التقدم البحثي في ​​تكنولوجيا الإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية

تتمتع السيارات الكهربائية النقية بكفاءة عالية وشاملة في استخدام الطاقة وتتسبب في تلوث بيئي قليل نسبيًا. مع التطوير المستمر للتقنيات المتعلقة بالمركبات الكهربائية النقية، يتوسع حجم الصناعة تدريجيًا. نظرًا للقيود التي تفرضها كثافة الطاقة والخصائص المادية لبطاريات الطاقة، أصبح نطاق إبحار المركبات الكهربائية النقية مشكلة رئيسية تحد من تطورها. الطلب واستهلاك الطاقة في لقد اجتذب نظام الإدارة الحرارية للمركبة تدريجيًا اهتمامًا واسع النطاق في الصناعة. إن تنقل القيادة يجعل الظروف البيئية والمناخية التي تواجهها السيارات معقدة وقابلة للتغيير. بالنسبة للسيارات الكهربائية النقية، بدون النظام الحراري للمحرك الخاص بمركبات الوقود التقليدية، يحتاج النظام الحراري للسيارات إلى تلبية متطلبات التحكم في درجة الحرارة للبطارية/المحرك/الإلكتروني، وإزالة الجليد من المبادل الحراري، وإزالة الضباب على زجاج النوافذ وغيرها من الاحتياجات. تعد تكنولوجيا الإدارة الحرارية ضمانًا مهمًا لسلامة وراحة قيادة السيارات، وأصبحت التكنولوجيا الأساسية لتطوير السيارات الكهربائية.

1. متطلبات الإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية

مقصورة الركاب هي المساحة البيئية التي يتواجد فيها السائق أثناء عملية قيادة السيارة. من أجل ضمان بيئة قيادة مريحة للسائق، تحتاج الإدارة الحرارية لمقصورة الركاب إلى التحكم في درجة الحرارة والرطوبة ودرجة حرارة إمداد الهواء ببيئة المقصورة. يوضح الجدول 1 متطلبات الإدارة الحرارية لمقصورة الركاب في ظل ظروف مختلفة.

يعد التحكم في درجة حرارة بطارية الطاقة شرطًا أساسيًا مهمًا لضمان التشغيل الفعال والآمن للسيارات الكهربائية. عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا، فإنها ستتسبب في تسرب السوائل والاحتراق التلقائي وظواهر أخرى، مما سيؤثر على سلامة القيادة. عندما تكون درجة الحرارة منخفضة جدًا، سيتم تخفيف قدرة شحن البطارية وتفريغها إلى حد ما. نظرًا لكثافة الطاقة العالية وخفة الوزن، أصبحت بطاريات الليثيوم هي بطاريات الطاقة الأكثر استخدامًا على نطاق واسع للسيارات الكهربائية. يوضح الجدول 2 متطلبات التحكم في درجة الحرارة لبطاريات الليثيوم والحمل الحراري للبطارية في ظل ظروف مختلفة مقدرة وفقًا للأدبيات. مع الزيادة التدريجية في كثافة الطاقة لبطاريات الطاقة، وتوسيع نطاق درجة حرارة بيئة العمل، وزيادة سرعات الشحن السريع، أصبحت أهمية التحكم في درجة حرارة بطارية الطاقة في نظام الإدارة الحرارية أكثر وضوحًا. وهذا لا يحتاج فقط إلى تلبية تغيرات حمل التحكم في درجة الحرارة في ظل ظروف الطريق المختلفة، وأوضاع الشحن والتفريغ المختلفة وظروف تشغيل السيارة الأخرى، وتوحيد مجال درجة الحرارة بين حزم البطاريات ومنع الانفلات الحراري والتحكم فيه، ولكنه يحتاج أيضًا إلى تلبية متطلبات التحكم في درجة الحرارة في بيئات مختلفة في مناطق الحرارة العالية والرطوبة العالية وما إلى ذلك.

