Rozwój samochodowych systemów HVAC w obliczu trendu elektryfikacji
Pod wpływem elektryfikacji i inteligencji pojazdów pojazdy elektryczne szybko się rozwinęły. W ciągu ostatnich kilku lat sprzedaż pojazdów elektrycznych szybko wzrosła, ale wielu konsumentów nadal niepokoi obawy dotyczące zasięgu i bezpieczeństwa. Problem zasięgu przelotu jest szczególnie widoczny przy niskich temperaturach. Gdy pojazd elektryczny porusza się w niskich temperaturach, jego zdolność poruszania się może zostać zmniejszona o ponad 40% z powodu stosowania nagrzewnicy i klimatyzacji oraz zmniejszonej wydajności akumulatora. Z punktu widzenia bezpieczeństwa szczególnie ważny jest również akumulator i zarządzanie temperaturą urządzeń zasilających w samochodzie. Rozwiązanie tych problemów wymaga zastosowania samochodowego systemu zarządzania ciepłem o wyższej wydajności. Mówiąc najprościej, samochodowy system zarządzania temperaturą obejmuje głównie powiązane części, takie jak HVAC, zarządzanie temperaturą akumulatora, elektroniczne sterowanie silnikiem i zarządzanie ciepłem urządzeń elektrycznych dużej mocy.
Wśród nich HVAC pojazdu (ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja, HVAC) odnosi się do systemu lub powiązanego sprzętu odpowiedzialnego za ogrzewanie, wentylację i klimatyzację w pojeździe. W szczególności HVAC dzieli się głównie na powiązane komponenty, takie jak urządzenia chłodnicze, urządzenia grzewcze i interfejs człowiek-maszyna (HMI).
Następnie przyjrzymy się odpowiednio urządzeniu chłodniczemu, urządzeniu grzewczemu i HMI w HVAC, skupiając się na rozwiązaniach technicznych i trendach rozwojowych HVAC dla pojazdów elektrycznych.
1. Urządzenie chłodnicze
Urządzenie chłodnicze samochodowego systemu HVAC jest podobne do naszego zwykłego klimatyzatora, który wykorzystuje cykl stanów sprężania, kondensacji, rozszerzania i parowania czynnika chłodniczego w celu uzyskania kontroli temperatury. Przenikanie ciepła następuje przede wszystkim poprzez zmiany stanu czynnika chłodniczego. Głównymi elementami agregatu chłodniczego odpowiedzialnymi za powyższe funkcje są sprężarka, skraplacz, zawór rozprężny, zbiornik/osuszacz i parownik.
Jak pokazano na rysunku, ciekły czynnik chłodniczy pochłania ciepło z kabiny pasażerskiej i odparowuje do stanu gazowego w parowniku. Para jest następnie wyciągana z parownika za pomocą sprężarki, która spręża parę w celu zwiększenia jej ciśnienia. Wysokociśnieniowa para o wysokiej temperaturze wytwarzana przez sprężarkę jest następnie schładzana powietrzem zewnętrznym w skraplaczu i skraplana do postaci cieczy pod wysokim ciśnieniem. Ciecz rozpręża się i rozpręża w zaworze rozprężnym przed wejściem do parownika. Powyższy proces stanowi cykl ciągły. Proces parowania pochłania ciepło z otaczającego powietrza, aby uzyskać efekt chłodzenia, a zimne powietrze jest wdmuchiwane do kabiny pasażerskiej przez wentylator.
2. Urządzenie grzewcze
W przypadku pojazdów z silnikiem spalinowym łatwiej jest ogrzać pojazd niż go schłodzić. Sprawność konwersji silnika spalinowego jest niska (około 30%), a podczas pracy generuje on więcej ciepła. Ciepło to przepływa do rdzenia nagrzewnicy przez płyn chłodzący, a następnie dzięki prostemu sterowaniu gorące powietrze może być wdmuchiwane do kabiny przez wentylator. , utrzymując stałą temperaturę w kabinie. Proces jest bardzo ekonomiczny i prosty i można go prowadzić tak długo, jak długo pracuje silnik spalinowy. Nie wymaga dodatkowego paliwa i nie zwiększa zużycia paliwa. Jednak w przypadku pojazdów elektrycznych ogrzewanie jest stosunkowo skomplikowaną operacją. Obecnie bardziej popularnymi rozwiązaniami grzewczymi są PTC i pompy ciepła.
