電動化の流れにおける自動車用空調設備の開発
車両の電動化とインテリジェンスの波を受けて、電気自動車は急速に発展しました。 電気自動車の販売はここ数年で急速に伸びているが、依然として多くの消費者が「航続距離の不安」や「安全性の不安」に悩まされている。 航続距離の問題は、特に低温時に顕著になります。 電気自動車を低温で運転すると、ヒーター空調の使用やバッテリー性能の低下により、車両の航続能力が 40% 以上低下する可能性があります。 安全性の観点から、車内の電源機器のバッテリーと熱管理も特に重要です。 これらの問題を解決するには、より高性能な自動車用熱管理システムが必要です。 簡単に言うと、自動車の熱管理システムには、主に HVAC、バッテリーの熱管理、モーターの電子制御、高出力電気製品の熱管理などの関連部品が含まれています。
このうち、車両 HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning、HVAC) は、車内の暖房、換気、空調を担当するシステムまたは関連機器を指します。 具体的には、HVAC は主に、冷凍装置、加熱装置、ヒューマン マシン インターフェイス (HMI) などの関連コンポーネントに分かれています。
次に、HVAC の冷凍装置、加熱装置、HMI をそれぞれ見て、電気自動車用 HVAC の技術ソリューションと開発動向に焦点を当てます。
1. 冷凍装置
自動車用 HVAC の冷凍装置は一般的なエアコンと似ており、冷媒の圧縮、凝縮、膨張、蒸発の状態サイクルを利用して温度制御を行います。 熱伝達は主に冷媒の状態変化によって発生します。 上記の機能を担う冷凍ユニットの主なコンポーネントは、圧縮機、凝縮器、膨張弁、レシーバー/ドライヤー、蒸発器です。
図に示すように、液体冷媒は車室内から熱を吸収し、蒸発器で蒸発して気体になります。 次に、蒸気はコンプレッサーによって蒸発器から取り出され、蒸気を圧縮して圧力を高めます。 圧縮機で発生した高圧・高温の蒸気は、凝縮器で外気によって冷却され、凝縮されて高圧の液体となります。 液体は蒸発器に入る前に膨張弁内で膨張および減圧されます。 上記のプロセスは連続サイクルを構成します。 蒸発プロセスにより周囲の空気から熱が吸収され、冷却効果が得られ、冷気がファンを通じて車室内に吹き込まれます。
2. 加熱装置
内燃機関車両の場合、車両を冷却するよりも加熱する方が簡単です。 内燃機関は変換効率が低く（約30％）、動作時の発熱量が高くなります。 この熱は冷却液を通ってヒーターコアに流れ込み、簡単な制御により、制御可能な熱風をファンを通じて車室内に吹き込むことができます。 、車室内の温度を一定に保ちます。 このプロセスは非常に経済的かつ簡単で、内燃機関が作動している限り実行できます。 追加の燃料を必要とせず、燃料消費量も増加しません。 しかし、電気自動車の場合、暖房は比較的複雑な操作です。 現在、より主流の暖房ソリューションは PTC とヒート ポンプです。
PTC (正の温度係数、正の温度係数抵抗器) は、正の温度感度を持つ代表的な半導体抵抗器です。 通電すると発熱し、エアコンの暖房などに利用できます。 PTC に最初に電源を入れたとき、その抵抗は温度が上昇するにつれてゆっくりと減少する傾向を示します。つまり、室温での発熱量は低くなります。 温度がキュリー温度を超えると、その抵抗値は温度とともに減少します。 増加は段階的に増加しており、実際のパフォーマンスは自動的に動作を停止します。 加熱用のPTC素子として、自動定温機能により複雑な温度制御回路が不要になります。 電気自動車では、PTC は高電圧バッテリー パックから直接電力を供給され、その加熱状態はシンプルな PWM スイッチによって制御され、非常にシンプルで信頼性の高い加熱システムを実現します。
PTCはシンプルな構造、耐久性のある材料、優れた加熱効果という特徴を持っていますが、高電圧バッテリーパックから直接電力を供給されるシステム構造により、加熱プロセスが電気自動車の航続距離に影響を与えます。 研究によると、PTC を使用すると電気自動車のバッテリー寿命が約 24% 短縮されることがわかっています。
別の解決策はヒートポンプです。 抵抗素子の一種である PTC の COP (成績係数、加熱効率) の限界は 100% です。つまり、電気エネルギーは最大でも同量の熱エネルギーにしか変換できませんが、ヒート ポンプは同量の熱エネルギーに変換できます。 300% という高さです。 ヒートポンプの原理は家庭用エアコンと似ています。 エアコンの蒸発器と凝縮器では冷媒が四方弁を介して双方向に流れ、低位の熱源から高位の熱源に熱エネルギーを伝え、暖房または冷房の効果を実現します。 この「熱の伝達」 PTC モードと比較して、「熱を発生しない」プロセスは電気エネルギーを大幅に節約できるため、電気自動車の航続距離を効果的に延長し、電気自動車用 HVAC の重要な応用トレンドとなっています。
3.HMI
エンジンが車を動かし、車に命を与え、車のトランクであるとすれば、HMIは車に知恵と思考を与え、車の魂です。 したがって、HMI システム ソリューションは常に自動車 OEM によって評価されてきました。 OEM は、ドライバーと乗客に安全、柔軟、快適なナビゲーションとエンターテイメントの体験を提供する必要があります。 同時に、これは製品の差別化を形成する上で重要な要素でもあります。 近年、自動車の電動化と大手新動力自動車メーカーの推進により、HMIはスマートフォンの開発と同様に、集中化、画面化、インテリジェント化に向けて徐々に発展してきました。 多くの場合、HVAC は完全に独立した HMI インターフェイスを持たなくなり、他の機能と共有されます。