Грядет скорый переход легкового автомобилестроения на электротягу, как минимум гибридную. Из-за чего в ближайшие десятилетия может поменяться состав ведущих игроков aftermarket. При этом производители компонентов термоменеджмента получат фору, так как будут востребованы и в электроэпоху. Правда, сами системы отвода тепла изменятся очень серьезно, но станут ли они доступнее?
Кондиционер бессмертный
Начнем с того, что электромобили, как и традиционные, нуждаются в системах вентиляции и кондиционирования внутрисалонного воздуха. А значит, радиаторы кондиционера в виде конденсатора и испарителя никуда не денутся. Ведь разрабатывать принципиально новые решения дорого и, пожалуй, нецелесообразно.
Точно так же останется и традиционный компрессор кондиционера, которому абсолютно все равно, крутиться от электромотора или от приводного ремня ДВС. Возможно, компрессоры станут более совершенными и эффективными, но эту уже совсем другая история.
Подробнее о системах кондиционирования и их эволюции вы можете узнать из №6 (июнь) журнала «Автокомпоненты» за 2019 год, который доступен на сайте www.a-kt.ru и в нашем официальном мобильном приложении. А про обслуживание и эксплуатацию автомобильных климатических систем мы рассказываем на странице 54 текущего номера.
Потребность в охлаждении
Как ни странно, уход на пенсию двигателя внутреннего сгорания не оставит без работы его радиаторы охлаждения. Просто теперь они начнут работать на другого «хозяина», отводя тепло от аккумуляторных батарей новеньких электромобилей. Здесь, в некоторых конструкциях, могут прописаться и помпы, которые уже сегодня на многих моделях авто становятся электрическими.
Производителям антифризов также пока рано волноваться, более дешевого и достаточно эффективного теплоносителя для охлаждения батарей автомобильная отрасль еще не придумала. Да, существуют «бестосольные» системы, но у них есть свои проблемы и ограничения, о которых мы расскажем чуть ниже.
Остается вопрос с радиатором печки, возможно, в массовом исполнении его заменят нагревательные спиральные элементы, наподобие тех, что установлены в фенах. Но и потенциал использования «жидкого тепла» для обогрева салона пока исключать не стоит.
Радиаторы ГУРа и интеркулера, скорее всего, уйдут в прошлое, по крайней мере в легковом сегменте, а вот системы охлаждения коробок передач смогут остаться.
Разумеется, сказанное выше справедливо для авто на чистой электротяге, гибриды же останутся настоящим Клондайком для производителей радиаторов.
Радиаторная эволюция
Современные радиаторы прошли долгий путь от «чайника», установленного в Benz Victoria конца XIX века, который расходовал до 150 литров воды на сто километров, до полностью полимерных или алюминиевых теплообменников, которыми сейчас комплектуются суперкары.
Напомним, что до начала 1970-х годов подавляющее большинство авторадиаторов были медно-латунными и изготавливались посредством пайки. И только с середины 1960-х разработчики систем охлаждения начали успешно экспериментировать с алюминием.
Кстати, пайка по-прежнему актуальна, например, высокофорсированные моторы оснащают именно паяными радиаторами с плоскими трубками и гофрированными охлаждающими пластинами. А вот бачки сегодня
изготавливают из различных полиамидов, усиленных стекловолокном. Их крепление к радиатору осуществляется при помощи фланцев с уплотнениями из эластомеров.
Существует также более совершенная и прочная конструкция алюминиевых радиаторов, в которых даже бачки выполнены из «летучего» металла. Но стоимость готовой продукции здесь слишком высока, чтобы оснащать такими радиаторами масс-маркет. Правда, в обычных машинах они тоже встречаются, но исключительно в виде интеркулеров, заточенных на высокие нагрузки.
Больше информации о радиаторах вы можете найти в №5 (май) журнала «Автокомпоненты» за 2019 год, который доступен на сайте www.a-kt.ru и в нашем официальном мобильном приложении.
Массовый продукт и экзотика
Для автомобилей массового сегмента основным видом радиаторов являются алюминиевые трубчато-пластинчатые конструкции сборного типа. В них по отдельности механическим образом собирают все элементы. По эффективности и долговечности радиаторы такой конструкции уступают паяным, но благодаря куда меньшей стоимости востребованы как на конвейере, так и на вторичном рынке.
Некоторые компании устанавливают в трубках турболизаторы, которые закручивают поток жидкости, увеличивая его скорость, тем самым повышая теплообмен.
Кроме того, радиаторы могут быть однорядными или многорядными. Многорядные используются для автомобилей, работающих в тяжелых условиях, испытывающих значительные нагрузки.
