Progreso de la investigación de la tecnología de gestión térmica de vehículos eléctricos

Los vehículos eléctricos puros tienen una alta eficiencia energética integral y relativamente poca contaminación ambiental.Con el desarrollo continuo de tecnologías puramente relacionadas con vehículos eléctricos, la escala de la industria se está expandiendo gradualmente.Limitada por la densidad de energía y las propiedades materiales de las baterías eléctricas, la autonomía de crucero de los vehículos eléctricos puros se ha convertido en un problema clave que restringe su desarrollo.La demanda y el consumo de energía de los gestión térmica del vehículo El sistema ha atraído gradualmente la atención generalizada en la industria.La movilidad de la conducción hace que las condiciones ambientales y climáticas a las que se enfrentan los automóviles sean complejas y cambiantes.Para los vehículos eléctricos puros, sin el sistema térmico del motor de los vehículos de combustible tradicional, el sistema térmico del automóvil debe cumplir con los requisitos de control de temperatura de la batería/motor/electrónico, descongelación del intercambiador de calor, eliminación del empañamiento del vidrio de la ventana y otras necesidades.La tecnología de gestión térmica es una garantía importante para la seguridad y el confort de la conducción de automóviles, y se ha convertido en la tecnología clave para el desarrollo de vehículos eléctricos.

1. Requisitos de gestión térmica de vehículos eléctricos

El habitáculo es el espacio ambiental en el que se encuentra el conductor durante el proceso de conducción del coche.Para garantizar un entorno de conducción cómodo para el conductor, la gestión térmica del habitáculo debe controlar la temperatura, la humedad y la temperatura del suministro de aire del entorno de la cabina.Los requisitos de gestión térmica del habitáculo en diferentes condiciones se muestran en la Tabla 1.

El control de la temperatura de la batería de potencia es un requisito previo importante para garantizar el funcionamiento eficiente y seguro de los vehículos eléctricos.Cuando la temperatura es demasiado alta, provocará fugas de líquido, combustión espontánea y otros fenómenos que afectarán la seguridad de la conducción.Cuando la temperatura es demasiado baja, la capacidad de carga y descarga de la batería se atenuará hasta cierto punto.Debido a su alta densidad de energía y peso ligero, las baterías de litio se han convertido en las baterías de energía más utilizadas para vehículos eléctricos.Los requisitos de control de temperatura de las baterías de litio y la carga de calor de la batería en diferentes condiciones estimadas de acuerdo con la literatura se muestran en la Tabla 2. Con el aumento gradual en la densidad de energía de las baterías de potencia, la expansión del rango de temperatura del entorno de trabajo y el aumento de las velocidades de carga rápida, la importancia del control de temperatura de la batería de energía en el sistema de gestión térmica también se ha vuelto más prominente.Esto no solo debe cumplir con los cambios de carga de control de temperatura en diferentes condiciones de la carretera, diferentes modos de carga y descarga y otras condiciones de funcionamiento del vehículo, la uniformidad del campo de temperatura entre los paquetes de baterías y la prevención y el control de la fuga térmica, sino que también debe cumplir los requisitos de control de temperatura en diferentes entornos en áreas de alto calor y alta humedad, etc.

El motor y el control electrónico son los eslabones clave de salida de energía de los vehículos eléctricos.Durante el proceso de trabajo del motor, se generará una gran cantidad de calor debido al calentamiento de la resistencia de la bobina, la generación de calor por fricción mecánica y otras razones.El exceso de temperatura provoca problemas como el cortocircuito interno del motor y la desmagnetización irreversible del imán.De acuerdo con la configuración del motor de diferentes modelos en el mercado actual de vehículos eléctricos, los requisitos de control de temperatura eléctrica y del motor de los automóviles de pasajeros, y la potencia de calentamiento del motor considerando la eficiencia del motor y la potencia del motor se muestran en la Tabla 3. Con la popularidad de los vehículos eléctricos y el aumento de los escenarios de aplicación, la demanda de potencia de los vehículos sigue aumentando.Los motores de los vehículos eléctricos requieren mayor potencia, par y velocidad, lo que también significa una mayor generación de calor.Como resultado, los requisitos de gestión térmica de los sistemas de motores eléctricos aumentan gradualmente.