يعد المحرك والتحكم الإلكتروني بمثابة وصلات إنتاج الطاقة الرئيسية للسيارات الكهربائية. أثناء عملية تشغيل المحرك، سيتم توليد كمية كبيرة من الحرارة نتيجة لتسخين مقاومة الملف، وتوليد حرارة الاحتكاك الميكانيكي وأسباب أخرى. تسبب درجة الحرارة المفرطة مشاكل مثل الدائرة القصيرة الداخلية للمحرك وإزالة المغناطيس بشكل لا رجعة فيه. وفقًا لتكوين المحرك لنماذج مختلفة في سوق السيارات الكهربائية الحالي، يوضح الجدول 3 متطلبات التحكم في درجة حرارة المحرك والكهرباء لسيارات الركاب، وقوة تسخين المحرك مع الأخذ في الاعتبار كفاءة المحرك وقوة المحرك. مع شعبية السيارات الكهربائية وزيادة سيناريوهات التطبيق، يستمر الطلب على طاقة السيارة في الزيادة. تتطلب محركات السيارات الكهربائية طاقة وعزم دوران وسرعة أعلى، مما يعني أيضًا توليد حرارة أعلى. ونتيجة لذلك، فإن متطلبات الإدارة الحرارية لأنظمة المحركات الكهربائية تتزايد تدريجياً.

2. تاريخ تطور تكنولوجيا الإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية

تعد الإدارة الحرارية للمركبة إحدى التقنيات الأساسية لتطوير السيارات الكهربائية، والتي تتضمن إدارة متعددة الأهداف مثل التحكم في درجة الحرارة والرطوبة في مقصورة الركاب، والتحكم في درجة حرارة نظام الطاقة، والزجاج المضاد للضباب وإزالة الضباب. وفقًا لهندسة نظام الإدارة الحرارية ودرجة التكامل، يتم تلخيص تطوير الإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية في ثلاث مراحل، كما هو موضح في الشكل 1. بدءًا من التبريد الفردي بالتدفئة الكهربائية إلى المضخة الحرارية مع التسخين الكهربائي المساعد، ومن ثم إلى الاقتران التدريجي للمضخة الحرارية لمنطقة درجة الحرارة الواسعة والإدارة الحرارية للمركبة، تتطور تكنولوجيا الإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية تدريجيًا نحو اتجاه متكامل وذكي للغاية. ويتم تحسين القدرة على التكيف البيئي في نطاق واسع من درجات الحرارة والظروف القاسية تدريجيًا.

