Управління тепловим режимом в електромобілі

Зважаючи на обмежену ємність акумуляторів, ефективне кондиціювання повітря та охолодження силових установок є особливо важливим. Тут ми пояснюємо, як інноваційні системи терморегулювання можуть допомогти електромобілям зробити значний крок вперед.

Нові технології регулярно струшують ринок мобільності та створюють нові виклики для автомайстерень. Кожен, хто вивчав тему терморегулювання електрифікованих транспортних засобів, знає, що система має значний вплив на запас ходу. Складна система терморегулювання (TMS) може ефективно збільшити запас ходу, спеціально передаючи тепло і холод туди, де вони потрібні в даний момент.

Терморегулювання приводних систем

Гібридний автомобіль (HEV = Hybrid Electric Vehicle) поєднує в собі електричну та традиційну систему приводу та енергії. Транспортний засіб оснащений як двигуном внутрішнього згоряння, так і електродвигуном. Під час запуску та прискорення електродвигун підтримує двигун внутрішнього згоряння, а під час гальмування слугує генератором.

Енергія гальмування перетворюється в електричну енергію і зберігається в високовольтній батареї. Якщо використовується акумулятор більшої ємності, який можна заряджати від мережі, він називається плагін-гібридом (PHEV = Plug-in Hybrid Electric Vehicle).

Привод з розширювачем діапазону (REEV = Range Extended Electric Vehicle) також схожий на звичайний гібридний привод. При необхідності двигун внутрішнього згоряння працює як генератор, виробляючи енергію для електродвигуна, яка використовується для зарядки високовольтної батареї, забезпечуючи таким чином більший запас ходу, незважаючи на меншу ємність акумулятора.

У вищезгаданих системах приводу багато користі можна отримати від системи охолодження двигуна внутрішнього згоряння. Це пов’язано з тим, що високі температури виникають там, де протікає велика кількість енергії, яку потрібно перетворити. За допомогою певних доповнень до системи охолодження можна регулювати температуру в заданому діапазоні.

Транспортні засоби з електричним приводом (BEV = Battery Electric Vehicle) мають незалежну систему терморегулювання. Енергія, необхідна для руху, надходить виключно від високовольтної батареї, яка повинна заряджатися від електромережі.

Електромобілі на паливних елементах (FCEV), в яких електроенергія для електродвигуна виробляється безпосередньо в транспортному засобі, також мають незалежну систему терморегулювання. У паливному елементі хімічна енергія водню перетворюється в електричну енергію.

Електрифікація силової установки тягне за собою розширення систем терморегулювання, які і без того є дуже складними в сучасних двигунах внутрішнього згоряння. Якщо раніше основним завданням було узгодження передачі  тепла і холоду від двигуна внутрішнього згоряння до пасажирського салону та його динамічне планування, тобто відповідно до потреб, то тепер усі системи повинні працювати, охолоджуватися або нагріватися на своїх часто досить різних температурних рівнях таким чином, щоб досягти синергетичного ефекту за рахунок узгодженої роботи різних контурів охолодження та опалення.

Мета: підвищити ефективність і, таким чином, збільшити запас ходу електромобіля. В електрифікованих транспортних засобах система розширюється насамперед до високовольтної батареї, силової електроніки та електроприводу. З іншого боку, в контур охолодження можуть бути інтегровані додаткові компоненти системи, такі як гібридний стартер-генератор, високовольтний компресор холодоагенту або високовольтний індукційний нагрівач.

Як і двигун внутрішнього згоряння, електродвигун не повинен перевищувати певний температурний діапазон під час роботи.

Важливим компонентом електрифікованого приводу є електродвигун. Численні канали охолодження в корпусі електродвигуна вказують на те, скільки тепла може виділятися під час роботи і повинно відводитися

Для цього електродвигун зазвичай контролюється одним або декількома датчиками температури, які працюють як змінний резистор з від’ємним температурним коефіцієнтом (NTC). Чим тепліше стає NTC, тим нижче його опір. Визначаючи температуру охолоджувальної рідини на виході з електродвигуна, силова електроніка порівнює сигнали із заданими значеннями. Якщо вони перевищують певний діапазон, потужність електродвигуна може бути зменшена, залежно від системи, щоб захистити компоненти від пошкодження.