2. Historial de desarrollo de la tecnología de gestión térmica de vehículos eléctricos

La gestión térmica del vehículo es una de las tecnologías centrales para el desarrollo de vehículos eléctricos, que implica una gestión multiobjetivo, como el control ambiental de la temperatura y la humedad del habitáculo, el control de la temperatura del sistema eléctrico y el antivaho y desempañado de los cristales.De acuerdo con la arquitectura del sistema de gestión térmica y el grado de integración, el desarrollo de la gestión térmica del vehículo eléctrico se resume en tres etapas, como se muestra en la Figura 1. Desde el enfriamiento único con calefacción eléctrica hasta la bomba de calor con calefacción auxiliar eléctrica, y luego al acoplamiento gradual de la bomba de calor de zona de temperatura amplia y la gestión térmica del vehículo, la tecnología de gestión térmica de los vehículos eléctricos se está desarrollando gradualmente hacia una dirección altamente integrada e inteligente.Y la adaptabilidad ambiental en un amplio rango de temperatura y condiciones extremas se mejora gradualmente.

En la etapa inicial de la industrialización de los vehículos eléctricos, se desarrolla básicamente con la sustitución de sistemas de energía como baterías y motores como tecnología central.Los sistemas auxiliares, como el aire acondicionado de la cabina, el desempañado de las ventanas y el control de la temperatura de los componentes eléctricos, se mejoran gradualmente sobre la base de las tecnologías tradicionales de gestión térmica de los vehículos de combustible.Tanto los acondicionadores de aire para vehículos eléctricos puros como los acondicionadores de aire para vehículos de combustible realizan la función de enfriamiento a través del ciclo de compresión de vapor.La diferencia entre los dos es que el compresor de aire acondicionado de un vehículo de combustible es impulsado indirectamente por el motor a través de una correa, mientras que un vehículo eléctrico puro usa directamente un compresor de accionamiento eléctrico para impulsar el ciclo de refrigeración.Cuando los vehículos de combustible se calientan en invierno, el calor residual del motor se usa directamente para calentar el habitáculo sin una fuente de calor adicional.Sin embargo, el calor residual del motor de los vehículos eléctricos puros no puede satisfacer las necesidades de calefacción en invierno.Por lo tanto, la calefacción en invierno es un problema que los vehículos eléctricos puros deben resolver..El calentador de coeficiente de temperatura positivo (coeficiente de temperatura positivo, PTC) está compuesto por un elemento calefactor cerámico PTC y un tubo de aluminio, que tiene las ventajas de una pequeña resistencia térmica y una alta eficiencia de transferencia de calor.Y hay cambios menores basados ​​​​en el cuerpo del automóvil de combustible.Por lo tanto, los primeros vehículos eléctricos usaban enfriamiento por ciclo de refrigeración por compresión de vapor más calefacción PTC para lograr la gestión térmica del compartimiento de pasajeros, como se muestra en la Figura 2. A diferencia de los vehículos de gasolina, que funcionan con combustible, los vehículos eléctricos funcionan con baterías eléctricas.Cuando el vehículo eléctrico funciona normalmente, la batería eléctrica descarga calor y la temperatura aumenta, lo que requiere que la batería se enfríe.Los métodos de enfriamiento de la batería incluyen principalmente enfriamiento por aire, refrigeración líquida, enfriamiento de material de cambio de fase, y Refrigeración por tubería de calor.Debido a su estructura simple, bajo costo y fácil mantenimiento, la refrigeración por aire se utilizó ampliamente en los primeros vehículos eléctricos.La principal forma de gestión térmica en esta etapa es que cada subsistema independiente cumpla con los requisitos de gestión térmica respectivamente.

