تقدم البحث في تكنولوجيا الإدارة الحرارية للمركبة الكهربائية

تتمتع السيارات الكهربائية النقية بكفاءة عالية في استخدام الطاقة وقليل من التلوث البيئي نسبيًا.مع التطوير المستمر للتقنيات المتعلقة بالمركبات الكهربائية النقية ، يتوسع حجم الصناعة تدريجياً.مقيدًا بكثافة الطاقة وخصائص المواد لبطاريات الطاقة ، أصبح النطاق المبحر للسيارات الكهربائية النقية مشكلة رئيسية تقيد تطورها.الطلب واستهلاك الطاقة الإدارة الحرارية للمركبة اجتذب النظام تدريجيًا اهتمامًا واسع النطاق في الصناعة.تنقل القيادة يجعل الظروف البيئية والمناخية التي تواجهها السيارات معقدة وقابلة للتغيير.بالنسبة للسيارات الكهربائية النقية ، بدون النظام الحراري للمحرك لمركبات الوقود التقليدية ، يحتاج النظام الحراري للسيارات إلى تلبية متطلبات البطارية / المحرك / التحكم الإلكتروني في درجة الحرارة ، وإزالة الصقيع من المبادل الحراري ، وإزالة الضباب من زجاج النوافذ وغيرها من الاحتياجات.تعد تقنية الإدارة الحرارية ضمانًا مهمًا لسلامة وراحة قيادة السيارات ، وأصبحت التكنولوجيا الأساسية لتطوير السيارات الكهربائية.

1. متطلبات الإدارة الحرارية للمركبة الكهربائية

مقصورة الركاب هي المساحة البيئية التي يتواجد فيها السائق أثناء عملية قيادة السيارة.من أجل ضمان بيئة قيادة مريحة للسائق ، تحتاج الإدارة الحرارية لمقصورة الركاب إلى التحكم في درجة الحرارة والرطوبة ودرجة حرارة إمداد الهواء لبيئة المقصورة.متطلبات الإدارة الحرارية لمقصورة الركاب في ظل ظروف مختلفة موضحة في الجدول 1.

يعد التحكم في درجة حرارة بطارية الطاقة شرطًا أساسيًا مهمًا لضمان التشغيل الفعال والآمن للمركبات الكهربائية.عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة للغاية ، فإنها تتسبب في تسرب السوائل ، والاحتراق التلقائي ، وظواهر أخرى تؤثر على سلامة القيادة.عندما تكون درجة الحرارة منخفضة جدًا ، سيتم تخفيف شحن البطارية وقدرتها على التفريغ إلى حد معين.نظرًا لكثافة الطاقة العالية والوزن الخفيف ، أصبحت بطاريات الليثيوم أكثر بطاريات الطاقة استخدامًا للسيارات الكهربائية.يوضح الجدول 2. متطلبات التحكم في درجة حرارة بطاريات الليثيوم والحمل الحراري للبطارية في ظل ظروف مختلفة مقدرة وفقًا للأدبيات. مع الزيادة التدريجية في كثافة الطاقة لبطاريات الطاقة ، وتوسيع نطاق درجة حرارة بيئة العمل ، و زيادة سرعات الشحن السريع ، أصبحت أهمية التحكم في درجة حرارة بطارية الطاقة في نظام الإدارة الحرارية أكثر بروزًا.هذا لا يحتاج فقط إلى تلبية تغيرات حمل التحكم في درجة الحرارة في ظل ظروف الطريق المختلفة ، وأنماط الشحن والتفريغ المختلفة وظروف تشغيل السيارة الأخرى ، وتوحيد مجال درجة الحرارة بين حزم البطاريات والوقاية من الهروب الحراري والتحكم فيه ، ولكنه يحتاج أيضًا إلى تلبية متطلبات التحكم في درجة الحرارة في بيئات مختلفة في مناطق الحرارة العالية والرطوبة العالية وما إلى ذلك.