في المرحلة الأولى من تصنيع السيارات الكهربائية، تم تطويرها بشكل أساسي مع استبدال أنظمة الطاقة مثل البطاريات والمحركات باعتبارها التكنولوجيا الأساسية. يتم تحسين الأنظمة المساعدة مثل تكييف هواء المقصورة، وإزالة الضباب عن النوافذ، والتحكم في درجة حرارة مكونات الطاقة تدريجيًا على أساس تقنيات الإدارة الحرارية التقليدية لمركبات الوقود. كل من مكيفات هواء السيارة الكهربائية النقية ومكيفات هواء سيارة الوقود تحقق وظيفة التبريد من خلال دورة ضغط البخار. الفرق بين الاثنين هو أن ضاغط تكييف الهواء في مركبة الوقود يتم تشغيله بشكل غير مباشر بواسطة المحرك من خلال الحزام، بينما تستخدم السيارة الكهربائية النقية بشكل مباشر ضاغط الدفع الكهربائي لقيادة دورة التبريد. عندما يتم تسخين مركبات الوقود في الشتاء، يتم استخدام الحرارة المهدرة للمحرك مباشرة لتدفئة مقصورة الركاب دون مصدر حرارة إضافي. ومع ذلك، فإن الحرارة المهدرة لمحرك السيارات الكهربائية النقية لا يمكنها تلبية احتياجات التدفئة في فصل الشتاء. ولذلك، فإن التدفئة في فصل الشتاء هي مشكلة تحتاج السيارات الكهربائية النقية إلى حلها. . يتكون سخان معامل درجة الحرارة الإيجابية (معامل درجة الحرارة الإيجابية، PTC) من عنصر تسخين السيراميك PTC وأنبوب الألومنيوم، الذي يتميز بمزايا المقاومة الحرارية الصغيرة وكفاءة نقل الحرارة العالية. وهناك تغييرات طفيفة تعتمد على هيكل سيارة الوقود. لذلك، استخدمت السيارات الكهربائية المبكرة دورة التبريد بضغط البخار بالإضافة إلى تسخين PTC لتحقيق الإدارة الحرارية لمقصورة الركاب، كما هو موضح في الشكل 2. على عكس مركبات البنزين، التي تعمل بالوقود، يتم تشغيل السيارات الكهربائية بواسطة بطاريات الطاقة. عندما تعمل السيارة الكهربائية بشكل طبيعي، تقوم بطارية الطاقة بتفريغ الحرارة وترتفع درجة الحرارة، الأمر الذي يتطلب تبريد البطارية. تشمل طرق تبريد البطارية بشكل أساسي تبريد الهواء، التبريد السائل ، تبريد المواد المتغيرة الطور، و تبريد الأنابيب الحرارية . نظرًا لهيكله البسيط والتكلفة المنخفضة وسهولة الصيانة، فقد تم استخدام تبريد الهواء على نطاق واسع في السيارات الكهربائية المبكرة. الشكل الرئيسي للإدارة الحرارية في هذه المرحلة هو أن كل نظام فرعي مستقل يلبي متطلبات الإدارة الحرارية على التوالي.

في الاستخدام الفعلي، يكون الطلب على استهلاك طاقة التدفئة للسيارات الكهربائية في الشتاء مرتفعًا نسبيًا. من وجهة نظر الديناميكية الحرارية، يكون COP لتسخين PTC دائمًا أقل من 1، مما يجعل استهلاك الطاقة لتسخين PTC مرتفعًا ومعدل استخدام الطاقة منخفضًا، مما يحد بشكل خطير من عدد الكيلومترات التي تقطعها المركبات الكهربائية. تستخدم تقنية المضخة الحرارية دورة ضغط البخار للاستفادة من الحرارة المنخفضة في البيئة، ويكون COP النظري للتدفئة أكبر من 1. ولذلك، فإن استخدام نظام المضخة الحرارية بدلاً من PTC يمكن أن يزيد من نطاق إبحار المركبات الكهربائية في ظل ظروف التدفئة.

مع زيادة تحسين قدرة وقوة بطارية الطاقة، فإن الحمل الحراري أثناء تشغيل بطارية الطاقة يتزايد أيضًا تدريجيًا. لا يمكن لهيكل تبريد الهواء التقليدي تلبية متطلبات التحكم في درجة الحرارة لبطاريات الطاقة. ولذلك، أصبح التبريد السائل الطريقة الرئيسية للتحكم في درجة حرارة البطارية. علاوة على ذلك، نظرًا لأن درجة الحرارة المريحة التي يحتاجها جسم الإنسان تشبه درجة الحرارة التي تعمل بها بطارية الطاقة بشكل طبيعي، فيمكن تلبية متطلبات التبريد لمقصورة الركاب وبطارية الطاقة عن طريق توصيل المبادلات الحرارية بالتوازي في نظام المضخة الحرارية لمقصورة الركاب. يتم أخذ الحرارة من بطارية الطاقة بشكل غير مباشر من خلال المبادل الحراري والتبريد الثانوي. درجة التكامل تم تحسين نظام الإدارة الحرارية للسيارة الكهربائية. على الرغم من زيادة درجة التكامل، إلا أن نظام الإدارة الحرارية في هذه المرحلة يدمج فقط تبريد البطارية وتبريد مقصورة الركاب. لم يتم استخدام الحرارة المهدرة من البطاريات والمحركات بشكل فعال.

