تطوير أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء للسيارات في ظل اتجاه الكهرباء
في ظل موجة كهربة المركبات والذكاء، تطورت السيارات الكهربائية بسرعة. نمت مبيعات السيارات الكهربائية بسرعة في السنوات القليلة الماضية، لكن "القلق بشأن المدى" و"القلق على السلامة" لا يزالان يثيران قلق العديد من المستهلكين. تكون مشكلة نطاق الإبحار واضحة بشكل خاص في درجات الحرارة المنخفضة. عند قيادة السيارة الكهربائية في درجات حرارة منخفضة، قد تنخفض قدرة السيارة على السير بأكثر من 40% بسبب استخدام جهاز تكييف الهواء المدفأ وانخفاض أداء البطارية. من منظور السلامة، تعتبر البطارية والإدارة الحرارية لأجهزة الطاقة في السيارة أيضًا ذات أهمية خاصة. تتطلب هذه المشكلات نظامًا عالي الأداء لإدارة الحرارة في السيارات لحلها. ببساطة، يتضمن نظام الإدارة الحرارية للسيارات بشكل أساسي الأجزاء ذات الصلة مثل التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، والإدارة الحرارية للبطارية، والتحكم الإلكتروني في المحرك، والإدارة الحرارية للأجهزة الكهربائية عالية الطاقة.
من بينها، يشير HVAC (التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، HVAC) إلى النظام أو المعدات ذات الصلة المسؤولة عن التدفئة والتهوية وتكييف الهواء في السيارة. على وجه التحديد، ينقسم نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) بشكل أساسي إلى مكونات ذات صلة مثل أجهزة التبريد وأجهزة التدفئة وواجهة الإنسان والآلة (HMI).
بعد ذلك، سنلقي نظرة على جهاز التبريد وجهاز التسخين وHMI في HVAC على التوالي، ونركز على الحلول التقنية واتجاهات تطوير HVAC للسيارات الكهربائية.
1. جهاز التبريد
جهاز التبريد الخاص بنظام HVAC للسيارات يشبه مكيف الهواء الشائع لدينا، والذي يستخدم دورة الحالة لضغط المبرد، التكثيف، التمدد والتبخر لتحقيق التحكم في درجة الحرارة. يحدث انتقال الحرارة في المقام الأول من خلال التغيرات في حالة مادة التبريد. المكونات الرئيسية لوحدة التبريد المسؤولة عن الوظائف المذكورة أعلاه هي الضاغط والمكثف وصمام التمدد والمستقبل/المجفف والمبخر.
كما هو موضح في الشكل، يمتص سائل التبريد الحرارة من مقصورة الركاب ويتبخر إلى الحالة الغازية في المبخر. ثم يتم سحب البخار من المبخر بواسطة ضاغط، الذي يضغط البخار لزيادة ضغطه. يتم بعد ذلك تبريد البخار عالي الضغط ودرجة الحرارة المرتفعة الناتج عن الضاغط بواسطة الهواء الخارجي في المكثف ويتم تكثيفه إلى سائل عالي الضغط. يتمدد السائل ويخفف ضغطه في صمام التمدد قبل دخوله إلى المبخر. العملية المذكورة أعلاه تشكل دورة مستمرة. تمتص عملية التبخر الحرارة من الهواء المحيط لتحقيق تأثير التبريد، ويتم نفخ الهواء البارد إلى مقصورة الركاب من خلال المروحة.
2. جهاز التدفئة
بالنسبة للمركبات ذات محرك الاحتراق الداخلي، يكون تسخين السيارة أسهل من تبريدها. كفاءة التحويل لمحرك الاحتراق الداخلي منخفضة (حوالي 30%)، ويولد المزيد من الحرارة أثناء التشغيل. تتدفق هذه الحرارة إلى قلب المدفأة من خلال سائل التبريد، ومن ثم من خلال التحكم البسيط، يمكن نفخ الهواء الساخن الذي يمكن التحكم فيه إلى المقصورة من خلال مروحة. ، مع الحفاظ على ثبات درجة حرارة المقصورة. العملية اقتصادية وبسيطة للغاية ويمكن تنفيذها طالما أن محرك الاحتراق الداخلي يعمل. لا يتطلب وقودًا إضافيًا ولن يزيد من استهلاك الوقود. لكن بالنسبة للسيارات الكهربائية، تعتبر عملية التدفئة عملية معقدة نسبيًا. حاليًا، حلول التدفئة الأكثر شيوعًا هي PTC والمضخات الحرارية.
