Чистые электромобили обладают высокой комплексной энергоэффективностью и относительно небольшим загрязнением окружающей среды. Благодаря постоянному развитию технологий, связанных с электромобилями, масштабы отрасли постепенно расширяются. Ограниченный плотностью энергии и свойствами материалов силовых батарей, запас хода чисто электрических транспортных средств стал ключевой проблемой, ограничивающей их развитие. Спрос и энергопотребление Система управления температурным режимом автомобиля постепенно привлекла широкое внимание в отрасли. Мобильность вождения делает экологические и климатические условия, в которых эксплуатируются автомобили, сложными и изменчивыми. Для чисто электрических транспортных средств, без тепловой системы двигателя, как у автомобилей с традиционным топливом, автомобильная тепловая система должна отвечать требованиям контроля температуры аккумулятора/двигателя/электронного контроля, размораживания теплообменника, удаления запотевания оконного стекла и других потребностей. Технология управления температурным режимом является важной гарантией безопасности и комфорта вождения автомобиля и стала ключевой технологией для разработки электромобилей.
1. Требования к терморегулированию электромобилей
Салон автомобиля – это экологическое пространство, в котором находится водитель в процессе управления автомобилем. Чтобы обеспечить водителю комфортные условия вождения, система терморегуляции салона должна контролировать температуру, влажность и температуру подаваемого воздуха в салоне. Требования к температурному режиму салона в различных условиях приведены в таблице 1.
Контроль температуры силовой батареи является важной предпосылкой для обеспечения эффективной и безопасной эксплуатации электромобилей. Слишком высокая температура может привести к утечке жидкости, самовозгоранию и другим явлениям, которые повлияют на безопасность вождения. Когда температура слишком низкая, заряд и разрядная емкость аккумулятора будут в определенной степени снижены. Благодаря высокой плотности энергии и небольшому весу литиевые батареи стали наиболее широко используемыми аккумуляторами для электромобилей. Требования к контролю температуры литиевых батарей и тепловая нагрузка батареи в различных условиях, оцененная в соответствии с литературными данными, показаны в таблице 2. С постепенным увеличением плотности энергии силовых батарей, расширением температурного диапазона рабочей среды и увеличением скорости быстрой зарядки важность контроля температуры силовых батарей в системе терморегулирования также стала более заметной. Это не только должно соответствовать изменениям нагрузки контроля температуры в различных дорожных условиях, различных режимах зарядки и разрядки и других условиях эксплуатации транспортного средства, однородности температурного поля между аккумуляторными блоками, а также предотвращению и контролю теплового выхода из-под контроля, но также должно соответствовать требованиям контроля температуры в различных средах, в районах с высокой температурой и высокой влажностью и т. д.
Двигатель и электронное управление являются ключевыми звеньями выдачи энергии электромобилей. Во время рабочего процесса двигателя будет выделяться большое количество тепла из-за нагрева резистивной обмотки, выделения тепла при механическом трении и других причин. Чрезмерная температура вызывает такие проблемы, как внутреннее короткое замыкание двигателя и необратимое размагничивание магнита. В соответствии с конфигурацией двигателя различных моделей, представленных на современном рынке электромобилей, требования к контролю температуры двигателя и электрооборудования легковых автомобилей, а также мощность нагрева двигателя с учетом КПД двигателя и мощности двигателя показаны в таблице 3. С ростом популярности электромобилей и увеличением сценариев применения спрос на мощность транспортных средств продолжает расти. Двигатели электромобилей требуют более высокой мощности, крутящего момента и скорости, что также означает более высокое выделение тепла. В результате требования к терморегулированию систем электродвигателей постепенно возрастают.
2. История развития технологии терморегулирования электромобилей
Управление температурным режимом транспортного средства является одной из основных технологий разработки электромобилей, включающей многоцелевое управление, такое как контроль температуры и влажности в пассажирском салоне, контроль температуры энергосистемы, а также защита от запотевания и запотевания стекол. В соответствии с архитектурой системы управления температурным режимом и степенью интеграции развитие системы управления температурой электромобиля разделено на три этапа, как показано на рисунке 1. От одиночного охлаждения с электрическим нагревом до теплового насоса с вспомогательным электрическим нагревом, а затем к постепенному объединению теплового насоса с широкой температурной зоной и управления температурой автомобиля, технология управления температурой электромобилей постепенно развивается в сторону высокоинтегрированного и интеллектуального направления. А адаптация к окружающей среде в широком диапазоне температур и экстремальных условиях постепенно улучшается.