تتميز مكيفات الهواء التقليدية ذات المضخات الحرارية بكفاءة تسخين منخفضة وقدرة تسخين غير كافية في البيئة الباردة، مما يحد من سيناريوهات تطبيق السيارات الكهربائية. لذلك، تم تطوير وتطبيق سلسلة من الطرق لتحسين أداء مكيفات الهواء ذات المضخات الحرارية في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة. من خلال زيادة دائرة التبادل الحراري الثانوية بشكل عقلاني، أثناء تبريد بطارية الطاقة ونظام المحرك، تتم إعادة تدوير الحرارة المتبقية لتحسين قدرة التدفئة للسيارات الكهربائية في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة. تظهر النتائج التجريبية أن قدرة التسخين لمكيف الهواء بالمضخة الحرارية لاسترداد الحرارة المهدرة قد تحسنت بشكل ملحوظ مقارنة بمكيف الهواء التقليدي بالمضخة الحرارية.

بالإضافة إلى استعادة واستخدام الحرارة المهدورة من البطاريات وأنظمة المحركات، يعد استخدام الهواء العائد أيضًا وسيلة لتقليل استهلاك الطاقة لنظام الإدارة الحرارية في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة. تظهر نتائج البحث أنه في بيئة ذات درجة حرارة منخفضة، يمكن لتدابير استخدام الهواء الراجع المعقول أن تقلل من قدرة التدفئة التي تتطلبها المركبات الكهربائية بنسبة 46% إلى 62% مع تجنب تعفير النوافذ والصقيع. يمكنها تقليل استهلاك طاقة التدفئة بنسبة تصل إلى 40%. في هذه المرحلة، تتحسن تدريجيًا القدرة على التكيف البيئي للإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية في ظل الظروف القاسية، وتتطور في اتجاه التكامل والتخضير.

من أجل زيادة تحسين كفاءة الإدارة الحرارية للبطارية في ظل ظروف الطاقة العالية وتقليل تعقيد الإدارة الحرارية، يُقترح حل تقني، وهو عبارة عن طريقة للتحكم في درجة حرارة البطارية للتبريد المباشر والتدفئة المباشرة حيث يتم إرسال المبرد مباشرة إلى حزمة البطارية للتبادل الحراري. يظهر الشكل 3 تكوين الإدارة الحرارية للتبادل الحراري المباشر بين حزمة البطارية وغاز التبريد. يمكن لتقنية التبريد المباشر تحسين كفاءة التبادل الحراري وقدرة التبادل الحراري، والحصول على توزيع أكثر اتساقًا لدرجة الحرارة داخل البطارية، وتقليل الحلقة الثانوية وزيادة استعادة الحرارة المهدرة للنظام. وهذا بدوره يحسن أداء التحكم في درجة حرارة البطارية. ومع ذلك، ونظرًا لتقنية التبادل الحراري المباشر بين البطارية وغاز التبريد، فمن الضروري زيادة التبريد والحرارة من خلال عمل نظام المضخة الحرارية. من ناحية، التحكم في درجة حرارة البطارية محدود ببدء وإيقاف نظام تكييف الهواء بمضخة الحرارة، وله تأثير معين على أداء حلقة التبريد. ومن ناحية أخرى، فإنها تحد أيضًا من استخدام مصادر البرد الطبيعية في المواسم الانتقالية، لذلك لا تزال هذه التكنولوجيا بحاجة إلى مزيد من البحث والتحسين وتقييم التطبيق.

3. اتجاه تطوير الإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية

على الرغم من مقارنته بالمرحلة المبكرة، إلا أن نظام الإدارة الحرارية الحالي للسيارات الكهربائية قد حقق تقدمًا كبيرًا من حيث التكامل وتوفير الطاقة والكفاءة العالية، ولكن لا تزال هناك تحديات كبيرة في استبدال المبردات، وتطوير أنظمة المضخات الحرارية في جميع المناخات ومناطق درجات الحرارة الواسعة، والتحكم الذكي.

