Vývoj automobilového HVAC podľa trendu elektrifikácie
Pod vlnou elektrifikácie a inteligencie vozidiel sa elektrické vozidlá rýchlo rozvíjali. Predaj elektrických vozidiel za posledných pár rokov rapídne vzrástol, no „úzkost z dojazdu“ a „úzkost z bezpečnosti“ stále trápi mnohých spotrebiteľov. Problém dojazdu je zrejmý najmä pri nízkych teplotách. Keď elektrické vozidlo jazdí pri nízkych teplotách, môže byť cestovná schopnosť vozidla znížená o viac ako 40 % v dôsledku použitia klimatizácie s ohrievačom a zníženého výkonu batérie. Z hľadiska bezpečnosti je mimoriadne dôležitá aj batéria a tepelný manažment elektrických spotrebičov v aute. Na vyriešenie týchto problémov je potrebný výkonnejší automobilový systém tepelného manažmentu. Zjednodušene povedané, automobilový systém tepelného manažmentu zahŕňa hlavne súvisiace časti, ako je HVAC, tepelné riadenie batérie, elektronické riadenie motora a tepelné riadenie vysokovýkonných elektrických spotrebičov.
Medzi nimi HVAC vozidla (Heating, Ventilation, and Air Conditioning, HVAC) označuje systém alebo súvisiace vybavenie zodpovedné za vykurovanie, vetranie a klimatizáciu vo vozidle. Konkrétne sa HVAC delí hlavne na súvisiace komponenty, ako sú chladiace zariadenia, vykurovacie zariadenia a rozhranie človek-stroj (HMI).
Ďalej sa pozrieme na chladiace zariadenie, vykurovacie zariadenie a HMI v HVAC a zameriame sa na technické riešenia a vývojové trendy HVAC pre elektrické vozidlá.
1. Chladiace zariadenie
Chladiace zariadenie automobilového HVAC je podobné našej bežnej klimatizácii, ktorá využíva stavový cyklus stláčania chladiva, kondenzácie, expanzie a vyparovania na dosiahnutie regulácie teploty. K prenosu tepla dochádza predovšetkým zmenami skupenstva chladiva. Hlavné komponenty chladiacej jednotky zodpovedné za vyššie uvedené funkcie sú kompresor, kondenzátor, expanzný ventil, prijímač/sušič a výparník.
Ako je znázornené na obrázku, kvapalné chladivo absorbuje teplo z priestoru pre cestujúcich a vo výparníku sa vyparuje do plynného stavu. Para sa potom vytiahne z výparníka kompresorom, ktorý stlačí paru, aby sa zvýšil jej tlak. Vysokotlaková, vysokoteplotná para generovaná kompresorom je potom ochladzovaná vonkajším vzduchom v kondenzátore a kondenzovaná na vysokotlakovú kvapalinu. Kvapalina expanduje a dekompresuje v expanznom ventile pred vstupom do výparníka. Vyššie uvedený proces predstavuje nepretržitý cyklus. Proces odparovania absorbuje teplo z okolitého vzduchu, aby sa dosiahol chladiaci efekt, a studený vzduch je vháňaný do priestoru pre cestujúcich cez ventilátor.
2. Vykurovacie zariadenie
Pri vozidlách so spaľovacím motorom je jednoduchšie vozidlo vykurovať ako chladiť. Konverzná účinnosť spaľovacieho motora je nízka (asi 30 %) a počas prevádzky vytvára viac tepla. Toto teplo prúdi do jadra ohrievača cez chladiacu kvapalinu a potom jednoduchým ovládaním môže byť do kabíny vháňaný ventilátorom regulovateľný horúci vzduch. , udržiavanie konštantnej teploty v kabíne. Proces je veľmi ekonomický a jednoduchý a môže sa vykonávať, pokiaľ je spaľovací motor v prevádzke. Nevyžaduje dodatočné palivo a nezvýši spotrebu paliva. Ale pre elektromobily je vykurovanie pomerne komplikovanou operáciou. V súčasnosti sú najbežnejšími riešeniami vykurovania PTC a tepelné čerpadlá.
PTC (Positive Temperature Coefficient, Positive Temperature Coefficient Resistor) je typický polovodičový rezistor s kladnou teplotnou citlivosťou. Keď je pod napätím, bude generovať teplo, ktoré možno použiť na vykurovanie klimatizácie. Keď sa PTC prvýkrát zapne, jeho odpor bude vykazovať pomaly klesajúci trend so zvyšujúcou sa teplotou, to znamená, že jeho výhrevnosť pri izbovej teplote je nízka; keď teplota prekročí Curieovu teplotu, jeho hodnota odporu sa bude s teplotou znižovať. Zvyšovanie je postupné zvyšovanie a skutočný výkon je taký, že automaticky prestane fungovať. Ako prvok PTC na vykurovanie môže jeho funkcia automatickej konštantnej teploty eliminovať potrebu zložitého okruhu regulácie teploty. V elektrických vozidlách je PTC priamo napájaný vysokonapäťovou batériou a potom je jeho stav vykurovania riadený jednoduchým PWM spínačom, aby sa dosiahol veľmi jednoduchý a spoľahlivý vykurovací systém.
Hoci PTC má vlastnosti jednoduchej konštrukcie, odolných materiálov a dobrého vykurovacieho účinku, štruktúra systému, ktorá je priamo napájaná vysokonapäťovou batériou, spôsobuje, že proces vykurovania ovplyvňuje dojazd elektrických vozidiel. Výskum ukazuje, že používanie PTC zníži životnosť batérie elektrických vozidiel približne o 24 %.
Ďalším riešením je tepelné čerpadlo. Ako typ odporového prvku je limit PTC COP (Coefficient of Performance, vykurovacia účinnosť) 100 %, to znamená, že elektrickú energiu možno premeniť maximálne na rovnaké množstvo tepelnej energie, zatiaľ čo tepelné čerpadlo môže byť až 300 %. Princíp tepelného čerpadla je podobný ako pri klimatizácii pre domácnosť. Chladivo prúdi obojsmerne vo výparníku a kondenzátore klimatizácie cez štvorcestný ventil, pričom prenáša tepelnú energiu z nízkoúrovňového zdroja tepla na vysokoúrovňový zdroj tepla, čím sa dosahuje efekt vykurovania alebo chladenia. Tento „prenos tepla“ V porovnaní s režimom PTC môže proces, ktorý nevytvára teplo, výrazne ušetriť elektrickú energiu, čím sa efektívne predĺži dojazd elektrických vozidiel a stane sa dôležitým aplikačným trendom HVAC pre elektrické vozidlá.
3. HMI
Ak motor dáva autu do pohybu, dáva autu život a je kufrom auta, potom HMI dáva autu múdrosť a myšlienky a je dušou auta. Preto boli systémové riešenia HMI vždy oceňované automobilovými OEM. OEM musia vodičom a cestujúcim poskytnúť bezpečnú, flexibilnú a pohodlnú navigáciu a zábavu. Zároveň je to tiež dôležitý faktor pri formovaní diferenciácie produktov. V posledných rokoch, s elektrifikáciou automobilov a pohonom veľkých výrobcov nových elektrických automobilov, sa HMI postupne vyvinulo smerom k centralizácii, screeningu a inteligencii, podobne ako vývoj smartfónov. HVAC už mnohokrát nemá úplne nezávislé rozhranie HMI, ale je zdieľané s inými funkciami.