На начальном этапе индустриализации электромобилей они в основном разрабатываются с заменой энергетических систем, таких как батареи и двигатели, в качестве основной технологии. Вспомогательные системы, такие как кондиционирование салона, защита от запотевания стекол и контроль температуры силовых компонентов, постепенно совершенствуются на основе традиционных технологий управления температурой транспортных средств, работающих на топливе. Как кондиционеры для электромобилей, так и кондиционеры для автомобилей, работающих на топливе, реализуют функцию охлаждения посредством цикла сжатия пара. Разница между ними заключается в том, что компрессор кондиционера автомобиля, работающего на топливе, косвенно приводится в движение двигателем через ремень, в то время как чистый электромобиль напрямую использует компрессор с электроприводом для управления циклом охлаждения. При обогреве транспортных средств, работающих на топливе, в зимнее время отходящее тепло двигателя напрямую используется для обогрева салона без дополнительного источника тепла. Однако отходящее тепло двигателей чисто электрических транспортных средств не может удовлетворить потребности в зимнем отоплении. Таким образом, зимнее отопление — это проблема, которую должны решить чистые электромобили. . Нагреватель с положительным температурным коэффициентом (положительный температурный коэффициент, PTC) состоит из керамического нагревательного элемента PTC и алюминиевой трубки, которая обладает преимуществами небольшого термического сопротивления и высокой эффективности теплопередачи. И есть небольшие изменения, связанные с кузовом топливной машины. Поэтому в ранних электромобилях использовалось охлаждение с помощью парокомпрессионного цикла плюс нагрев PTC для достижения терморегулирования пассажирского салона, как показано на рисунке 2. В отличие от бензиновых автомобилей, которые работают на топливе, электромобили питаются от аккумуляторных батарей. Когда электромобиль работает нормально, аккумуляторная батарея выделяет тепло и температура повышается, что требует охлаждения аккумулятора. Методы охлаждения аккумулятора в основном включают воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение , охлаждение материала с фазовым переходом и охлаждение тепловой трубкой . Благодаря простой конструкции, низкой стоимости и простоте обслуживания воздушное охлаждение широко использовалось в первых электромобилях. Основная форма термоменеджмента на этом этапе заключается в том, что каждая независимая подсистема соответствует требованиям термоменеджмента соответственно.
При фактическом использовании потребность электромобилей в потреблении тепловой энергии в зимний период относительно высока. С термодинамической точки зрения КПД PTC-нагрева всегда меньше 1, что приводит к высокому энергопотреблению PTC-нагрева и низкому коэффициенту использования энергии, что серьезно ограничивает пробег электромобилей. Технология теплового насоса использует цикл сжатия пара для использования низкопотенциального тепла из окружающей среды, а теоретический коэффициент COP для отопления превышает 1. Таким образом, использование системы теплового насоса вместо PTC может увеличить запас хода электромобилей в условиях нагрева.
С дальнейшим улучшением емкости и мощности силовой батареи постепенно увеличивается и тепловая нагрузка при работе силовой батареи. Традиционная конструкция воздушного охлаждения не может удовлетворить требования по контролю температуры силовых батарей. Поэтому жидкостное охлаждение стало основным методом контроля температуры аккумулятора. Более того, поскольку комфортная температура, необходимая человеческому телу, аналогична температуре, при которой аккумуляторная батарея работает нормально, требования к охлаждению салона и аккумуляторной батареи могут быть удовлетворены путем параллельного подключения теплообменников в системе теплового насоса салона. Тепло от силовой батареи отводится косвенно через теплообменник и вторичное охлаждение. Степень интеграции усовершенствована система терморегулирования электромобиля. Хотя степень интеграции возросла, система терморегулирования на данном этапе лишь просто объединяет охлаждение аккумулятора и охлаждение салона. Отходящее тепло аккумуляторов и двигателей не используется эффективно.