يعد المحرك والتحكم الإلكتروني بمثابة روابط إخراج الطاقة الرئيسية للمركبات الكهربائية.أثناء عملية تشغيل المحرك ، سيتم توليد كمية كبيرة من الحرارة بسبب تسخين مقاومة الملف ، وتوليد حرارة الاحتكاك الميكانيكي وأسباب أخرى.تسبب درجة الحرارة الزائدة مشاكل مثل قصر الدائرة الداخلية للمحرك وإزالة مغناطيسية لا رجعة فيها للمغناطيس.وفقًا لتكوين المحرك للطرازات المختلفة في سوق السيارات الكهربائية الحالي ، فإن متطلبات التحكم في درجة حرارة المحرك والكهرباء لسيارات الركاب ، وطاقة تسخين المحرك مع الأخذ في الاعتبار كفاءة المحرك وقوة المحرك موضحة في الجدول 3. مع انتشار السيارات الكهربائية وزيادة سيناريوهات التطبيق ، يستمر الطلب على قوة السيارة في الزيادة.تتطلب محركات السيارة الكهربائية طاقة وعزم دوران وسرعة أعلى ، مما يعني أيضًا توليد حرارة أعلى.نتيجة لذلك ، تتزايد متطلبات الإدارة الحرارية لأنظمة المحركات الكهربائية تدريجياً.

2. تاريخ تطوير تكنولوجيا الإدارة الحرارية للمركبة الكهربائية

تعد الإدارة الحرارية للمركبة إحدى التقنيات الأساسية لتطوير المركبات الكهربائية ، بما في ذلك الإدارة متعددة الأهداف مثل التحكم في درجة الحرارة والرطوبة في بيئة مقصورة الركاب ، والتحكم في درجة حرارة نظام الطاقة ، ومكافحة الضباب والزجاج.وفقًا لبنية نظام الإدارة الحرارية ودرجة التكامل ، يتم تلخيص تطوير الإدارة الحرارية للمركبة الكهربائية في ثلاث مراحل ، كما هو موضح في الشكل 1. من التبريد الفردي بالتسخين الكهربائي إلى مضخة التسخين بالتسخين الكهربائي الإضافي ، ثم إلى الاقتران التدريجي من المضخة الحرارية ذات منطقة درجة الحرارة الواسعة والإدارة الحرارية للمركبة ، تتطور تقنية الإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية تدريجياً نحو اتجاه متكامل وذكي للغاية.ويتم تحسين القدرة على التكيف البيئي في نطاق واسع من درجات الحرارة والظروف القاسية تدريجياً.

في المرحلة الأولى من تصنيع السيارات الكهربائية ، تم تطويره بشكل أساسي مع استبدال أنظمة الطاقة مثل البطاريات والمحركات كتكنولوجيا أساسية.تم تحسين الأنظمة الإضافية مثل تكييف الهواء في المقصورة وإزالة الضباب عن النوافذ والتحكم في درجة حرارة مكونات الطاقة بشكل تدريجي على أساس تقنيات الإدارة الحرارية التقليدية لمركبة الوقود.يدرك كل من مكيفات هواء السيارة الكهربائية النقية ومكيفات هواء السيارة التي تعمل بالوقود وظيفة التبريد من خلال دورة ضغط البخار.الفرق بين الاثنين هو أن ضاغط تكييف الهواء لمركبة الوقود يتم تشغيله بشكل غير مباشر بواسطة المحرك من خلال حزام ، بينما تستخدم السيارة الكهربائية النقية مباشرة ضاغط محرك كهربائي لقيادة دورة التبريد.عندما يتم تسخين سيارات الوقود في الشتاء ، يتم استخدام الحرارة المهدرة للمحرك مباشرة لتسخين مقصورة الركاب بدون مصدر حرارة إضافي.ومع ذلك ، فإن الحرارة المهدرة لمحرك السيارات الكهربائية النقية لا يمكنها تلبية احتياجات التدفئة في فصل الشتاء.لذلك ، تعتبر تدفئة الشتاء مشكلة تحتاج السيارات الكهربائية النقية إلى حلها..يتكون سخان معامل درجة الحرارة الإيجابية (معامل درجة الحرارة الإيجابية ، PTC) من عنصر تسخين سيراميك PTC وأنبوب ألومنيوم ، والذي يتميز بمقاومة حرارية صغيرة وكفاءة عالية في نقل الحرارة.وهناك تغييرات طفيفة على أساس جسم السيارة التي تعمل بالوقود.لذلك ، استخدمت السيارات الكهربائية في وقت مبكر تبريد دورة التبريد بضغط البخار بالإضافة إلى تسخين PTC لتحقيق الإدارة الحرارية لمقصورة الركاب ، كما هو موضح في الشكل 2. على عكس مركبات البنزين ، التي تعمل بالوقود ، يتم تشغيل المركبات الكهربائية بواسطة بطاريات الطاقة.عندما تعمل السيارة الكهربائية بشكل طبيعي ، تقوم بطارية الطاقة بتفريغ الحرارة وترتفع درجة الحرارة ، الأمر الذي يتطلب تبريد البطارية.تتضمن طرق تبريد البطارية بشكل أساسي تبريد الهواء ، التبريد السائل، تبريد مواد تغيير الطور ، و تبريد أنبوب الحرارة.نظرًا للهيكل البسيط والتكلفة المنخفضة وسهولة الصيانة ، فقد تم استخدام تبريد الهواء على نطاق واسع في السيارات الكهربائية المبكرة.الشكل الرئيسي للإدارة الحرارية في هذه المرحلة هو أن كل نظام فرعي مستقل يلبي متطلبات الإدارة الحرارية على التوالي.

