveras [3]. Vid behov av kupévärme används generell spillvärme från förbränningsmotorn vilket pumpas in i kupén [2] Dock har separata stödvärmeaggregat blivit allt vanligare, främst i dieselbilar där dieselmotorn tar längre tid att bli varm. Användning av spillvärmen från förbränningsmotorn betyder att ingen eller endast marginell extra energi behövs när kupén ska värmas [4]. För att skapa kyla krävs emellertid extra energi. Enligt vissa beräkningar ligger bränsleanvändningen (bensin) för kylning på mellan 0,2 till 1 liter per 100 km [4].

Vid behov av kupévärme i elbilar har den vanligast lösningen bestått av radiatorer (t ex PTC värmare i tidiga Nissan LEAF) som kräver relativt mycket energi [2]. På en basal nivå är alltså den stora skillnaden mellan elbilar och förbränningsmotorbilar att värmen är ”gratis” från förbränningsmotorbilen och kräver extra el för elbilen. Kyla kräver extra energi hos båda teknikerna.

Värme i elbilar kan också kräva mer energi i absoluta termer jämfört med kyla, även om direkta jämförelser kan vara svåra att genomföra i realistiska miljöer. I en undersökning från amerikanska AAA var den genomsnittliga minskningen av batterikapaciteten (jämfört med ett basscenario på 24 °C) 41 % för uppvärmning från – 6,7 °C och 17 % för kylning från 35 °C [5]. I AAA:s undersökning ingick följande modeller: BMW i3, Chevy Bolt, Nissan LEAF, Tesla Model S och VW e-Golf.

Klimatisering för elbilar kan påverka mer än temperaturkontroll i kupén

Utformningen och placeringen av klimatanläggning kan ha negativ påverkan på temperaturregleringen av batteriet. T ex om varm luft från kupén eller spillvärme från klimatanläggnings kompressor ges möjlighet att påverka kylningen av batteriet [1]. Detta verkar dock ha varit ett större problem i tidigare elbilsdesigner. Vissa moderna elbilar använder istället klimatanläggningen för att kyla batteriet. Ett sådant exempel är BMW i3, där BMW själva menar att ett integrerat kylsystem för både kupé och batteri minskar både vikt och kostnad [6]. Uppvärmning av BMW i3:s batteri sker dock med en separat elektrisk värmare [7]. Inom forskningen har koppling mellan batteriprestanda och klimatisering undersökts. I en studie från UC Irvine modellerades en metodik för simultan optimering av Battery Management System (BMS) och klimatisering [9]. Resultatet visade att en klimatanläggning som samverkar med BMS:en kan minska energianvändningen med upp till 14,4 % och minska batteridegraderingen med upp till 13,2 % [8]. Metodiken bygger på att klimatstyrningen kan förutse energibehovet från drivlinan och därmed anpassa energin till klimatanläggningen [8].

Värmepumpar har stor potential att minska energianvändningen för elbilar

Många elbilar har använt PTC värmare (se [9] för förklaring). Dessa är visserligen väldigt effektiva, uppåt 100 % effektivitet, men uppvärmning av kupé vid låga utomhustemperaturer kräver ändå mellan 4 – 7kW [10].

Värmepumpsteknologin skiljer sig på så sätt att den förutom att generera värme kan utvinna och uppgradera befintlig värme [10]. Detta kan göras med väldigt hög effektivitet [10]. En modern värmepump kan typiskt ge 2 – 4kW av värme per 1kW tillförd elektricitet, dvs upp till en faktor fyra jämfört med PTC värmning [2]. En fördel med värmepumpteknologin är att spillvärmen från t ex kompressorn och andra värmegenererande komponenter kan tillvaratas i den värmeskapande processen [2]. En konkret nackdel med värmepumpar är att de har sämre verkningsgrad vid riktigt kalla temperaturer, då det finns mindre värme att extrahera från luften [11]. Moderna värmepumpar kan i regel även växla varm luft i kupén mot kallare luft utanför, dvs fungera som en A/C [12]. Värmepumpens begränsningar innebär att den i huvudsak är ett komplement till traditionella värme- och kylaggregat. Dessa behövs alltså fortfarande i elbilar, speciellt för snabb uppvärmning eller kylning [12]. Många moderna elbilar är utrustade med värmepump. Några exempel är BMW i3, Renault Zoe, Nissan LEAF, Kia e-Niro och Audi E-Tron.

Som vanligt när det kommer till teknik för elbilar så har det skrivits mycket om Tesla och deras teknikval för klimatisering. Nu senast för Model Y som är den första Teslan som använder en värmepump. Teslas värmepump ska innehålla ett antal innovativa lösningar, bland annat en uppvärmningsslinga som ska utvidga det användbara temperaturintervallen.  Tesla Club Sweden har skrivit en utförlig artikel om Teslas värmepump [13].

Utveckling för att optimera användning av klimatanläggningar

Hittills har vi främst diskuterat den underliggande tekniken av klimatisering, vilket såklart är viktigt. Det är även viktigt att titta på hur klimatanläggningen används. I BMW i3 finns det flera valbara körlägen, i ECO Pro minskar klimatanläggningens effekt och i ECO Pro+ stängs klimatanläggning helt av [14]. Ett annat exempel är Tesla Model 3 där luftventilen i bakre delen av kupén aktiveras när någon sitter i baksätet.

Många moderna elbilar är också utrustade med teknik för förvärmning och förkylning. När laddaren är i kan på så sätt både kupé och batteri värmas/kylas till mer optimala temperaturer innan körning, vilket ger lägre energianvändning under körningen.

Egen kommentar

En väl fungerande klimatanläggning tas nog förgivet av många bilköpare. Det är först med elbilar som man börjar förstå att kostnaden i form av energianvändning och minskad räckvidd. Det är dock viktigt att poängtera att spillvärmen från förbränningsmotorn inte är gratis, det är en produkt av dålig effektivitet. Det pågår en hel del intressant teknikutveckling för att sänka energianvändningen av klimatisering i elbilar. Huvudspåret verkar vara värmepumpsteknologi. Jag hittade tyvärr inte så mycket information om hur användning kan optimeras. Både BMW:s och Teslas klimatoptimeringar är intressanta, dock är det oklart hur mycket energi de faktiskt sparar. 

Referenser

[1] IQPC. 2012. länk

[2] Charged EVs. 2018. länk 

[3] Nxtbook. Stop-Start system technologies. 2019. länk

[4] Endesa. 2019. länk

[5] AAA. 2019. länk

[6] BMW Group. 2014. länk

[7] Marklines. 2017. länk

[8] Vatanparvar, Korosh, and Mohammad Abdullah Al Faruque. ”Design and analysis of battery-aware automotive climate control for electric vehicles.” ACM Transactions on Embedded Computing Systems (TECS) 17.4 (2018): 1-22.

[9] GM Nameplate. 2017. länk

[10] Jeffs, James, et al. ”System level heat pump model for investigations into thermal management of electric vehicles at low temperatures.” Proceedings of the 13th International Modelica Conference, Regensburg, Germany, March 4–6, 2019. No. 157. Linköping University Electronic Press, 2019.

[11] All Systems Mechanical. 2018. länk

[12] Green Car Reports. 2019. länk

[13] Tesla Club Sweden. 2020. länk

[14] Gröna Bilister. 2013. länk