يركز البحث وتطبيق المبردات البديلة المحتملة بشكل أساسي على R1234yf وCO2 وR290. يوضح الجدول 4 الخصائص الفيزيائية الرئيسية لغازات التبريد المذكورة أعلاه. يتمتع R1234yf بخصائص ديناميكية حرارية مماثلة لغاز التبريد التقليدي R134a، ومن السهل استبدال غاز التبريد، لكن السعر مرتفع نسبيًا. تتمتع R290 وCO2، باعتبارهما مبردات طبيعية وصديقة للبيئة، بميزة الأسعار المنخفضة نسبيًا. ثاني أكسيد الكربون غير سام، وغير قابل للاشتعال، وله ثبات حراري ممتاز. ولديه درجة حرارة انزلاقية كبيرة عندما يطلق الحرارة في حالة فوق حرجة، لذلك فهو يتمتع بأداء تسخين ممتاز. يتميز نظام المضخة الحرارية R290 بأداء تبريد وتدفئة ممتاز. ومع ذلك، بما أن R290 هو مبرد قابل للاشتعال، فإن حل مخاطر السلامة الناجمة عن قابلية اشتعال R290 هو القضية الأساسية لتحقيق تطبيق نظام المضخة الحرارية R290 في السيارات الكهربائية.

الخصائص الحرارية لغاز التبريد R1234yf وR134a متقاربة جدًا، ويمكن استخدام R1234yf مباشرة لاستبدال نظام الإدارة الحرارية R134a، ولكن سيتم تقليل أداء النظام قليلاً. يتميز R1234yf بقابلية اشتعال ضعيفة، ويمكن تقليل خطر الاحتراق عن طريق إضافة دائرة ثانوية. ولأسباب مثل براءات الاختراع وتكنولوجيا التوليف، أصبح السعر المرتفع لـ R1234yf عائقًا يحد من تعميمه وتطبيقه.

باعتباره مبردًا طبيعيًا غير مكلف وصديقًا للبيئة. في الوقت الحاضر، بدأ تطبيق نظام المضخة الحرارية لثاني أكسيد الكربون في المركبات الحقيقية، ولكن لا تزال هناك مشاكل مثل عدم كفاية قدرة التبريد في الصيف وانخفاض كفاءة التدفئة في الظروف شديدة البرودة. الهدف الرئيسي من العمل في مجال البحث هو زيادة تحسين أداء أنظمة المضخات الحرارية لثاني أكسيد الكربون، وخاصة تحسين أداء التبريد في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة.

R290، كبديل محتمل آخر لغاز التبريد الطبيعي الصديق للبيئة، يتمتع بأداء تبريد وتدفئة ممتاز.

من ناحية أخرى، يمكن للمبردات المختلطة التغلب على القيود المفروضة على الخصائص الفيزيائية للمبردات الطبيعية النقية، وهي أيضًا أحد اتجاهات تطوير أنظمة المضخات الحرارية الجديدة للتبريد في المستقبل.

أصبح نظام الإدارة الحرارية الفعال والذكي للسيارات الكهربائية والراحة الحرارية لمقصورة الركاب الضمانات الرئيسية لتحسين جودة السفر. وفقًا لظروف القيادة المختلفة للمركبة نفسها، فإن الحمل الحراري لكل نظام في السيارة الكهربائية سوف يتقلب ديناميكيًا. علاوة على ذلك، تستمر درجة اقتران النظام الحراري للسيارات الكهربائية في التعمق، مما يفرض متطلبات أعلى للتحكم في نظام الإدارة الحرارية. لذلك، ستكون طريقة التحكم الذكية والمتكاملة والدقيقة هي طريقة التحكم لتقليل استهلاك طاقة السيارة وتحسين الراحة.