Не будем забывать и про самые последние разработки – радиаторы, выполненные целиком из полимеров, они легкие, крепкие, претендуют быть недорогими, но пока еще уступают по эффективности алюминиевым.
Иммерсионные технологии
Теперь предлагаю отступить в сторону, чтобы понять, в какую сторону движутся процессы охлаждения в грядущей электромобильной эпохе. Уверяю вас, что это будет интересно.
Западные ученые, которые уже сегодня поднаторели в создании электрокаров, на этапе изысканий выяснили, что эффективность работы автомобильных аккумуляторов значительно повышается при погружном охлаждении. Кроме того, такой тип охлаждения позволяет заряжать батареи в несколько раз быстрее без опасности перегрева.
Любопытно, что свой расцвет иммерсионное охлаждение получило в эпоху майнинга криптовалюты, когда энтузиасты создавали масштабные диджитал-фермы. В подавляющем большинстве случаев речь шла об охлаждении графических процессоров видеокарт и процессоров майнинг-устройств. А изначально таким образом охлаждали крупные дата-центры, видимо, криптоэнтузиасты подсмотрели идею именно там. Отметим, что погружным способом отводят тепло и от блоков ядерных отходов, которыми так богата Россия. Так что в эффективности способа сомневаться не приходится.
Хитрости погружения
В общим, иммерсионное охлаждение – это когда охлаждаемый объект погружается в теплоноситель, за счет чего последний максимально эффективно отводит тепло. Дальше сам теплоноситель охлаждается принудительно или пассивно. Существует два типа иммерсионного охлаждения: однофазное и двухфазное.
При однофазном охлаждении теплоноситель, в который погружено устройство, находится в одном агрегатном состоянии (в одной фазе), при этом сам теплоноситель обычно охлаждается за счет передачи тепла в другую жидкую среду, через теплообменник или же в атмосферу через радиатор (градирню). Двухфазное иммерсионное охлаждение означает, что теплоноситель в рабочем цикле переходит из одной фазы (агрегатного состояния) в другую. Чаще всего при двухфазном охлаждении теплоноситель находится в состоянии жидкости, после его нагрева он начинает кипеть и испаряться, переходя в газообразное состояние и отдавая таким образом тепло. Из газообразного состояния обратно в жидкость теплоноситель переходит путем конденсации.
Работают оба типа охлаждения для электроники и батарей довольно эффективно, быстро и равномерно отводя излишние градусы. Но в аккумуляторах электрокаров огромное значение приобретают компактность системы охлаждения, свойства теплоносителя и характеристики прокачивающих насосов.
Британский гель
Именно поэтому британский поставщик автозапчастей Ricardo озаботился созданием нового типа теплоносителей для технологии иммерсионного охлаждения батарей, войдя в проект i-CoBat, который строится на сотрудничестве между M&I Materials, WMG и Ricardo и направлен на создание компактных, быстро заряжаемых емких батарей.
В основе концепции лежит чудо-состав MIVOLT, используемый в качестве теплоносителя. Важнейшей особенностью MIVOLT является то, что он не
проводит ток и может вступать в непосредственный контакт с батарейными блоками. По сути, идея гениальная – использовать диэлектрический теплоноситель в качестве покрытия батарей, фактически и в качестве изолирующего материала.
Таким образом, конструкторы получают возможность организовать теплопередачу в самом источнике нагрева (АКБ), без использования вторичного контура косвенного охлаждения. Что ведет к упрощению и облегчению конструкции, исключает необходимость в сложных системах, нескольких контурах и высокопроизводительных насосах.
Превосходство Британской Короны
Проект i-CoBat является частью правительственного проекта Великобритании Faraday Battery Challenge, призванного сделать Соединенное Королевство лидером в производстве батарей нового поколения для разного типа устройств, в том числе для автомобильного транспорта.
Его куратором выступает компания M&I Materials, разработавшая диэлектрическую охлаждающую жидкость MIVOLT. Кстати, M&I Materials работает в области передовых материалов и электрической изоляции уже 100 лет, а на диэлектрических жидкостях специализируется более 40 лет.
Интересно, что, по заявлениям разработчиков, состав биоразлагаемый, практически не несет вреда для окружающей среды или здоровья людей и нетоксичен. Это серьезные преимущества против этиленгликоля, который используется в качестве охлаждающей жидкости в большинстве традиционных двигателей сегодня.
Ограничения для зарядки
Известно, что невысокая скорость зарядки и малая долговечность аккумуляторных батарей являются главными факторами, отталкивающими автолюбителей от электротранспорта.