في الاستخدام الفعلي ، يكون الطلب على استهلاك طاقة التدفئة للمركبات الكهربائية في الشتاء مرتفعًا نسبيًا.من وجهة نظر الديناميكا الحرارية ، يكون COP من تسخين PTC دائمًا أقل من 1 ، مما يجعل استهلاك الطاقة لتسخين PTC مرتفعًا ومعدل استخدام الطاقة منخفضًا ، مما يحد بشكل خطير من الأميال المقطوعة للسيارات الكهربائية.تستخدم تقنية المضخة الحرارية دورة ضغط البخار للاستفادة من درجة حرارة منخفضة في البيئة ، ويكون COP النظري للتدفئة أكبر من 1. لذلك ، يمكن أن يؤدي استخدام نظام مضخة حرارية بدلاً من PTC إلى زيادة نطاق تجوال المركبات الكهربائية تحت ظروف التدفئة.

مع التحسين الإضافي لسعة وطاقة بطارية الطاقة ، يتزايد أيضًا الحمل الحراري أثناء تشغيل بطارية الطاقة تدريجياً.لا يمكن لهيكل تبريد الهواء التقليدي تلبية متطلبات التحكم في درجة الحرارة لبطاريات الطاقة.لذلك ، أصبح التبريد السائل الطريقة الرئيسية للتحكم في درجة حرارة البطارية.علاوة على ذلك ، نظرًا لأن درجة الحرارة المريحة التي يتطلبها جسم الإنسان تشبه درجة الحرارة التي تعمل عندها بطارية الطاقة بشكل طبيعي ، يمكن تلبية متطلبات التبريد لمقصورة الركاب وبطارية الطاقة عن طريق توصيل المبادلات الحرارية بالتوازي في المضخة الحرارية لمقصورة الركاب نظام.يتم أخذ الحرارة من بطارية الطاقة بشكل غير مباشر من خلال المبادل الحراري والتبريد الثانوي.درجة التكامل الإدارة الحرارية تم تحسين نظام السيارة الكهربائية.على الرغم من زيادة درجة التكامل ، فإن نظام الإدارة الحرارية في هذه المرحلة يدمج ببساطة تبريد البطارية وتبريد مقصورة الركاب.لم يتم استخدام الحرارة المهدرة من البطاريات والمحركات بشكل فعال.