تتمثل طريقة التحكم التقليدية لنظام المضخة الحرارية في التحكم في كل كائن مستقل للإدارة الحرارية ومشغل الإدارة الحرارية من خلال التحكم في التبديل والتحكم PID وطرق أخرى. وفقًا للانحراف بين القيمة المحددة والقيمة الفعلية، يتم الحفاظ على كل معلمة تحكم ضمن النطاق المحدد عن طريق ضبط المعلمات مثل سرعة الضغط، وفتح صمام التمدد، وطاقة السخان الكهربائي، وطاقة مضخة التدوير، وحجم هواء المروحة الإلكترونية. ومع ذلك، مع تعميق تكامل الإدارة الحرارية، يصبح التحكم PID عرضة لمشاكل مثل التجاوز أو التذبذب في عملية التحكم الديناميكية المعقدة. بينما يؤدي ذلك إلى زيادة استهلاك الطاقة، يتم تقليل راحة القيادة. إن طريقة التحكم في نظام المضخة الحرارية المعقدة المتعددة الفروع هي محور البحث الحالي لتكنولوجيا التحكم في نظام الإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية.

من أجل ضمان الراحة الحرارية للسائق، من الضروري التحكم في درجة الحرارة والرطوبة في مقصورة الركاب ضمن نطاق تقلب معقول. للتحكم في البيئة الحارة والرطبة في السيارة، تتمثل طريقة التحكم التقليدية في التحكم في درجة الحرارة والرطوبة داخل السيارة عن طريق ضبط حجم إمداد الهواء ودرجة الحرارة على أساس مكافحة تعفير الزجاج الأمامي وضمان التشغيل الآمن للسيارة. يتم التحكم في البيئة.

فيما يتعلق بالإدارة الحرارية للمركبة، فإن الإدارة الحرارية لمقصورة الركاب لا تشمل الطريقة التقليدية لتكييف الهواء فحسب، بل تتضمن أيضًا طرقًا جديدة مثل تدفئة المقاعد، والتي تم بحثها والترويج لها أيضًا. بالإضافة إلى طريقة الضبط النشطة للإدارة الحرارية، يمكن لتصميم هيكل عزل الجسم المعقول واختيار المواد أيضًا تقليل تقلب البيئة الداخلية وتحسين الراحة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، من المحتمل أن تسبب بيئة القيادة المريحة لفترة طويلة إرهاقًا للسائق وتؤثر على سلامة القيادة. ويجري أيضًا إجراء أبحاث ذات صلة حول نظام التحكم الذكي الذي يعمل على تحسين التركيز العقلي للسائق من خلال النفخ أو وسائل التحفيز الأخرى.

4. ملخص وتوقعات

تم تحسين نظام الإدارة الحرارية للمركبة الكهربائية من نظام تكييف الهواء التقليدي لمركبة الوقود، ويتحول تدريجيًا إلى نظام المضخة الحرارية المناسب للسيارات الكهربائية. تختلف عناصر الإدارة الحرارية للسيارات الكهربائية، عن مركبات الوقود، عن أنظمة البطاريات وأنظمة المحركات. من خلال الاقتران ثلاثي الكهرباء، يتم تحسين درجة الاقتران لنظام الإدارة الحرارية للسيارة الكهربائية ودرجة تكامل المكونات بشكل مستمر.

من أجل تحسين إمكانية تطبيق السيارات الكهربائية في بيئات متعددة وزيادة نطاق إبحار المركبات الكهربائية، من الضروري تطوير أنظمة المضخات الحرارية التي يمكنها التكيف مع نطاقات درجات الحرارة الواسعة والظروف القاسية.

مع تزايد الطلب على جودة السفر، من الضروري زيادة الاهتمام بالإدارة الحرارية للراحة الحرارية لجسم الإنسان، وتنفيذ تكنولوجيا الإدارة الحرارية للسيارات الذكية والموجهة للأشخاص واستراتيجيات التحكم.

في مواجهة متطلبات حماية البيئة الأكثر صرامة، ينبغي لنا أن نركز على البحوث البديلة للمبردات الصديقة للبيئة. ومن خلال تطوير تقنيات مثل استعادة الحرارة المهدرة ومكملات الهواء النفاث، تم الانتهاء من إنشاء نظام إدارة حراري للمركبة صديق للبيئة وموفر للطاقة وفعال.