ビュー: 32 著者: サイト編集者 公開時間: 2023-03-27 起源: サイト
純粋な電気自動車は、総合的なエネルギー効率が高く、環境汚染が比較的少ないです。純粋な電気自動車関連技術の継続的な開発により、業界の規模は徐々に拡大しています。パワーバッテリーのエネルギー密度と材料特性によって制約を受けるため、純粋な電気自動車の航続距離は、その開発を制限する重要な問題となっています。の需要とエネルギー消費 車両の熱管理 システムは、業界で徐々に注目を集めています。運転のモビリティにより、自動車が直面する環境および気候条件は複雑かつ変化しやすくなります。従来の燃料自動車のエンジン熱システムを持たない純粋な電気自動車の場合、自動車の熱システムは、バッテリー/モーター/電子温度制御、熱交換器の霜取り、窓ガラスの曇り除去などの要件を満たす必要があります。熱管理技術は自動車運転の安全性と快適性を保証する重要な技術であり、電気自動車開発の中核となるキーテクノロジーとなっています。
車室内は、自動車の運転プロセス中にドライバーがいる環境空間です。ドライバーにとって快適な運転環境を確保するために、車室内の温度管理では、車室内環境の温度、湿度、給気温度を制御する必要があります。さまざまな条件下での客室の熱管理要件を表 1 に示します。
パワーバッテリーの温度制御は、電気自動車の効率的かつ安全な動作を確保するための重要な前提条件です。温度が高すぎると、液漏れや自然発火などの現象が発生し、運転の安全に影響を及ぼします。温度が低すぎると、バッテリーの充放電能力がある程度低下します。リチウム電池は、エネルギー密度が高く軽量であるため、電気自動車の動力電池として最も広く使用されています。リチウム電池の温度制御要件と、文献に従って推定されたさまざまな条件下での電池熱負荷を表2に示します。動力電池のエネルギー密度が徐々に増加し、使用環境の温度範囲が拡大し、急速充電速度が増加するにつれて、熱管理システムにおける動力電池の温度制御の重要性もより顕著になってきています。これには、さまざまな道路状況、さまざまな充放電モード、その他の車両運転条件下での温度制御負荷の変化、バッテリーパック間の温度場の均一性、熱暴走の防止と制御を満たす必要があるだけでなく、高温多湿地域などのさまざまな環境での温度制御要件を満たす必要もあります。
モーターと電子制御は、電気自動車の重要なエネルギー出力リンクです。モーターの作動過程では、コイル抵抗発熱や機械的摩擦熱の発生などにより多量の熱が発生します。温度が高すぎると、モーターの内部短絡や磁石の不可逆減磁などの問題が発生します。現在の電気自動車市場におけるさまざまなモデルのモーター構成に応じて、乗用車のモーターと電気の温度制御要件、およびモーター効率とモーター出力を考慮したモーター加熱出力を表 3 に示します。電気自動車の普及とアプリケーションシナリオの増加に伴い、車両出力の需要は増加し続けています。電気自動車のモーターにはより高い出力、トルク、速度が必要であり、これは発熱量も増加することを意味します。その結果、電気モーターシステムの熱管理要件が徐々に増加しています。
車両の熱管理は、電気自動車開発の中核技術の 1 つであり、車室内の温湿度環境制御、電力システムの温度制御、ガラスの防曇・曇り止めなど、多目的な管理が含まれます。熱管理システムのアーキテクチャと統合度に応じて、電気自動車の熱管理の発展は、図1に示すように3つの段階にまとめられます。電気加熱による単一冷却から、電気補助加熱によるヒートポンプへ、そして広い温度帯のヒートポンプと車両の熱管理の段階的な結合へと、電気自動車の熱管理技術は、高度に統合されたインテリジェントな方向に向かって徐々に発展しています。そして、幅広い温度範囲や極限条件における環境適応性が徐々に向上していきます。
電気自動車の産業化の初期段階では、基本的にバッテリーやモーターなどの電力システムの置き換えをコア技術として開発されます。キャビンの空調、窓の曇り止め、パワーコンポーネントの温度制御などの補助システムは、従来の燃料自動車の熱管理技術に基づいて徐々に改善されています。純粋な電気自動車用エアコンも燃料車用エアコンも、蒸気圧縮サイクルによって冷却機能を実現しています。両者の違いは、燃料自動車のエアコン コンプレッサーはベルトを介してエンジンによって間接的に駆動されるのに対し、純粋な電気自動車は電気駆動コンプレッサーを直接使用して冷凍サイクルを駆動することです。冬に燃料自動車を暖房する場合、追加の熱源を必要とせずに、エンジンの廃熱を直接利用して客室を暖房します。しかし、純粋な電気自動車のモーターの廃熱では冬の暖房のニーズを満たすことができません。したがって、冬の暖房は純粋な電気自動車が解決する必要がある問題です。 。正温度係数ヒーター（PTC）は、PTC セラミック発熱体とアルミニウムチューブで構成されており、熱抵抗が小さく、熱伝達効率が高いという利点があります。