تتميز مكيفات الهواء التقليدية بمضخة الحرارة بكفاءة تسخين منخفضة وقدرة تسخين غير كافية في البيئة الباردة ، مما يقيد سيناريوهات تطبيق السيارات الكهربائية.لذلك ، تم تطوير وتطبيق سلسلة من الطرق لتحسين أداء مكيفات الهواء ذات المضخات الحرارية في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة.من خلال زيادة دائرة التبادل الحراري الثانوية بشكل عقلاني ، أثناء تبريد بطارية الطاقة ونظام المحرك ، يتم إعادة تدوير الحرارة المتبقية لتحسين قدرة تسخين المركبات الكهربائية في ظروف درجات الحرارة المنخفضة.أظهرت النتائج التجريبية أن قدرة التسخين لمكيف الهواء المضخة الحرارية لاسترداد الحرارة المفقودة قد تحسنت بشكل ملحوظ مقارنة بمكيف الهواء التقليدي بمضخة الحرارة.

بالإضافة إلى استعادة واستخدام الحرارة المهدرة من البطاريات وأنظمة المحركات ، فإن استخدام الهواء العائد هو أيضًا وسيلة لتقليل استهلاك الطاقة لنظام الإدارة الحرارية في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة.تظهر نتائج البحث أنه في بيئة درجات الحرارة المنخفضة ، يمكن لتدابير استخدام الهواء العائد المعقولة أن تقلل من سعة التدفئة المطلوبة للسيارات الكهربائية بنسبة 46٪ إلى 62٪ مع تجنب تعفير النوافذ وتجميدها.يمكن أن تقلل من استهلاك طاقة التدفئة بنسبة تصل إلى 40٪.في هذه المرحلة ، تتحسن القدرة على التكيف البيئي للإدارة الحرارية للمركبة الكهربائية في ظل الظروف القاسية تدريجياً ، وهي تتطور في اتجاه التكامل والتخضير.

من أجل زيادة تحسين كفاءة الإدارة الحرارية للبطارية في ظل ظروف الطاقة العالية وتقليل تعقيد الإدارة الحرارية ، يُقترح حل تقني ، وهو طريقة التحكم في درجة حرارة البطارية المباشرة والتبريد المباشر التي يتم فيها إرسال المبرد مباشرة إلى حزمة البطارية للتبادل الحراري.يوضح الشكل 3 تكوين إدارة حرارية للتبادل الحراري المباشر بين حزمة البطارية والمبرد. يمكن لتقنية التبريد المباشر تحسين كفاءة التبادل الحراري وسعة التبادل الحراري ، والحصول على توزيع أكثر اتساقًا لدرجة الحرارة داخل البطارية ، وتقليل الحلقة الثانوية وزيادة استرداد الحرارة المفقودة للنظام.وهذا بدوره يحسن أداء التحكم في درجة حرارة البطارية.ومع ذلك ، نظرًا لتكنولوجيا التبادل الحراري المباشر بين البطارية والمبرد ، فمن الضروري زيادة التبريد والحرارة من خلال عمل نظام المضخة الحرارية.من ناحية ، فإن التحكم في درجة حرارة البطارية مقيد ببدء وإيقاف نظام تكييف الهواء بمضخة الحرارة ، وله تأثير معين على أداء حلقة التبريد.من ناحية أخرى ، فإنه يحد أيضًا من استخدام مصادر البرودة الطبيعية في المواسم الانتقالية ، لذلك لا تزال هذه التقنية بحاجة إلى مزيد من البحث والتحسين وتقييم التطبيق.

3. اتجاه تطوير الإدارة الحرارية للمركبة الكهربائية

على الرغم من مقارنته بالمرحلة المبكرة ، فإن نظام الإدارة الحرارية الحالي للمركبات الكهربائية قد حقق تقدمًا كبيرًا من حيث التكامل وتوفير الطاقة والكفاءة العالية ، ولكن لا تزال هناك تحديات كبيرة في استبدال المبردات ، وتطوير أنظمة المضخات الحرارية في جميع المناخات ومناطق درجة الحرارة الواسعة ، والتحكم الذكي.