Традиционные кондиционеры с тепловым насосом имеют низкую эффективность обогрева и недостаточную теплопроизводительность в холодной среде, что ограничивает сценарии применения электромобилей. Поэтому был разработан и применен ряд методов повышения производительности кондиционеров с тепловым насосом в условиях низких температур. За счет рационального увеличения вторичного контура теплообмена, при охлаждении силовой батареи и моторной системы оставшееся тепло перерабатывается для улучшения теплопроизводительности электромобилей в условиях низких температур. Результаты экспериментов показывают, что теплопроизводительность кондиционера с тепловым насосом с рекуперацией отработанного тепла значительно улучшена по сравнению с традиционным кондиционером с тепловым насосом.
Помимо рекуперации и утилизации отработанного тепла аккумуляторов и систем двигателей, утилизация возвратного воздуха также является способом снижения энергопотребления системы терморегулирования в условиях низких температур. Результаты исследования показывают, что в условиях низкой температуры разумные меры по использованию возвратного воздуха могут снизить мощность обогрева, необходимую для электромобилей, на 46–62 %, избегая при этом запотевания и обледенения окон. Это может снизить потребление тепловой энергии до 40%. На данном этапе постепенно улучшается экологическая адаптивность терморегулирования электромобилей в экстремальных условиях и развивается в направлении интеграции и экологизации.
В целях дальнейшего повышения эффективности терморегулирования батареи в условиях высокой мощности и снижения сложности терморегулирования предложено техническое решение, представляющее собой метод регулирования температуры батареи прямого охлаждения и прямого нагрева, при котором хладагент направляется непосредственно в аккумуляторный блок для теплообмена. Конфигурация терморегулирования прямого теплообмена между аккумуляторной батареей и хладагентом показана на рисунке 3. Технология прямого охлаждения может улучшить эффективность теплообмена и емкость теплообмена, получить более равномерное распределение температуры внутри батареи, уменьшить вторичный контур и увеличить рекуперацию отходящего тепла системы. Это, в свою очередь, улучшает эффективность контроля температуры батареи. Однако из-за технологии прямого теплообмена между аккумулятором и хладагентом необходимо увеличивать охлаждение и тепло за счет работы системы теплового насоса. С одной стороны, контроль температуры батареи ограничен запуском и остановкой системы кондиционирования воздуха с тепловым насосом и оказывает определенное влияние на производительность контура хладагента. С другой стороны, это также ограничивает использование естественных источников холода в переходные сезоны, поэтому эта технология все еще нуждается в дальнейших исследованиях, усовершенствованиях и оценке применения.
3. Тенденции развития терморегулирования электромобилей
Хотя по сравнению с ранней стадией нынешняя система терморегулирования электромобилей достигла большого прогресса с точки зрения интеграции, энергосбережения и высокой эффективности, но все еще существуют большие проблемы в замене хладагентов, разработке систем тепловых насосов во всех климатических зонах и широких температурных зонах, а также интеллектуальном управлении.
Исследования и применение потенциальных альтернативных хладагентов в основном сосредоточены на R1234yf, CO2 и R290. Основные физические свойства вышеуказанных хладагентов показаны в Таблице 4. R1234yf имеет термодинамические свойства, аналогичные традиционному хладагенту R134a, и хладагент легко заменить, но цена относительно высока. R290 и CO2, как натуральные и экологически чистые хладагенты, имеют преимущество относительно низкой цены. CO2 нетоксичен, негорюч и обладает превосходной термической стабильностью. И он имеет большой температурный градиент, когда выделяет тепло в сверхкритическом состоянии, поэтому имеет отличные характеристики нагрева. Система теплового насоса R290 обладает превосходными характеристиками охлаждения и обогрева. Однако, поскольку R290 является легковоспламеняющимся хладагентом, устранение угроз безопасности, вызванных воспламеняемостью R290, является ключевым вопросом для реализации применения системы теплового насоса R290 в электромобилях.
Термические свойства хладагентов R1234yf и R134a очень близки, и R1234yf можно напрямую использовать для замены системы терморегулирования R134a, но производительность системы будет немного снижена. R1234yf обладает слабой воспламеняемостью, и риск возгорания можно снизить, добавив вторичный контур. По таким причинам, как патенты и технология синтеза, высокая цена R1234yf стала препятствием, ограничивающим его популяризацию и применение.
Как недорогой, экологически чистый природный хладагент. В настоящее время система теплового насоса CO2 начала применяться в реальных транспортных средствах, но все еще существуют такие проблемы, как недостаточная охлаждающая способность летом и низкая эффективность обогрева в экстремально холодных условиях. Основная цель работы в области исследований — дальнейшее улучшение производительности систем тепловых насосов CO2, особенно улучшение эффективности охлаждения в условиях высоких температур.