そして燃料車の車体をベースにマイナーチェンジが行われています。したがって、図 2 に示すように、初期の電気自動車は蒸気圧縮冷凍サイクル冷却と PTC 加熱を使用して客室の熱管理を実現していました。燃料を動力とするガソリン車とは異なり、電気自動車は動力バッテリーによって動力を供給します。電気自動車が通常に走行している場合、動力用バッテリーは熱を放出して温度が上昇するため、バッテリーを冷却する必要があります。バッテリーの冷却方式には主に空冷、 液体冷却、相変化材料冷却、および ヒートパイプ冷却。空冷は構造がシンプルで低コスト、メンテナンスが容易なため、初期の電気自動車に広く使用されました。この段階での熱管理の主な形式は、各独立したサブシステムがそれぞれ熱管理の要件を満たすことです。
実際の使用では、冬場の電気自動車の暖房エネルギー消費需要は比較的高くなります。熱力学的観点から見ると、PTC 加熱の COP は常に 1 未満であるため、PTC 加熱の消費電力が高く、エネルギー利用率が低くなり、電気自動車の走行距離が大幅に制限されます。ヒートポンプ技術は蒸気圧縮サイクルを利用して環境中の低品位熱を利用し、暖房時の理論上のCOPは1を超えます。したがって、PTCの代わりにヒートポンプシステムを使用すると、暖房条件下での電気自動車の航続距離を延ばすことができます。
動力電池の容量と出力のさらなる向上に伴い、動力電池の動作中の熱負荷も徐々に増加しています。従来の空冷構造では、パワーバッテリーの温度制御要件を満たすことができません。したがって、液冷がバッテリー温度制御の主な方法となっています。さらに、人体が要求する快適な温度はパワーバッテリーが正常に動作する温度と似ているため、車室内ヒートポンプシステムの熱交換器を並列に接続することで、車室内とパワーバッテリーの冷却要件を満たすことができます。パワーバッテリーからの熱は、熱交換器と二次冷却を通じて間接的に奪われます。の統合度 熱管理システムが改善されました。 電気自動車の統合度は高まっていますが、現段階の熱管理システムはバッテリー冷却と客室冷却を単純に統合しているだけです。バッテリーやモーターの廃熱が有効活用されていません。
従来のヒートポンプエアコンは暖房効率が低く、寒冷環境では暖房能力が不十分なため、電気自動車の適用シーンが限られていました。したがって、低温条件下でヒートポンプエアコンの性能を向上させる一連の方法が開発され、適用されてきました。二次熱交換回路を合理的に増やすことで、パワーバッテリーとモーターシステムを冷却しながら、残りの熱を再利用して、低温条件下での電気自動車の暖房能力を向上させます。実験結果は、廃熱回収ヒートポンプエアコンの暖房能力が従来のヒートポンプエアコンと比較して大幅に向上することを示しています。
バッテリーやモーターシステムからの廃熱の回収と利用に加えて、戻り空気の利用は、低温条件下での熱管理システムのエネルギー消費を削減する方法でもあります。研究結果は、低温環境において、合理的な還気利用対策により、電気自動車に必要な暖房能力を 46% ～ 62% 削減できると同時に、窓の曇りや霜付きを回避できることを示しています。暖房エネルギー消費量を最大40%削減できます。現段階では、極限条件下での電気自動車の熱管理の環境適応性は徐々に向上しており、統合とグリーン化の方向に発展しています。
高出力条件下でのバッテリーの熱管理効率をさらに向上させ、熱管理の複雑さを軽減するために、熱交換のために冷媒をバッテリーパックに直接送って直接冷却および直接加熱するバッテリー温度制御方法である技術的解決策が提案されています。バッテリーパックと冷媒間の直接熱交換の熱管理構成を図 3 に示します。直接冷却技術により、熱交換効率と熱交換容量が向上し、バッテリー内部の温度分布がより均一になり、二次ループが削減され、システムの廃熱回収が増加します。これにより、バッテリーの温度制御性能が向上します。ただし、バッテリーと冷媒間の直接熱交換技術により、ヒートポンプシステムの働きによって冷却と加熱を高める必要があります。一方で、バッテリーの温度制御はヒートポンプ空調システムの開始と停止によって制限され、冷媒ループの性能に一定の影響を与えます。一方で、季節の変わり目における自然冷熱源の利用も制限されるため、この技術にはさらなる研究、改良、応用評価がまだ必要です。
初期段階と比較すると、現在の電気自動車の熱管理システムは、統合、省エネ、高効率の点で大きな進歩を遂げていますが、冷媒の代替、あらゆる気候および広い温度帯でのヒートポンプシステムの開発、インテリジェント制御などの面で依然として大きな課題が残されています。
