El funcionamiento de los vehículos eléctricos puros utiliza electricidad como energía y el vehículo es impulsado por un sistema de propulsión eléctrico. El sistema de gestión térmica de los vehículos de nuevas energías es muy diferente al de los vehículos de combustible tradicionales. En los vehículos de nueva energía, las baterías y los motores generan calor durante el trabajo, mientras que en los vehículos de combustible tradicional, el motor genera calor. El sistema de gestión térmica de los vehículos de nueva energía requiere un control preciso de la temperatura, principalmente la temperatura de la cabina, la temperatura de la batería y la temperatura del tren motriz. Por tanto, el sistema de gestión térmica de los vehículos de nuevas energías será más complicado. Para los vehículos de nuevas energías, resolver la contradicción entre la autonomía de crucero y el confort de marcha de los vehículos de nuevas energías es un problema urgente que los vehículos de nuevas energías deben resolver.
1. Descripción general de la gestión térmica de la cabina (aire acondicionado para automóviles)
El sistema de aire acondicionado es la clave para la gestión térmica del coche. Tanto el conductor como los pasajeros buscan el confort del coche. La función importante del aire acondicionado del automóvil es hacer que el compartimiento de pasajeros logre un ambiente de conducción y conducción cómodo ajustando la temperatura, la humedad y la velocidad del viento en el compartimiento de pasajeros del automóvil. El principio del aire acondicionado convencional para automóviles es enfriar o calentar la temperatura dentro del automóvil mediante el principio termofísico de absorción de calor por evaporación y liberación de calor por condensación. Cuando la temperatura exterior es baja, se puede enviar aire caliente a la cabina para que el conductor y los pasajeros no sientan frío. La capacidad de enviar aire a baja temperatura a la cabina cuando la temperatura exterior es alta mantiene al conductor y a los pasajeros sintiéndose más frescos. Por lo tanto, el aire acondicionado del coche juega un papel muy importante en la climatización del coche y en el confort de los ocupantes.
Los aires acondicionados para vehículos de combustible tradicionales se componen principalmente de cuatro componentes: evaporador, condensador, compresor y válvula de expansión.
Un compresor es un dispositivo de potencia que puede comprimir un refrigerante gaseoso de baja temperatura y presión en un refrigerante gaseoso de alta temperatura y alta presión. Los compresores generalmente se instalan en el motor de los vehículos de combustible y el motor impulsa el compresor para que funcione.
El evaporador es un dispositivo de intercambio de calor instalado en la cabina. El principio de funcionamiento del evaporador es utilizar la evaporación para absorber calor y enfriarse. Cuando el refrigerante líquido de baja temperatura y baja presión pasa a través del evaporador, el refrigerante líquido se vaporiza y absorbe el calor en el compartimento, enfriando así rápidamente el compartimento.
El condensador también es un dispositivo de intercambio de calor y está instalado fuera del compartimento. El principio de funcionamiento del condensador es calentar condensando y absorbiendo calor. Cuando el refrigerante gaseoso de alta temperatura y alta presión pasa a través del condensador, el calor se libera al aire exterior a través del enfriamiento forzado por el ventilador, de modo que el refrigerante gaseoso de alta temperatura y alta presión se transforma en un refrigerante líquido de temperatura media y alta presión.
Una válvula de expansión es un dispositivo que expande un líquido de temperatura media y alta presión a un líquido de baja temperatura y baja presión. La válvula de expansión generalmente se instala en la entrada del evaporador y expande el refrigerante líquido de temperatura media y alta presión hasta convertirlo en un refrigerante líquido de baja temperatura y baja presión, de modo que el refrigerante ingresa al evaporador para absorber el calor en el compartimiento del vehículo.
El aire acondicionado del automóvil se compone de un sistema de refrigeración, un sistema de calefacción y un sistema de ventilación. Estos tres sistemas conforman el conjunto del aire acondicionado del automóvil. El principio de la refrigeración tradicional de vehículos de combustible son los cuatro pasos de compresión, condensación, expansión y evaporación, como se muestra en la Figura 1. Al repetir estos cuatro pasos, se puede garantizar el funcionamiento del sistema de refrigeración. Luego, el evaporador continúa enfriando la cabina.
El principio de la calefacción tradicional de vehículos con combustible es utilizar el calor residual del motor del vehículo para calentar la cabina del vehículo. En primer lugar, el agua de refrigeración con mayor temperatura que sale de la camisa de agua de refrigeración del motor ingresa al núcleo de aire caliente. Un ventilador impulsa aire frío a través del núcleo del calentador. Luego, el aire caliente se puede inyectar en la cabina para calentarla o descongelar las ventanas. El agua de refrigeración regresa al motor después de salir del calentador, completando un ciclo.