PTC (dodatni współczynnik temperaturowy, rezystor o dodatnim współczynniku temperaturowym) to typowy rezystor półprzewodnikowy o dodatniej wrażliwości temperaturowej. Po włączeniu będzie wytwarzać ciepło, które można wykorzystać do ogrzewania klimatyzacji. Kiedy PTC jest włączany po raz pierwszy, jego rezystancja będzie wykazywała tendencję powoli malejącą wraz ze wzrostem temperatury, co oznacza, że jego wartość opałowa w temperaturze pokojowej jest niska; gdy temperatura przekroczy temperaturę Curie, jego wartość rezystancji będzie się zmniejszać wraz z temperaturą. Wzrost jest wzrostem stopniowym, a rzeczywista wydajność jest taka, że automatycznie przestaje działać. Jako element PTC do ogrzewania, jego automatyczna funkcja utrzymywania stałej temperatury może wyeliminować potrzebę stosowania złożonego obwodu kontroli temperatury. W pojazdach elektrycznych PTC jest zasilany bezpośrednio z pakietu akumulatorów wysokiego napięcia, a następnie jego stan nagrzewania jest kontrolowany za pomocą prostego przełącznika PWM, aby uzyskać bardzo prosty i niezawodny system ogrzewania.
Chociaż PTC charakteryzuje się prostą konstrukcją, trwałymi materiałami i dobrym efektem grzewczym, struktura systemu polegająca na bezpośrednim zasilaniu z zestawu akumulatorów wysokiego napięcia powoduje, że proces nagrzewania wpływa na zasięg pojazdów elektrycznych. Badania pokazują, że zastosowanie PTC skróci żywotność akumulatorów pojazdów elektrycznych o około 24%.
Innym rozwiązaniem jest pompa ciepła. Jako rodzaj elementu rezystancyjnego, granica COP (współczynnika wydajności, efektywności grzewczej) PTC wynosi 100%, co oznacza, że energię elektryczną można przekształcić maksymalnie w tę samą ilość energii cieplnej, podczas gdy pompa ciepła może być tak wysoki aż 300%. Zasada działania pompy ciepła jest podobna do zasady działania klimatyzatora domowego. Czynnik chłodniczy przepływa dwukierunkowo w parowniku i skraplaczu klimatyzatora przez zawór czterodrogowy, przenosząc energię cieplną ze źródła ciepła o niskim poziomie do źródła ciepła o wysokim poziomie, uzyskując w ten sposób efekt ogrzewania lub chłodzenia. To „przenoszenie ciepła” W porównaniu z trybem PTC, proces niegenerujący ciepła może znacznie zaoszczędzić energię elektryczną, skutecznie zwiększając w ten sposób zasięg pojazdów elektrycznych i stając się ważnym trendem w zastosowaniu HVAC w pojazdach elektrycznych.
3. Interfejs użytkownika
Jeśli silnik wprawia samochód w ruch, zapewnia mu życie i jest bagażnikiem samochodu, wówczas interfejs HMI zapewnia samochodowi mądrość i przemyślenia oraz jest duszą samochodu. Dlatego rozwiązania systemu HMI zawsze były cenione przez producentów OEM z branży motoryzacyjnej. Producenci OEM muszą zapewnić kierowcom i pasażerom bezpieczną, elastyczną i wygodną nawigację oraz rozrywkę. Jednocześnie jest to również istotny czynnik kształtujący zróżnicowanie produktów. W ostatnich latach, wraz z elektryfikacją samochodów i dążeniem głównych producentów nowych samochodów elektrycznych, HMI stopniowo rozwijało się w kierunku centralizacji, ekranizacji i inteligencji, podobnie jak rozwój smartfonów. Wiele razy HVAC nie ma już całkowicie niezależnego interfejsu HMI, ale jest współdzielony z innymi funkcjami.
