Sviluppo dell'HVAC automobilistico sotto la tendenza dell'elettrificazione
Sotto l’onda dell’elettrificazione e dell’intelligenza dei veicoli, i veicoli elettrici si sono sviluppati rapidamente. Le vendite di veicoli elettrici sono cresciute rapidamente negli ultimi anni, ma l’ansia per l’autonomia e la sicurezza preoccupa ancora molti consumatori. Il problema dell'autonomia è particolarmente evidente alle basse temperature. Quando un veicolo elettrico viene guidato a basse temperature, la capacità di crociera del veicolo può essere ridotta di oltre il 40% a causa dell'uso del riscaldatore dell'aria condizionata e della ridotta prestazione della batteria. Dal punto di vista della sicurezza, anche la batteria e la gestione termica degli apparecchi elettrici nell'auto sono particolarmente importanti. Per risolvere questi problemi è necessario un sistema di gestione termica automobilistica ad alte prestazioni. In poche parole, il sistema di gestione termica automobilistica comprende principalmente parti correlate come HVAC, gestione termica della batteria, controllo elettronico del motore e gestione termica degli apparecchi elettrici ad alta potenza.
Tra questi, l'HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria, HVAC) del veicolo si riferisce al sistema o alle apparecchiature correlate responsabili del riscaldamento, della ventilazione e del condizionamento dell'aria nel veicolo. Nello specifico, l'HVAC è principalmente suddiviso in componenti correlati come dispositivi di refrigerazione, dispositivi di riscaldamento e interfaccia uomo-macchina (HMI).
Successivamente, esamineremo rispettivamente il dispositivo di refrigerazione, il dispositivo di riscaldamento e l'HMI nell'HVAC e ci concentreremo sulle soluzioni tecniche e sulle tendenze di sviluppo dell'HVAC per i veicoli elettrici.
1. Dispositivo di refrigerazione
Il dispositivo di refrigerazione dell'HVAC automobilistico è simile al nostro comune condizionatore d'aria, che utilizza il ciclo di compressione, condensazione, espansione ed evaporazione del refrigerante per ottenere il controllo della temperatura. Il trasferimento di calore avviene principalmente attraverso i cambiamenti nello stato del refrigerante. I componenti principali di un'unità di refrigerazione responsabili delle funzioni di cui sopra sono il compressore, il condensatore, la valvola di espansione, il ricevitore/essiccatore e l'evaporatore.
Come mostrato nella figura, il refrigerante liquido assorbe il calore dall'abitacolo ed evapora allo stato gassoso nell'evaporatore. Il vapore viene quindi estratto dall'evaporatore da un compressore, che lo comprime per aumentarne la pressione. Il vapore ad alta pressione e temperatura generato dal compressore viene quindi raffreddato dall'aria esterna nel condensatore e condensato in un liquido ad alta pressione. Il liquido si espande e si decomprime nella valvola di espansione prima di entrare nell'evaporatore. Il processo di cui sopra costituisce un ciclo continuo. Il processo di evaporazione assorbe il calore dall'aria circostante per ottenere un effetto di raffreddamento e l'aria fredda viene immessa nell'abitacolo attraverso un ventilatore.
2. Dispositivo di riscaldamento
Per i veicoli con motore a combustione interna, è più facile riscaldare il veicolo che raffreddarlo. L'efficienza di conversione del motore a combustione interna è bassa (circa il 30%) e genera più calore durante il funzionamento. Questo calore fluisce nel nucleo del riscaldatore attraverso il liquido di raffreddamento e quindi, tramite un semplice controllo, l'aria calda controllabile può essere soffiata nell'abitacolo attraverso un ventilatore. , mantenendo costante la temperatura della cabina. Il processo è molto economico e semplice e può essere eseguito finché il motore a combustione interna è in funzione. Non richiede carburante aggiuntivo e non aumenterà il consumo di carburante. Ma per i veicoli elettrici, il riscaldamento è un’operazione relativamente complicata. Attualmente, le soluzioni di riscaldamento più diffuse sono PTC e pompe di calore.
PTC (Positive Temperature Coefficient, Positive Temperature Coefficient Resistor) è un tipico resistore a semiconduttore con sensibilità alla temperatura positiva. Quando energizzato, genererà calore, che può essere utilizzato per il riscaldamento dell'aria condizionata. Alla prima accensione del PTC la sua resistenza mostrerà un andamento lentamente decrescente all'aumentare della temperatura, ovvero il suo potere calorifico a temperatura ambiente è basso; quando la temperatura supera la temperatura di Curie, il suo valore di resistenza diminuirà con la temperatura. L'aumento è un aumento graduale e la prestazione effettiva è che smette automaticamente di funzionare. Essendo un elemento PTC per il riscaldamento, la sua funzione automatica di temperatura costante può eliminare la necessità di un complesso circuito di controllo della temperatura. Nei veicoli elettrici, il PTC è alimentato direttamente dal pacco batterie ad alta tensione, quindi il suo stato di riscaldamento è controllato da un semplice interruttore PWM per ottenere un sistema di riscaldamento molto semplice e affidabile.
Sebbene il PTC abbia le caratteristiche di una struttura semplice, materiali durevoli e un buon effetto riscaldante, la struttura del sistema alimentato direttamente da un pacco batterie ad alta tensione fa sì che il processo di riscaldamento influisca sull'autonomia di crociera dei veicoli elettrici. La ricerca mostra che l’uso del PTC ridurrà la durata della batteria dei veicoli elettrici di circa il 24%.
Un'altra soluzione è una pompa di calore. Essendo un tipo di elemento resistivo, il limite del COP (Coefficiente di prestazione, efficienza di riscaldamento) del PTC è del 100%, ovvero l'energia elettrica può essere convertita al massimo solo nella stessa quantità di energia termica, mentre una pompa di calore può essere altrettanto fino al 300%. Il principio di una pompa di calore è simile a quello di un condizionatore domestico. Il refrigerante scorre in modo bidirezionale nell'evaporatore e nel condensatore del condizionatore d'aria attraverso una valvola a quattro vie, trasferendo l'energia termica da una fonte di calore di basso livello a una fonte di calore di alto livello, ottenendo così l'effetto di riscaldamento o raffreddamento. Questo "trasferimento di calore" Rispetto alla modalità PTC, il processo che non "genera calore" può far risparmiare significativamente energia elettrica, estendendo così efficacemente l'autonomia di crociera dei veicoli elettrici e diventando un'importante tendenza applicativa dell'HVAC per i veicoli elettrici.
3. Interfaccia utente
Se il motore fa muovere l'auto, le dà vita ed è il bagagliaio dell'auto, allora l'HMI dà all'auto saggezza e pensiero, ed è l'anima dell'auto. Pertanto, le soluzioni dei sistemi HMI sono sempre state apprezzate dagli OEM automobilistici. Gli OEM devono offrire a conducenti e passeggeri esperienze di navigazione e intrattenimento sicure, flessibili e confortevoli. Allo stesso tempo, questo è anche un fattore importante nel modellare la differenziazione del prodotto. Negli ultimi anni, con l’elettrificazione delle automobili e la spinta dei principali produttori di auto nuove, l’HMI si è gradualmente sviluppato verso la centralizzazione, la schermatura e l’intelligenza, in modo simile allo sviluppo degli smartphone. Molte volte l'HVAC non ha più un'interfaccia HMI completamente indipendente, ma è condivisa con altre funzioni.
