Razvoj avtomobilske HVAC v skladu s trendom elektrifikacije
Pod valom elektrifikacije vozil in inteligence so se električna vozila hitro razvila. Prodaja električnih vozil je v zadnjih nekaj letih hitro narasla, vendar številne potrošnike še vedno mučita "strah glede dosega" in "varnostna zaskrbljenost". Problem dosega je še posebej očiten pri nizkih temperaturah. Ko se električno vozilo vozi pri nizkih temperaturah, se lahko zmogljivost vozila zmanjša za več kot 40 % zaradi uporabe grelnika klimatske naprave in zmanjšane zmogljivosti baterije. Z varnostnega vidika je še posebej pomembno tudi upravljanje baterije in toplote električnih naprav v avtomobilu. Za rešitev teh težav je potreben zmogljivejši avtomobilski sistem za upravljanje toplote. Preprosto povedano, avtomobilski sistem toplotnega upravljanja vključuje predvsem povezane dele, kot so HVAC, toplotno upravljanje baterije, elektronsko krmiljenje motorja in toplotno upravljanje močnih električnih naprav.
Med njimi se HVAC vozila (ogrevanje, prezračevanje in klimatizacija, HVAC) nanaša na sistem ali povezano opremo, ki je odgovorna za ogrevanje, prezračevanje in klimatizacijo v vozilu. Natančneje, HVAC je v glavnem razdeljen na povezane komponente, kot so hladilne naprave, grelne naprave in vmesnik človek-stroj (HMI).
Nato si bomo ogledali hladilno napravo, grelno napravo in HMI v HVAC oziroma ter se osredotočili na tehnične rešitve in trende razvoja HVAC za električna vozila.
1. Hladilna naprava
Hladilna naprava avtomobilskega HVAC je podobna naši običajni klimatski napravi, ki za nadzor temperature uporablja cikel stanja kompresije, kondenzacije, ekspanzije in izhlapevanja. Prenos toplote poteka predvsem s spremembami stanja hladilnega sredstva. Glavni sestavni deli hladilne enote, odgovorni za zgornje funkcije, so kompresor, kondenzator, ekspanzijski ventil, sprejemnik/sušilnik in uparjalnik.
Kot je prikazano na sliki, tekoče hladilno sredstvo absorbira toploto iz potniškega prostora in izhlapeva v plinasto stanje v uparjalniku. Hlape nato potegne iz uparjalnika kompresor, ki stisne paro, da poveča njen tlak. Visokotlačna in visokotemperaturna para, ki jo ustvari kompresor, se nato ohladi z zunanjim zrakom v kondenzatorju in kondenzira v visokotlačno tekočino. Tekočina se v ekspanzijskem ventilu razširi in razbremeni, preden vstopi v uparjalnik. Zgornji postopek predstavlja neprekinjen cikel. Postopek izhlapevanja absorbira toploto iz okoliškega zraka, da se doseže hladilni učinek, hladen zrak pa se skozi ventilator vpihuje v potniški prostor.
2. Grelna naprava
Pri vozilih z motorjem z notranjim zgorevanjem je vozilo lažje ogreti kot ohladiti. Izkoristek pretvorbe motorja z notranjim zgorevanjem je nizek (približno 30 %), med delovanjem pa proizvaja več toplote. Ta toplota teče v jedro grelnika skozi hladilno tekočino, nato pa se lahko s preprostim krmiljenjem nadzorovan vroč zrak preko ventilatorja vpihuje v kabino. , ki ohranja konstantno temperaturo v kabini. Postopek je zelo ekonomičen in preprost in se lahko izvaja, dokler motor z notranjim zgorevanjem deluje. Ne potrebuje dodatnega goriva in ne poveča porabe goriva. Toda pri električnih vozilih je ogrevanje razmeroma zapletena operacija. Trenutno so bolj razširjene rešitve ogrevanja PTC in toplotne črpalke.
PTC (Positive Temperature Coefficient, Positive Temperature Coefficient Resistor) je tipičen polprevodniški upor s pozitivno temperaturno občutljivostjo. Ko je pod napetostjo, bo proizvajal toploto, ki jo je mogoče uporabiti za ogrevanje klimatske naprave. Ko je PTC prvič vklopljen, bo njegov upor počasi padal, ko se temperatura zvišuje, to pomeni, da je njegova kalorična vrednost pri sobni temperaturi nizka; ko temperatura preseže Curiejevo temperaturo, se vrednost upora zmanjša s temperaturo. Povečanje je postopno povečanje, dejanska zmogljivost pa je, da samodejno preneha delovati. Kot element PTC za ogrevanje lahko njegova samodejna funkcija konstantne temperature odpravi potrebo po zapletenem vezju za nadzor temperature. V električnih vozilih se PTC neposredno napaja iz visokonapetostnega paketa baterij, nato pa se njegovo stanje ogrevanja nadzoruje s preprostim stikalom PWM, da se doseže zelo preprost in zanesljiv ogrevalni sistem.
Čeprav ima PTC značilnosti preproste strukture, trpežnih materialov in dobrega ogrevalnega učinka, struktura sistema, ki ga neposredno napaja visokonapetostni baterijski sklop, povzroči, da proces ogrevanja vpliva na doseg električnih vozil. Raziskave kažejo, da bo uporaba PTC skrajšala življenjsko dobo baterije električnih vozil za približno 24 %.
Druga rešitev je toplotna črpalka. Kot vrsta uporovnega elementa je meja PTC-jevega COP (koeficient učinkovitosti, učinkovitost ogrevanja) 100 %, kar pomeni, da se lahko električna energija pretvori največ v enako količino toplotne energije, medtem ko je toplotna črpalka lahko kot kar 300 %. Načelo delovanja toplotne črpalke je podobno kot pri gospodinjski klimatski napravi. Hladilno sredstvo teče dvosmerno v uparjalniku in kondenzatorju klimatske naprave preko štiripotnega ventila, s čimer prenaša toplotno energijo iz nizkega izvora toplote na višji vir toplote, s čimer se doseže učinek ogrevanja ali hlajenja. Ta "prenos toplote" V primerjavi z načinom PTC lahko proces brez "proizvajanja toplote" znatno prihrani električno energijo, s čimer se učinkovito razširi doseg električnih vozil in postane pomemben trend uporabe HVAC za električna vozila.
3. HMI
Če motor omogoča premikanje avtomobila, daje avtomobilu življenje in je prtljažnik avtomobila, potem HMI daje avtomobilu modrost in misel ter je duša avtomobila. Zato so proizvajalci originalne opreme za avtomobile vedno cenili sistemske rešitve HMI. Proizvajalci originalne opreme morajo voznikom in potnikom zagotoviti varno, prilagodljivo in udobno navigacijo in zabavo. Hkrati je to tudi pomemben dejavnik pri oblikovanju diferenciacije izdelkov. V zadnjih letih se je z elektrifikacijo avtomobilov in velikimi novimi proizvajalci močnih avtomobilov HMI postopoma razvil v smeri centralizacije, ekranizacije in inteligence, podobno kot pri razvoju pametnih telefonov. Velikokrat HVAC nima več popolnoma neodvisnega vmesnika HMI, ampak je v skupni rabi z drugimi funkcijami.