En uso real, la demanda de consumo de energía de calefacción de los vehículos eléctricos en invierno es relativamente alta.Desde un punto de vista termodinámico, el COP de la calefacción PTC siempre es inferior a 1, lo que hace que el consumo de energía de la calefacción PTC sea alto y la tasa de utilización de energía baja, lo que restringe seriamente el kilometraje de los vehículos eléctricos.La tecnología de bomba de calor utiliza el ciclo de compresión de vapor para utilizar el calor de bajo grado en el ambiente, y el COP teórico para la calefacción es superior a 1. Por lo tanto, usar un sistema de bomba de calor en lugar de PTC puede aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos bajo condiciones de calefacción.

Con la mejora adicional de la capacidad y la potencia de la batería de potencia, la carga de calor durante el funcionamiento de la batería de potencia también aumenta gradualmente.La estructura tradicional de enfriamiento por aire no puede cumplir con los requisitos de control de temperatura de las baterías eléctricas.Por lo tanto, la refrigeración líquida se ha convertido en el principal método de control de temperatura de la batería.Además, dado que la temperatura de confort requerida por el cuerpo humano es similar a la temperatura a la que la batería de potencia funciona normalmente, los requisitos de refrigeración del habitáculo y la batería de potencia pueden satisfacerse conectando intercambiadores de calor en paralelo en la bomba de calor del habitáculo. sistema.El calor de la batería de energía se extrae indirectamente a través del intercambiador de calor y el enfriamiento secundario.El grado de integración de la gestión térmica Se ha mejorado el sistema del vehículo eléctrico.Aunque el grado de integración ha aumentado, el sistema de gestión térmica en esta etapa simplemente integra la refrigeración de la batería y la refrigeración del habitáculo.El calor residual de las baterías y los motores no se ha utilizado de forma eficaz.

Los acondicionadores de aire con bomba de calor tradicionales tienen una eficiencia de calefacción baja y una capacidad de calefacción insuficiente en el ambiente frío, lo que restringe los escenarios de aplicación de los vehículos eléctricos.Por lo tanto, se han desarrollado y aplicado una serie de métodos para mejorar el rendimiento de los acondicionadores de aire con bomba de calor en condiciones de baja temperatura.Al aumentar racionalmente el circuito de intercambio de calor secundario, mientras se enfría la batería de potencia y el sistema del motor, el calor restante se recicla para mejorar la capacidad de calefacción de los vehículos eléctricos en condiciones de baja temperatura.Los resultados experimentales muestran que la capacidad de calefacción del acondicionador de aire con bomba de calor de recuperación de calor residual mejora significativamente en comparación con el acondicionador de aire con bomba de calor tradicional.

Además de la recuperación y utilización del calor residual de las baterías y los sistemas de motores, la utilización del aire de retorno también es una forma de reducir el consumo de energía del sistema de gestión térmica en condiciones de baja temperatura.Los resultados de la investigación muestran que, en un entorno de baja temperatura, las medidas razonables de utilización del aire de retorno pueden reducir la capacidad de calefacción requerida por los vehículos eléctricos entre un 46 % y un 62 %, al mismo tiempo que evitan el empañamiento y la escarcha de las ventanas.Puede reducir el consumo de energía de calefacción hasta en un 40%.En esta etapa, la adaptabilidad ambiental de la gestión térmica del vehículo eléctrico en condiciones extremas está mejorando gradualmente y se está desarrollando en la dirección de la integración y la ecologización.