Los dispositivos de conducción de los vehículos de nueva energía y de los vehículos de combustible tradicionales son diferentes. El compresor de aire acondicionado de un vehículo de combustible es impulsado por el motor, mientras que el compresor de aire acondicionado de un vehículo de nueva energía es impulsado por un motor. Por lo tanto, el compresor de aire acondicionado del vehículo de nueva energía no puede ser accionado por el motor, sino que se utiliza un compresor eléctrico para comprimir el refrigerante. El principio básico de los vehículos de nueva energía es el mismo que el de los vehículos de combustible tradicionales: utilizan la condensación para liberar calor y la evaporación para absorber calor y enfriar el habitáculo. Es solo que el compresor se cambió a un compresor eléctrico. En la actualidad, el compresor scroll se utiliza principalmente para comprimir el refrigerante.
El modo de calefacción de los vehículos de nueva energía es bastante diferente al de los vehículos de combustible tradicionales. El modo de calefacción de los vehículos de combustible tradicionales consiste en transferir el calor residual del motor al compartimento a través del refrigerante para calentar el compartimento. Los vehículos de nueva energía no tienen motor, por lo que no existe ningún proceso para que el motor caliente la cabina. Utiliza otros modos de calefacción para calentar la cabina. A continuación se detallan varios métodos de calefacción de aire acondicionado para vehículos de nueva energía.
1) Sistema de calefacción semiconductor
El calentador semiconductor está compuesto por elementos semiconductores y terminales para realizar funciones de refrigeración y calefacción. El termopar en este sistema es el componente básico para enfriamiento y calefacción, y su estructura se muestra en la Figura 2. Conecte dos dispositivos semiconductores para formar un termopar. Después de conectar la corriente continua, se generará calor y diferencia de temperatura en la interfaz para calentar el interior de la cabina. La principal ventaja de la calefacción por semiconductores es que puede calentar la cabina rápidamente. Su principal desventaja es que el calentamiento por semiconductores consume mucha electricidad. Para los vehículos de nueva energía que necesitan aumentar el kilometraje, sus deficiencias son fatales. Por lo tanto, no puede cumplir con los requisitos de los vehículos de nueva energía para el ahorro de energía de los aires acondicionados. También es más necesario que las personas realicen investigaciones sobre métodos de calentamiento de semiconductores y diseñen un método de calentamiento de semiconductores eficiente y que ahorre energía.
2) Calentamiento del aire con coeficiente de temperatura positivo (PTC)
El componente principal del PTC es el termistor. El calentamiento mediante cable calefactor eléctrico es un dispositivo que convierte directamente la energía eléctrica en energía térmica. El sistema de calentamiento de aire PTC convierte el núcleo de aire caliente de un vehículo de combustible tradicional en un calentador de aire PTC. Se utiliza un ventilador para impulsar el aire exterior a través del calentador PTC para calentar. El aire caliente se envía al interior de la cabina para calentarla. Debido a su consumo directo de energía, el consumo de energía de los vehículos de nueva energía también es relativamente grande cuando se enciende la calefacción.
3) Calefacción de fontanería PTC
La plomería PTC, al igual que la calefacción de aire PTC, genera calor utilizando el consumo de electricidad. Pero el sistema de plomería funciona calentando primero el refrigerante con el PTC. Después de que el refrigerante se calienta a una temperatura determinada, se bombea al núcleo del calentador para intercambiar calor con el aire circundante. Un ventilador envía aire caliente al interior de la cabina para calentarla. Luego, el agua de refrigeración se calienta mediante PTC y se intercambia. Este sistema de calefacción es más confiable y seguro que el enfriamiento por aire PTC.
4) Sistema de aire acondicionado con bomba de calor.
El principio del sistema de aire acondicionado con bomba de calor es el mismo que el del sistema de aire acondicionado tradicional de un automóvil. El aire acondicionado con bomba de calor puede realizar la conversión de calefacción y refrigeración de la cabina, y su principio se muestra en las Figuras 3 y 4. Se utiliza una válvula de inversión de cuatro vías para cambiar la dirección del flujo del refrigerante en el sistema, a fin de lograr el proceso de refrigeración e intercambio de calor. Dado que el aire acondicionado con bomba de calor no consume directamente energía eléctrica para generar calor, el grado de ahorro de energía del aire acondicionado con bomba de calor es mayor que el del calentador PTC. En la actualidad, los aires acondicionados con bomba de calor se han producido en masa en algunos vehículos.
2. Descripción general de la gestión térmica del tren motriz
La gestión térmica del sistema de energía del automóvil se divide en la gestión térmica del sistema de energía del vehículo de combustible tradicional y la gestión térmica del sistema de energía del vehículo de nueva energía. Ahora la gestión térmica del sistema de energía de los vehículos de combustible tradicionales está muy madura. Los vehículos de combustible tradicionales funcionan con motores, por lo que la gestión térmica del motor es el foco de la gestión térmica de los vehículos tradicionales. La gestión térmica del motor incluye principalmente el sistema de refrigeración del motor. Más del 30% del calor del sistema de un automóvil debe ser disipado por el circuito de refrigeración del motor para evitar que el motor se sobrecaliente bajo cargas elevadas. El refrigerante del motor se utiliza para calentar la cabina.