PTC (معامل درجة الحرارة الإيجابية، مقاوم معامل درجة الحرارة الإيجابية) هو مقاوم نموذجي لأشباه الموصلات مع حساسية إيجابية لدرجة الحرارة. عند تنشيطه، فإنه سوف يولد الحرارة، والتي يمكن استخدامها لتدفئة تكييف الهواء. عندما يتم تشغيل PTC لأول مرة، ستظهر مقاومتها اتجاهًا متناقصًا ببطء مع زيادة درجة الحرارة، أي أن قيمتها الحرارية في درجة حرارة الغرفة منخفضة؛ عندما تتجاوز درجة الحرارة درجة حرارة كوري، فإن قيمة مقاومتها تنخفض مع درجة الحرارة. الزيادة هي زيادة تدريجية، والأداء الفعلي هو أنه يتوقف عن العمل تلقائيًا. كعنصر PTC للتدفئة، فإن ميزة درجة الحرارة الثابتة التلقائية يمكن أن تلغي الحاجة إلى دائرة معقدة للتحكم في درجة الحرارة. في السيارات الكهربائية، يتم تشغيل PTC مباشرة بواسطة حزمة البطارية ذات الجهد العالي، ومن ثم يتم التحكم في حالة التسخين الخاصة بها بواسطة مفتاح PWM بسيط لتحقيق نظام تسخين بسيط جدًا وموثوق.
على الرغم من أن PTC تتميز بخصائص الهيكل البسيط والمواد المتينة وتأثير التسخين الجيد، إلا أن هيكل النظام الذي يتم تشغيله مباشرة بواسطة حزمة بطارية عالية الجهد يتسبب في تأثير عملية التسخين على نطاق إبحار المركبات الكهربائية. تظهر الأبحاث أن استخدام تقنية PTC سيقلل من عمر بطارية السيارات الكهربائية بنسبة 24% تقريبًا.
الحل الآخر هو المضخة الحرارية. كنوع من العناصر المقاومة، يبلغ الحد الأقصى لـ PTC's COP (معامل الأداء وكفاءة التسخين) 100%، أي أنه لا يمكن تحويل الطاقة الكهربائية إلا إلى نفس الكمية من الطاقة الحرارية على الأكثر، في حين يمكن أن تكون المضخة الحرارية كما يلي: تصل إلى 300%. يشبه مبدأ المضخة الحرارية مبدأ مكيف الهواء المنزلي. يتدفق سائل التبريد بشكل ثنائي الاتجاه في المبخر والمكثف لمكيف الهواء من خلال صمام رباعي الاتجاه، حيث ينقل الطاقة الحرارية من مصدر حرارة منخفض المستوى إلى مصدر حرارة عالي المستوى، وبالتالي تحقيق تأثير التدفئة أو التبريد. "نقل الحرارة" هذا بالمقارنة مع وضع PTC، يمكن للعملية غير "توليد الحرارة" أن توفر الطاقة الكهربائية بشكل كبير، وبالتالي توسيع نطاق إبحار المركبات الكهربائية بشكل فعال وتصبح اتجاهًا مهمًا لتطبيق التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) للسيارات الكهربائية.
3. واجهة المستخدم البشرية
إذا كان المحرك هو الذي يجعل السيارة تتحرك، ويعطي الحياة للسيارة، وهو صندوق السيارة، فإن HMI يمنح السيارة الحكمة والفكر، وهو روح السيارة. لذلك، كانت حلول نظام HMI موضع تقدير دائمًا من قبل مصنعي المعدات الأصلية للسيارات. يجب على مصنعي المعدات الأصلية تزويد السائقين والركاب بتجارب ملاحة وترفيه آمنة ومرنة ومريحة. وفي الوقت نفسه، يعد هذا أيضًا عاملاً مهمًا في تشكيل تمايز المنتجات. في السنوات الأخيرة، مع كهربة السيارات ودفع الشركات المصنعة الكبرى لسيارات الطاقة الجديدة، تطورت واجهة HMI تدريجيًا نحو المركزية والفرز والذكاء، على غرار تطوير الهواتف الذكية. في كثير من الأحيان، لم تعد أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) تحتوي على واجهة HMI مستقلة تمامًا، ولكن تتم مشاركتها مع وظائف أخرى.