Para mejorar aún más la eficiencia de la gestión térmica de la batería en condiciones de alta potencia y reducir la complejidad de la gestión térmica, se propone una solución técnica, que es un método de control de temperatura de la batería de enfriamiento directo y calentamiento directo en el que el refrigerante se envía directamente a la batería para el intercambio de calor.En la Figura 3 se muestra una configuración de gestión térmica de intercambio de calor directo entre el paquete de baterías y el refrigerante. La tecnología de enfriamiento directo puede mejorar la eficiencia y la capacidad de intercambio de calor, obtener una distribución de temperatura más uniforme dentro de la batería, reducir el ciclo secundario y aumentar la recuperación de calor residual del sistema.Esto, a su vez, mejora el rendimiento del control de temperatura de la batería.Sin embargo, debido a la tecnología de intercambio de calor directo entre la batería y el refrigerante, es necesario aumentar la refrigeración y el calor mediante el trabajo del sistema de bomba de calor.Por un lado, el control de la temperatura de la batería está limitado por el arranque y parada del sistema de climatización con bomba de calor, y tiene un cierto impacto en el rendimiento del circuito frigorífico.Por otro lado, también limita el uso de fuentes naturales de frío en temporadas de transición, por lo que esta tecnología aún necesita más investigación, mejora y evaluación de aplicaciones.

3. Tendencia de desarrollo de la gestión térmica del vehículo eléctrico.

Aunque en comparación con la etapa inicial, el actual sistema de gestión térmica de los vehículos eléctricos ha avanzado mucho en términos de integración, ahorro de energía y alta eficiencia, todavía existen grandes desafíos en la sustitución de refrigerantes, el desarrollo de sistemas de bomba de calor en todos los climas y amplias zonas de temperatura, y control inteligente.

La investigación y la aplicación de posibles refrigerantes alternativos se centran principalmente en R1234yf, CO2 y R290.Las principales propiedades físicas de los refrigerantes anteriores se muestran en la Tabla 4. El R1234yf tiene propiedades termodinámicas similares al refrigerante tradicional R134a, y es fácil de reemplazar el refrigerante, pero el precio es relativamente alto.El R290 y el CO2, como refrigerantes naturales y ecológicos, tienen la ventaja de precios relativamente bajos.El CO2 no es tóxico, no es inflamable y tiene una excelente estabilidad térmica.Y tiene un gran deslizamiento de temperatura cuando libera calor en un estado supercrítico, por lo que tiene un excelente rendimiento de calefacción.El sistema de bomba de calor R290 tiene un excelente rendimiento de refrigeración y calefacción.Sin embargo, dado que el R290 es un refrigerante inflamable, resolver los peligros de seguridad causados ​​por la inflamabilidad del R290 es el tema clave para realizar la aplicación del sistema de bomba de calor R290 en vehículos eléctricos.

Las propiedades térmicas del refrigerante R1234yf y R134a son muy parecidas, y el R1234yf se puede usar directamente para reemplazar el sistema de gestión térmica R134a, pero el rendimiento del sistema se verá ligeramente reducido.R1234yf tiene una inflamabilidad débil y el riesgo de combustión se puede reducir agregando un circuito secundario.Debido a razones como las patentes y la tecnología de síntesis, el alto precio del R1234yf se ha convertido en un obstáculo que restringe su popularización y aplicación.

Como refrigerante natural económico y respetuoso con el medio ambiente.En la actualidad, el sistema de bomba de calor de CO2 ha comenzado a aplicarse en vehículos reales, pero todavía existen problemas como la capacidad de refrigeración insuficiente en verano y la baja eficiencia de calefacción en condiciones de frío extremo.El objetivo principal del trabajo en el campo de la investigación es mejorar aún más el rendimiento de los sistemas de bomba de calor de CO2, especialmente la mejora del rendimiento de refrigeración en entornos de alta temperatura.

El R290, como otra posible alternativa de refrigerante natural respetuoso con el medio ambiente, tiene un excelente rendimiento de refrigeración y calefacción.

Por otro lado, los refrigerantes mixtos pueden superar las limitaciones de las propiedades físicas de los refrigerantes naturales puros, y también es una de las direcciones de desarrollo de nuevos sistemas de bomba de calor refrigerante en el futuro.

