電気自動車の開発の歴史熱の
管理技術
車両の熱管理は、電気自動車開発の中核技術の 1 つであり、客室の温度と湿度の環境制御、電力システムの温度制御、ガラスの防曇と曇り取りなどの多目標管理が含まれます。システム アーキテクチャと統合度に応じて、電気自動車の熱管理の開発は、図 1 に示すように 3 つの段階にまとめられます。電気加熱と組み合わせた単一冷却から、電気補助加熱と組み合わせたヒート ポンプ、そして広い温度ゾーンの段階的な結合まで車両熱管理を備えたヒートポンプ、電気自動車の車両熱管理技術は、高度に統合されたインテリジェントな方向に徐々に発展しており、広い温度範囲で、地域的および極端な条件下での環境適応能力が徐々に向上しています。
Ⅰ第一段PTC加熱
電気自動車の産業化の初期段階では、基本的にバッテリーやモーターなどの電力システムをコア技術として置き換えて開発されました。 キャビンの空調、窓の曇り止め、パワーコンポーネントの温度制御などの補助システムは、従来の燃料車両の熱管理技術に基づいていました。 段階的な改善を基本としています。 純粋な電気自動車用エアコンと燃料自動車用エアコンはどちらも、蒸気圧縮サイクルを通じて冷凍機能を実現します。 両者の違いは、燃料自動車のエアコン コンプレッサーはベルトを介してエンジンによって間接的に駆動されるのに対し、純粋な電気自動車は電気駆動コンプレッサーを直接使用して冷凍装置を駆動することです。 サイクル。 冬に燃料自動車を暖房する場合、追加の熱源を必要とせずに、エンジンの廃熱を直接利用して客室を暖房します。 しかし、純粋な電気自動車のモーター廃熱では、冬の暖房ニーズを満たすことができません。 したがって、冬の暖房は純粋な電気自動車が解決する必要がある問題です。
電気自動車が正常に走行しているときは、動力用バッテリーが放電して発熱し、温度が上昇するため、バッテリーを冷却する必要があります。 バッテリーの冷却方法には主に空冷、液冷、相変化材料冷却、ヒートパイプ冷却などがあります。 空冷は構造が単純でコストが低く、メンテナンスが容易なため、初期の電気自動車に広く採用されました。 この段階での熱管理の主な形式は、それぞれの独立したサブシステムが熱管理のニーズを満たすというものです。
Ⅱヒートポンプ技術応用第２段階
実際の使用では、電気自動車は冬場の暖房のためのエネルギー需要が高くなります。 熱力学的観点から見ると、PTC 加熱の COP は常に 1 未満であるため、PTC 加熱の消費電力が高く、エネルギー利用率が低くなり、電気自動車が大幅に制限されます。 マイレージ。 ヒートポンプ技術は、蒸気圧縮サイクルを使用して環境中の低品位熱を利用します。 暖房時の理論上の COP は 1 より大きくなります。したがって、PTC の代わりにヒート ポンプ システムを使用すると、暖房条件下での電気自動車の航続距離を延ばすことができます。
しかし、低温環境では従来のヒートポンプシステムの暖房能力が大幅に低下し、低温環境での電気自動車の暖房ニーズを満たすことができません。 補助加熱には追加のヒーターが必要です。 そのため、ヒートポンプとPTC補助熱による暖房方式が、冬季の低温環境における電気自動車の重要な暖房方式となっています。 客室暖房の主な方法。 動力電池の容量と出力がさらに増加すると、動力電池の動作時の熱負荷も徐々に増加します。 従来の空冷構造ではパワーバッテリーの温度制御ニーズを満たすことができないため、バッテリーの温度制御には液冷が主流となっています。
また、人体が要求する快適な温度はパワーバッテリーが正常に動作する温度と似ているため、車室内の熱交換器を並列に接続することで、車室内とパワーバッテリーの冷却ニーズをそれぞれ満たすことができます。ポンプシステム。 パワーバッテリーの熱は熱交換器や二次冷却を通じて間接的に奪われ、電気自動車の車両全体の熱管理システムの統合度が向上しました。 統合度は向上しましたが、現段階の熱管理システムはバッテリー冷却と客室冷却を一時的に統合しただけであり、バッテリーとモーターの廃熱は有効利用されていません。
Ⅲ広温度帯ヒートポンプと車両の熱マネジメントの統合技術の開発
従来のヒートポンプエアコンは暖房効率が低く、極寒の環境では暖房能力が不足するため、電気自動車の適用シーンが限られていました。 したがって、低温条件下でヒートポンプエアコンの性能を向上させる一連の方法が開発され、適用されてきました。 二次熱交換回路を合理的に追加することで、パワーバッテリーとモーターシステムを冷却しながら、残りの熱を再利用して、低温条件下での電気自動車の暖房能力を高めます。 実験結果は、廃熱回収ヒートポンプエアコンの暖房能力が従来のヒートポンプエアコンと比較して大幅に増加することを示しています。
しかし、周囲温度が低くなり廃熱回収量が少なくなると、廃熱回収だけでは低温環境下での暖房能力需要を賄いきれなくなります。 上記の状況でも加熱能力の不足を補うために PTC ヒーターを使用する必要があります。 しかし、路面電車の熱管理の統合が徐々に改善され、モーターが発生する熱を合理的に増やすことで廃熱回収量を増やすことができ、それによってヒートポンプシステムの暖房能力とCOPが向上し、ヒートポンプシステムの使用を回避できます。 PTCヒーターのこと。 これにより、低温環境における電気自動車の暖房ニーズを満たしながら、熱管理システムの占有スペースがさらに削減されます。
バッテリーやモーターシステムからの廃熱をリサイクルすることに加えて、戻り空気の利用は、低温条件下での熱管理システムのエネルギー消費を削減する方法でもあります。 研究結果によると、低温環境では、適切な還気利用対策を講じることで、車の窓の曇りや霜を回避しながら、電気自動車に必要な暖房エネルギーを 46% ～ 62% 削減でき、室温での暖房エネルギー消費量を約 40% 削減できることが示されています。ほとんど。 。 日本デンソーはまた、同様の二重層還気/外気構造を開発しました。これにより、曇りを防ぎ、換気による熱損失を30％削減できます。 現段階では、極限条件下での電気自動車の熱管理の環境適応性は徐々に向上しており、統合とグリーン化の方向に発展しています。
高出力条件下でのバッテリーの熱管理効率をさらに向上させ、熱管理の複雑さを軽減するために、冷媒をバッテリーパックに直接送って熱交換を行う直接冷却および直接加熱のバッテリー温度制御方法も主流になっています。技術的な解決策。 バッテリーパックと冷媒間の直接熱交換の熱管理構成を図 5 に示します。直接冷却技術により、熱交換効率と熱伝達が向上し、バッテリー内部の温度分布がより均一になり、二次ループが削減され、システムの無駄が増加します。熱を回収し、バッテリーの温度制御性能を向上させます。 しかし、バッテリーと冷媒との直接熱交換技術では、冷却熱を高めるためにヒートポンプシステムが必要となる一方で、バッテリーの温度制御はヒートポンプ空調システムの起動と停止によって制限されます。冷媒ループの性能に一定の影響を与えます。 また、移行期における自然冷熱源の使用も制限されるため、この技術にはさらなる研究の改善と応用評価がまだ必要です。