La planta de energía de un vehículo de combustible tradicional consta del motor y la transmisión de un vehículo de combustible tradicional, mientras que un vehículo de nueva energía consta de una batería, un motor y un control electrónico. Los métodos de gestión térmica de los dos han cambiado mucho. El rango de temperatura de funcionamiento normal de la batería eléctrica de los vehículos de nueva energía es de 25 a 40 ℃. Por tanto, la gestión térmica de una batería requiere tanto mantenerla caliente como disiparla. Al mismo tiempo, la temperatura del motor no debe ser demasiado alta. Si la temperatura del motor es demasiado alta, afectará la vida útil del motor. Por lo tanto, el motor también necesita tomar las medidas necesarias de disipación de calor durante su uso. La siguiente es una introducción al sistema de gestión térmica de la batería y al sistema de gestión térmica del control electrónico del motor y otros componentes.
El sistema de gestión térmica de la batería de energía se divide principalmente en refrigeración por aire, refrigeración líquida , refrigeración de material de cambio de fase y refrigeración por tubo de calor basado en diferentes medios de refrigeración. Los principios y estructuras del sistema de diferentes métodos de enfriamiento son bastante diferentes.
1) refrigeración por aire de la batería eléctrica
A través del flujo de aire, la batería realiza un intercambio de calor por convección con el aire exterior. El enfriamiento por aire generalmente se divide en enfriamiento natural y enfriamiento forzado. El enfriamiento natural se produce cuando el aire exterior enfría la batería cuando el automóvil está en marcha. La refrigeración por aire forzado consiste en instalar un ventilador para refrigeración forzada contra el paquete de baterías. Las ventajas del enfriamiento por aire son su bajo costo y su fácil aplicación comercial. Las desventajas son la baja eficiencia de disipación de calor, la gran proporción de ocupación del espacio y graves problemas de ruido.
2) Refrigeración líquida de la batería eléctrica
El calor se elimina del paquete de baterías mediante el flujo de líquido. Dado que la capacidad calorífica específica del líquido es mayor que la del aire, el efecto de enfriamiento del enfriamiento líquido es mejor que el del enfriamiento por aire, y la velocidad de enfriamiento también es más rápida que la del enfriamiento por aire. La distribución de temperatura después de enfriar la batería también es relativamente uniforme. Por lo tanto, la refrigeración líquida también se utiliza mucho a nivel comercial. Pero la refrigeración líquida también tiene desventajas. La desventaja es que existe riesgo de fugas, la complejidad es relativamente grande y el costo de mantenimiento es alto.
3) Enfriamiento del material por cambio de fase
Los materiales de cambio de fase (PCM) incluyen parafina, sales hidratadas, ácidos grasos, etc. Cuando se produce un cambio de fase, puede absorber o liberar una gran cantidad de calor latente mientras su propia temperatura permanece sin cambios. PCM tiene una gran capacidad de almacenamiento de energía térmica sin consumo de energía adicional y se usa ampliamente en el enfriamiento de baterías de productos electrónicos como teléfonos móviles. Sin embargo, la aplicación de baterías eléctricas para automóviles aún se encuentra en estado de investigación. Los materiales de cambio de fase sufren de baja conductividad térmica, lo que hace que el PCM se derrita en el lado que hace contacto con la batería. Sin embargo, otras piezas no se funden, lo que reduce el rendimiento de transferencia de calor del sistema y no es adecuado para baterías de gran tamaño. Si estos problemas pueden resolverse, la refrigeración PCM se convertirá en la solución de desarrollo con mayor potencial para la gestión térmica de vehículos de nueva energía.
4) Refrigeración del tubo de calor
Un heatpipe es un dispositivo basado en la transferencia de calor por cambio de fase. Una tubería de calor es un recipiente sellado o una tubería sellada llena de un medio/líquido de trabajo (agua, etilenglicol o acetona, etc.) en estado saturado. Una sección del tubo de calor es el extremo de evaporación y el otro extremo es el extremo de condensación. No solo puede absorber el calor de la batería sino también calentarla. Actualmente es el sistema de gestión térmica de baterías de energía más ideal.
5) Refrigeración directa por refrigerante.
El enfriamiento directo es una forma de instalar el evaporador del sistema de aire acondicionado en la caja de la batería para enfriar la caja de la batería rápidamente utilizando el principio de evaporación y absorción de calor de refrigerantes como el refrigerante R134a. El sistema de enfriamiento directo tiene una alta eficiencia de enfriamiento y una gran capacidad de enfriamiento.
Los anteriores son los métodos principales de gestión térmica de las cinco baterías de energía, y sus respectivas ventajas y desventajas se muestran en la Tabla 1.
Español