潜在的な代替冷媒の研究と応用は、主に R1234yf、CO2、および R290 に焦点を当てています。上記冷媒の主な物性を表4に示します。 R1234yfは従来の冷媒R134aと熱力学特性が類似しており、冷媒の置き換えが容易ですが、価格が比較的高価です。 R290 と CO2 は、自然で環境に優しい冷媒であり、比較的安価であるという利点があります。 CO2 は無毒、不燃性であり、熱安定性に優れています。また、超臨界状態で熱を放出する際の温度グライドが大きいため、加熱性能に優れています。 R290ヒートポンプシステムは優れた冷暖房性能を発揮します。しかし、R290は可燃性冷媒であるため、電気自動車へのR290ヒートポンプシステムの適用を実現するには、R290の可燃性によって引き起こされる安全上の問題を解決することが重要な課題となります。
R1234yf と R134a 冷媒の熱特性は非常に近いため、R1234yf を R134a 熱管理システムの代替として直接使用できますが、システムのパフォーマンスはわずかに低下します。 R1234yfは可燃性が弱く、二次回路を追加することで発火の危険性を軽減できます。 R1234yfは、特許や合成技術などの理由により、その価格の高さが普及と応用を制限する障害となっています。
安価で環境に優しい自然冷媒として。現在、CO2ヒートポンプシステムは実車への適用が始まっていますが、夏場の冷房能力不足や極寒時の暖房効率の低下などの課題がまだあります。研究分野での研究の主な目標は、CO2 ヒートポンプ システムの性能をさらに向上させること、特に高温環境における冷却性能を向上させることです。
R290 は、環境に優しい自然冷媒のもう 1 つの代替候補として、優れた冷暖房性能を備えています。
一方、混合冷媒は純粋な自然冷媒の物性の限界を克服することができ、将来の新しい冷媒ヒートポンプシステムの開発方向の一つでもあります。
電気自動車の効率的かつインテリジェントな熱管理システムと客室の温熱快適性は、旅行の質を向上させるための重要な保証となっています。車両自体のさまざまな運転条件に応じて、電気自動車の各システムの熱負荷は動的に変動します。さらに、電気自動車の熱システムの結合度はますます深まり、熱管理システムの制御に対する要件がさらに高まっています。したがって、車両のエネルギー消費を削減し、快適性を向上させるための制御方法は、インテリジェントで統合されたきめ細かい制御方法となります。
ヒートポンプシステムの従来の制御方法は、スイッチ制御やPID制御などの方法により、それぞれ独立した熱管理対象と熱管理アクチュエータを制御することでした。設定値と実際の値との偏差に応じて、圧縮速度、膨張弁開度、電気ヒータ電力、循環ポンプ電力、電子ファン風量などの各制御パラメータを調整することで、設定範囲内に維持します。しかし、熱管理の統合が深まるにつれ、PID 制御は複雑な動的制御プロセスにおいてオーバーシュートや発振などの問題を起こしやすくなります。エネルギー消費量が増加すると同時に、運転の快適性も低下します。多分岐結合複合ヒートポンプシステムの制御方法は、電気自動車の熱管理システムの制御技術の現在の研究の焦点である。
ドライバーの温熱快適性を確保するには、車室内の温度と湿度を適度な変動範囲内に制御する必要があります。車内の高温多湿環境の制御において、従来の制御方法は、フロントガラスの曇り止めや車両の安全な運行の確保を前提に、給気量や温度を調整することで車内の温湿度を制御するものでした。環境はコントロールされています。
車両の熱管理に関しては、車室内の熱管理には従来の空調方式だけでなく、シートヒーターなどの新しい方式も研究・推進されています。熱管理の積極的な調整方法に加えて、合理的な車体断熱構造の設計と材料の選択により、内部環境の不安定性を軽減し、熱的快適性を向上させることもできます。また、長時間快適な運転環境はドライバーの疲労を招き、運転の安全性に影響を与える可能性があります。送風やその他の刺激手段によってドライバーの精神集中力を向上させるインテリジェント制御システムに関する研究も進行中です。
電気自動車の熱管理システムは、従来の燃料自動車の空調システムから改良され、電気自動車に適したヒートポンプシステムに段階的に移行しています。燃料自動車とは異なり、電気自動車の熱管理対象にはバッテリー システムやモーター システムも含まれます。 3つの電気結合を通じて、電気自動車の熱管理システムの結合度およびコンポーネントの統合度が継続的に向上します。
複数の環境における電気自動車の適用性を高め、電気自動車の航続距離をさらに延ばすためには、幅広い温度範囲と極端な条件に適応できるヒートポンプシステムを開発する必要があります。
旅行の質に対する要求が高まるにつれ、人体の温熱快適性に対する熱管理の関心を高め、人間中心のインテリジェントな自動車の熱管理技術と制御戦略を導入する必要があります。
より厳しい環境保護要件に直面して、私たちは環境に優しい冷媒の代替研究に焦点を当てる必要があります。そして、廃熱回収やジェット空気補充などの技術の開発を通じて、グリーンで省エネかつ効率的な車両の熱管理システムの構築が完了します。