El sistema de gestión térmica eficiente e inteligente de los vehículos eléctricos y el confort térmico de la cabina de pasajeros se han convertido en las garantías clave para mejorar la calidad de los viajes.Según las diferentes condiciones de conducción del propio vehículo, la carga térmica de cada sistema del vehículo eléctrico fluctuará dinámicamente.Además, continúa profundizándose el grado de acoplamiento del sistema térmico de los vehículos eléctricos, lo que plantea mayores exigencias para el control del sistema de gestión térmica.Por lo tanto, un método de control inteligente, integrado y detallado será el método de control para reducir el consumo de energía del vehículo y mejorar la comodidad.

El método de control tradicional del sistema de bomba de calor consiste en controlar cada objeto de gestión térmica independiente y cada actuador de gestión térmica a través del control de interruptores, el control PID y otros métodos.Según la desviación entre el valor establecido y el valor real, cada parámetro de control se mantiene dentro del rango establecido mediante el ajuste de parámetros como la velocidad de compresión, la apertura de la válvula de expansión, la potencia del calentador eléctrico, la potencia de la bomba de circulación y el volumen de aire del ventilador electrónico.Sin embargo, con la profundización de la integración de la gestión térmica, el control PID es propenso a problemas como el exceso o la oscilación en el complejo proceso de control dinámico.Al mismo tiempo que aumenta el consumo de energía, se reduce el confort de conducción.El método de control del sistema de bomba de calor complejo acoplado de múltiples ramales es el foco de investigación actual de la tecnología de control del sistema de gestión térmica del vehículo eléctrico.

Para garantizar el confort térmico del conductor, es necesario controlar la temperatura y la humedad del habitáculo dentro de un rango de fluctuación razonable.Para el control del ambiente cálido y húmedo en el automóvil, el método de control convencional es controlar la temperatura y la humedad dentro del automóvil ajustando el volumen y la temperatura del suministro de aire con la premisa de evitar que se empañe el parabrisas delantero y garantizar un funcionamiento seguro. del vehículoEl ambiente está controlado.

En cuanto a la gestión térmica del vehículo, la gestión térmica del habitáculo incluye no solo el método tradicional de climatización, sino también nuevos métodos como la calefacción de los asientos, que también se han investigado y potenciado.Además del método de ajuste activo de la gestión térmica, el diseño razonable de la estructura de aislamiento del cuerpo y la selección de materiales también pueden reducir la volatilidad del ambiente interior y mejorar el confort térmico.Además, es probable que un entorno de conducción cómodo durante mucho tiempo cause fatiga al conductor y afecte la seguridad de la conducción.También se está llevando a cabo una investigación relevante sobre el sistema de control inteligente que mejora la concentración mental del conductor a través de soplos u otros medios estimulantes.

4. Resumen y Outlook

El sistema de gestión térmica del vehículo eléctrico se mejora del sistema tradicional de aire acondicionado del vehículo de combustible y pasa gradualmente al sistema de bomba de calor adecuado para vehículos eléctricos.A diferencia de los vehículos de combustible, los objetos de gestión térmica de los vehículos eléctricos también incluyen sistemas de batería y sistemas de motor.A través del acoplamiento trieléctrico, el grado de acoplamiento del sistema de gestión térmica del vehículo eléctrico y el grado de integración de los componentes se mejoran continuamente.

Para mejorar la aplicabilidad de los vehículos eléctricos en múltiples entornos y aumentar aún más el rango de crucero de los vehículos eléctricos, es necesario desarrollar sistemas de bomba de calor que puedan adaptarse a amplios rangos de temperatura y condiciones extremas.

Con la creciente demanda de calidad de viaje, es necesario aumentar la atención de la gestión térmica al confort térmico del cuerpo humano e implementar tecnología de gestión térmica automotriz inteligente y orientada a las personas y estrategias de control.

Ante requisitos de protección ambiental más estrictos, debemos centrarnos en la investigación alternativa de refrigerantes ecológicos.Y a través del desarrollo de tecnologías como la recuperación de calor residual y la suplementación con chorro de aire, se completa la construcción de un sistema de gestión térmica de vehículos verde, eficiente y que ahorra energía.