R290, как еще одна потенциальная альтернатива экологически чистому природному хладагенту, обладает отличными охлаждающими и нагревательными характеристиками.
С другой стороны, смешанные хладагенты могут преодолеть ограничения физических свойств чистых природных хладагентов, а также это одно из направлений развития новых систем тепловых насосов с хладагентом в будущем.
Эффективная и интеллектуальная система терморегулирования электромобилей и тепловой комфорт пассажирского салона стали ключевыми гарантиями повышения качества путешествий. В зависимости от различных условий вождения самого транспортного средства тепловая нагрузка каждой системы электромобиля будет динамически меняться. Более того, степень связанности тепловой системы электромобилей продолжает углубляться, что выдвигает более высокие требования к управлению системой терморегулирования. Таким образом, интеллектуальный, интегрированный и детальный метод управления будет методом управления, позволяющим снизить потребление энергии транспортным средством и повысить комфорт.
Традиционный метод управления системой теплового насоса заключается в управлении каждым независимым объектом терморегулирования и приводом терморегулирования посредством переключательного управления, ПИД-регулирования и других методов. В соответствии с отклонением между заданным и фактическим значением каждый параметр управления поддерживается в заданном диапазоне путем регулировки таких параметров, как скорость сжатия, открытие расширительного клапана, мощность электронагревателя, мощность циркуляционного насоса и объем воздуха электронного вентилятора. Однако с углублением интеграции терморегулирования ПИД-регулирование подвержено таким проблемам, как перерегулирование или колебания в сложном процессе динамического управления. При увеличении энергопотребления снижается комфорт вождения. Метод управления многоветвевой связанной сложной системой теплового насоса является предметом текущих исследований технологии управления системой терморегулирования электромобиля.
Для обеспечения теплового комфорта водителя необходимо контролировать температуру и влажность салона в разумных пределах колебаний. Для контроля жаркой и влажной среды в автомобиле традиционным методом управления является контроль температуры и влажности внутри автомобиля путем регулирования объема и температуры подаваемого воздуха с учетом предотвращения запотевания лобового стекла и обеспечения безопасной эксплуатации транспортного средства. Окружающая среда контролируется.
Что касается терморегулирования транспортного средства, терморегулирование пассажирского салона включает в себя не только традиционный метод кондиционирования воздуха, но и новые методы, такие как обогрев сидений, которые также исследуются и продвигаются. В дополнение к методу активной регулировки терморегулирования, разумная конструкция изоляционной конструкции кузова и выбор материалов также могут снизить нестабильность внутренней среды и улучшить тепловой комфорт. Кроме того, комфортные условия вождения в течение длительного времени могут вызвать утомление водителя и повлиять на безопасность вождения. Соответствующие исследования по интеллектуальной системе управления, улучшающей умственную концентрацию водителя с помощью дуновения или других стимулирующих средств, также продолжаются.
4. Резюме и перспективы
Система управления температурным режимом электромобиля улучшена по сравнению с традиционной системой кондиционирования воздуха для автомобилей, работающих на топливе, и постепенно переходит на систему теплового насоса, подходящую для электромобилей. В отличие от транспортных средств, работающих на топливе, объекты терморегулирования электромобилей также включают аккумуляторные системы и системы двигателей. Благодаря трехэлектрической муфте степень сопряжения системы терморегулирования электромобиля и степень интеграции компонентов постоянно улучшаются.
Чтобы улучшить применимость электромобилей в различных средах и еще больше увеличить запас хода электромобилей, необходимо разработать системы тепловых насосов, которые могут адаптироваться к широкому диапазону температур и экстремальным условиям.
В условиях растущего спроса на качество путешествий необходимо уделять больше внимания терморегулированию тепловому комфорту человеческого тела, а также внедрять ориентированные на человека и интеллектуальные автомобильные технологии терморегулирования и стратегии управления.
В условиях ужесточения требований по охране окружающей среды нам следует сосредоточиться на альтернативных исследованиях экологически чистых хладагентов. А благодаря разработке таких технологий, как рекуперация отходящего тепла и подача реактивного воздуха, завершено создание экологичной, энергосберегающей и эффективной системы управления температурным режимом автомобиля.