يركز البحث عن المبردات البديلة المحتملة وتطبيقها بشكل أساسي على R1234yf و CO2 و R290.الخصائص الفيزيائية الرئيسية لمواد التبريد المذكورة أعلاه موضحة في الجدول 4. تمتلك R1234yf خصائص ديناميكية حرارية مماثلة لمادة التبريد التقليدية R134a ، ومن السهل استبدال المبرد ، لكن السعر مرتفع نسبيًا.R290 و CO2 ، كمبردات طبيعية وصديقة للبيئة ، تتمتعان بميزة الأسعار المنخفضة نسبيًا.ثاني أكسيد الكربون غير سام وغير قابل للاشتعال وله ثبات حراري ممتاز.ولديها انزلاق كبير في درجة الحرارة عندما تطلق الحرارة في حالة فوق الحرجة ، لذلك فهي تتمتع بأداء تسخين ممتاز.يتميز نظام المضخة الحرارية R290 بأداء تبريد وتدفئة ممتاز.ومع ذلك ، نظرًا لأن R290 مادة تبريد قابلة للاشتعال ، فإن حل مخاطر السلامة الناجمة عن قابلية R290 للاشتعال هو القضية الرئيسية لتحقيق تطبيق نظام المضخة الحرارية R290 في السيارات الكهربائية.

الخصائص الحرارية لمبرد R1234yf و R134a قريبة جدًا ، ويمكن استخدام R1234yf مباشرةً لاستبدال نظام الإدارة الحرارية R134a ، لكن أداء النظام سينخفض ​​قليلاً.يتميز R1234yf بقابلية اشتعال ضعيفة ، ويمكن تقليل خطر الاحتراق عن طريق إضافة دائرة ثانوية.نظرًا لأسباب مثل براءات الاختراع وتكنولوجيا التوليف ، أصبح السعر المرتفع لـ R1234yf عقبة تقيد تعميمها وتطبيقها.

كمبرد طبيعي غير مكلف وصديق للبيئة.في الوقت الحاضر ، بدأ تطبيق نظام المضخة الحرارية لثاني أكسيد الكربون في السيارات الحقيقية ، ولكن لا تزال هناك مشاكل مثل قدرة التبريد غير الكافية في الصيف وكفاءة التدفئة المنخفضة في الظروف شديدة البرودة.الهدف الرئيسي من العمل في مجال البحث هو تحسين أداء أنظمة المضخات الحرارية لثاني أكسيد الكربون ، وخاصة تحسين أداء التبريد في بيئات درجات الحرارة المرتفعة.

R290 ، كمبرد طبيعي بديل محتمل آخر صديق للبيئة ، لديه أداء تبريد وتدفئة ممتاز.

من ناحية أخرى ، يمكن أن تتغلب المبردات المختلطة على قيود الخصائص الفيزيائية لمواد التبريد الطبيعية النقية ، وهي أيضًا أحد اتجاهات التطوير لأنظمة المضخات الحرارية المبردة الجديدة في المستقبل.

أصبح نظام الإدارة الحرارية الفعال والذكي للمركبات الكهربائية والراحة الحرارية لمقصورة الركاب الضمانات الرئيسية لتحسين جودة السفر.وفقًا لظروف القيادة المختلفة للمركبة نفسها ، سيتأرجح الحمل الحراري لكل نظام من أنظمة السيارة الكهربائية ديناميكيًا.علاوة على ذلك ، تستمر درجة اقتران النظام الحراري للسيارات الكهربائية في التعمق ، مما يضع متطلبات أعلى للتحكم في نظام الإدارة الحرارية.لذلك ، ستكون طريقة التحكم الذكية والمتكاملة والدقيقة هي طريقة التحكم لتقليل استهلاك طاقة السيارة وتحسين الراحة.