Многие производители сегодняшних электромобилей ограничивают периодичность быстрой зарядки, так как при ее использовании аккумуляторные элементы могут выделять в три раза больше тепла, чем при езде и медленной зарядке. При этом нагрев элементов питания является главным фактором старения батарей, ухудшения их производительности. А стоимость новой батареи может доходить до половины цены электрокара.
Дело в том, что блоки батарей текущих поколений, как правило, используют воздушное охлаждение или пластинчатое охлаждение с применением воды, этиленгликоля или хладагента в качестве теплоносителя. Ограничения таких систем сказываются на скорости зарядки и количестве циклов быстрой зарядки, разрешенных ежедневно. А также на режимах эксплуатации авто.
Снять ограничения в ряде случаев довольно просто, достаточно повысить производительность систем отвода тепла, увеличив их размеры. Но это приведет к росту массы батарейных систем, а также к серьезному возрастанию их цены.
Радужные перспективы
А вот применение MIVOLT в системе иммерсионного охлаждения призвано сделать батареи меньше, при том что эффективность отвода тепла вырастет в несколько раз. За счет улучшенных температурных характеристик батареи получат возросший ресурс, а время зарядки сократится, так как АКБ смогут принимать более высокие значения тока без опасности перегрева.
Но самое главное, что наконец-то будут сняты ограничения по количеству быстрых зарядок. Больше того, кураторы проекта обещают, что вскоре на полную зарядку электромобиля будет уходить не больше времени, чем на заправку топливного бака обычного авто. А это уже серьезный стимул к отказу от ДВС.
Право первого
Кстати, британцы оказались всего лишь вторыми в применении технологий иммерсионного охлаждения в автопроме. Первопроходцем здесь выступила тайваньская компания XING Mobility, доказавшая, что диэлектрическая жидкость Novec 7200 Engineered Fluid, созданная компанией «3M» для отвода тепла в суперкомпьютерах, может использоваться и для охлаждения батарей электромобиля Miss R.
Такой подход позволил XING Mobility добиться отличной теплопередачи, однородности температуры аккумуляторов, быстрой зарядки, длительного срока службы батареи, высокой безопасности и внушительной пиковой мощности. Аккумуляторная батарея Miss R может производить до 1 МВт мощности, имея при этом физический размер на 30–50% меньше, чем у других электрических суперкаров с аналогичными характеристиками.
Электросуперкар Miss R оснащен четырьмя электродвигателями суммарной мощностью свыше 1340 лошадиных сил. Скорость разгона до 100 км/ч составляет 1,8 секунды, а до 200 км/ч – всего 5,1 секунды, максималка равна 270 км/ч. По заверениям разработчиков, полностью зарядить аккумулятор авто можно всего за 5 минут, тогда запас хода составит до 250 км.
В XING Mobility уверены, что иммерсионные технологии охлаждения в автопроме позволят снизить вес аккумуляторной батареи в 3 раза, повысить скорость зарядки минимум в 2 раза, а количество циклов заряда/разряда батареи увеличить практически вдвое.
Массовое внедрение
Ключевым отличием подхода инженеров i-CoBat от XING Mobility является то, что британский проект изначально призван создать не только компактные и эффективные, но и более дешевые батареи для электрокаров. Да, характеристики суперкара Miss R впечатляют, но увидим ли мы его батарею на простеньком семейном седане? Думаю, вряд ли. А i-CoBat обещают сделать доступным и для бюджетных авто.
Экономия при производстве будет достигнута за счет унификации теплоносителя с батареями для смартфонов и иной бытовой техники, а также благодаря отказу от сложных систем охлаждения. Еще один плюс – компактность конструкции, которую должны оценить автопроизводители по всему миру, массовость нужна для того, чтобы сработал принцип: больше копий – меньше цена!
Электробюджетники
Тогда недорогие электрокары смогут наконец-то избавиться от воздушного охлаждения. К примеру, самый популярный и массовый в России электромобиль Nissan Leaf оснащен именно атмосферной системой охлаждения батарей, за счет чего они подвержены большей деградации из-за перегрева, чем у электромобилей подороже.
Nissan даже ограничил на программном уровне количество быстрых зарядок, чтобы предотвратить чрезмерное повреждение аккумуляторов. Поэтому машину приобретают в основном для поездок на работу и обратно, в пределах 20–40 километров, в путешествие на ней не поедешь.
Так что, если новый тип охлаждения приживется в массовом сегменте, переход на электротягу будет быстрым и неизбежным. Найдется ли там место для радиаторов, покажет время, но скорее всего, да, и очень важное.