تتمثل طريقة التحكم التقليدية في نظام المضخة الحرارية في التحكم في كل كائن مستقل للإدارة الحرارية ومشغل الإدارة الحرارية من خلال التحكم في التبديل والتحكم PID وطرق أخرى.وفقًا للانحراف بين القيمة المحددة والقيمة الفعلية ، يتم الحفاظ على كل معلمة تحكم ضمن النطاق المحدد عن طريق ضبط المعلمات مثل سرعة الضغط ، وفتح صمام التمدد ، وطاقة السخان الكهربائي ، وطاقة مضخة الدوران ، وحجم هواء المروحة الإلكترونية.ومع ذلك ، مع تعميق تكامل الإدارة الحرارية ، يكون التحكم في PID عرضة لمشاكل مثل التجاوز أو التذبذب في عملية التحكم الديناميكي المعقدة.أثناء التسبب في زيادة استهلاك الطاقة ، يتم تقليل راحة القيادة.طريقة التحكم في نظام المضخات الحرارية المعقدة متعددة الفروع هي محور البحث الحالي لتكنولوجيا التحكم في نظام الإدارة الحرارية للمركبة الكهربائية.

من أجل ضمان الراحة الحرارية للسائق ، من الضروري التحكم في درجة حرارة ورطوبة مقصورة الركاب ضمن نطاق تقلب معقول.للتحكم في البيئة الحارة والرطبة في السيارة ، تتمثل طريقة التحكم التقليدية في التحكم في درجة الحرارة والرطوبة داخل السيارة عن طريق ضبط حجم إمداد الهواء ودرجة الحرارة على أساس مكافحة تعفير الزجاج الأمامي وضمان التشغيل الآمن من السيارة.يتم التحكم في البيئة.

فيما يتعلق بالإدارة الحرارية للمركبة ، لا تشمل الإدارة الحرارية لمقصورة الركاب الطريقة التقليدية لتكييف الهواء فحسب ، بل تشمل أيضًا طرقًا جديدة مثل تدفئة المقاعد ، والتي تم البحث عنها أيضًا والترويج لها.بالإضافة إلى طريقة الضبط النشط للإدارة الحرارية ، فإن تصميم هيكل عزل الجسم المعقول واختيار المواد يمكن أن يقلل أيضًا من تقلب البيئة الداخلية ويحسن الراحة الحرارية.بالإضافة إلى ذلك ، من المحتمل أن تتسبب بيئة القيادة المريحة لفترة طويلة في إجهاد السائق وتؤثر على سلامة القيادة.تجري أيضًا الأبحاث ذات الصلة حول نظام التحكم الذكي الذي يعمل على تحسين التركيز العقلي للسائق من خلال النفخ أو وسائل التحفيز الأخرى.

4. ملخص وتوقعات

تم تحسين نظام الإدارة الحرارية للمركبة الكهربائية من نظام تكييف الهواء التقليدي للسيارة بالوقود ، والانتقال تدريجياً إلى نظام المضخة الحرارية المناسب للسيارات الكهربائية.تختلف كائنات الإدارة الحرارية للسيارات الكهربائية عن مركبات الوقود ، وتشمل أيضًا أنظمة البطاريات وأنظمة المحركات.من خلال أداة التوصيل الكهربائية الثلاثة ، يتم تحسين درجة اقتران نظام الإدارة الحرارية للسيارة الكهربائية ودرجة تكامل المكونات باستمرار.

من أجل تحسين قابلية تطبيق السيارات الكهربائية في بيئات متعددة وزيادة نطاق المركبات الكهربائية المبحرة ، من الضروري تطوير أنظمة المضخات الحرارية التي يمكنها التكيف مع نطاقات درجات الحرارة الواسعة والظروف القاسية.

مع تزايد الطلب على جودة السفر ، من الضروري زيادة اهتمام الإدارة الحرارية بالراحة الحرارية لجسم الإنسان ، وتنفيذ استراتيجيات التحكم في تكنولوجيا الإدارة الحرارية الذكية والموجهة للناس واستراتيجيات التحكم.

في مواجهة متطلبات حماية البيئة الأكثر صرامة ، يجب أن نركز على البحث البديل لمواد التبريد الصديقة للبيئة.ومن خلال تطوير تقنيات مثل استعادة الحرارة المهدرة وتكميل الهواء النفاث ، تم الانتهاء من بناء نظام إدارة حراري للمركبة صديق للبيئة وموفر للطاقة وفعال.