Управління тепловим режимом акумулятора

В електрифікованих транспортних засобах високовольтна батарея є ключовим компонентом системи приводу. Система управління тепловим режимом має величезний вплив на енергоефективність високовольтної батареї, оскільки запас ходу також залежить від теплового навантаження. Залежно від використовуваної технології, тобто складу елементів батареї, температурне цільове вікно може змінюватися. Термочутливі літій-іонні елементи можуть бути інтегровані в систему кондиціонування повітря автомобіля, щоб запобігти значному прискоренню процесу старіння при температурі вище 35 градусів Цельсія. Температура вище 40 градусів Цельсія вже може призвести до незворотних пошкоджень.

Навіть при дуже низьких температурах продуктивність, а отже, і ефективність значно знижується. На додаток до системи управління тепловим режимом, місце встановлення високовольтної батареї відіграє важливу роль, яку не можна недооцінювати. Наприклад, якщо високовольтна батарея встановлена під транспортним засобом, запас ходу може значно зменшитися при температурі нижче нуля. У робочому стані відбувається велика кількість короткочасних навантажень, під час яких необхідно перетворити велику кількість енергії. Підвищення температури є результатом фаз розгону і гальмування, під час яких потік струму повинен подолати внутрішній опір елементів. Для того, щоб забезпечити підтримку заданих температур і в робочому стані, розробляються все більш складні конструкції для нагрівання та охолодження елементів батареї.

Відкрита високовольтна батарея з демонтованими охолоджувальними пластинами. Вони покривають всі світлі смуги, щоб відводити тепло окремих елементів батареї до охолоджувальної рідини.

Рідинне охолодження наразі не є найбільш гнучким та ефективним методом, але воно дуже схоже на систему охолодження звичайних автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння. Однак за допомогою так званого чилера (охолоджувача) ефективність можна значно підвищити, додавши до рідинного контуру ще контур холодоагенту.

Приклад архітектури електронного приводу:

1 Блок радіаторів, 2 Компресор кондиціонера, 3 Електродвигун з силовою електронікою, 4 Теплообмінник, 5 Акумуляторна батарея, 6 Розширювальний бак, 7 Блок приводу, 8 Регулюючий клапан

Для того, щоб мати можливість відводити тепло від батареї, у високовольтній батареї є охолоджувальні пластини, які омиваються охолоджувальною рідиною. Якщо ступінь охолодження за допомогою рідинного охолодження більше не є достатнім, можна ввімкнути контур охолодження за допомогою холодоагенту (чилер) і відрегулювати ефективність за допомогою розширювального клапана з електричним керуванням. За допомогою компресора холодоагенту він функціонує як теплообмінник, оскільки контур холодоагенту системи кондиціонування відбирає тепло з контуру охолодження високовольтної батареї.

Теплообмінні пластини: окремі елементи з відповідними трубопроводами. Два великих з’єднання на пластинах 1 і 4 є з’єднувальними фітингами для входу і виходу охолоджувальної рідини.

Охолодження батареї за допомогою холодоагенту є найбільш компактним рішенням і тому особливо підходить для невеликих транспортних засобів. Через охолоджувальні пластини холодоагент може розсіювати тепло через термічні компоненти, які безпосередньо контактують з літій-іонними елементами.

Випарник батареї підключений паралельно до основного випарника і не залежить від системи кондиціонування салону.

Завдяки повітряному охолодженню задана температура високовольтної батареї контролюється за допомогою навколишнього повітря з пасажирського салону. Для цього використовується двигун вентилятора, який може бути інтегрований в корпус батареї високого тиску. Система керування батареєю (BMS) контролює рівні швидкості в залежності від необхідної швидкості повітряного потоку за так званим принципом EVA. EVA – це абревіатура, що означає “вхід, обробка, вихід” і описує основний режим роботи блоку управління. Тут інформація з датчиків зчитується і передається на блок керування. Блок керування обробляє інформацію та керує виконавчими механізмами.

В представленій високовольтній батареї використовується літій-полімерна технологія, де достатньо повітряного охолодження. З лівого боку видно корпус двигуна вентилятора, який працює з напругою 12 В

Щоб розширити систему охолодження повітря, в систему кондиціонування можна інтегрувати додатковий випарник. Тоді він розташовується безпосередньо перед повітрозабірником батареї високого тиску і витягує тепло з повітря, що надходить.

Порівняно з рідинним охолодженням і з огляду на кількість необхідної енергії, повітряне охолодження не таке ефективне, особливо в літні місяці. Однак його принципово енергозберігаючий режим роботи слід розглядати позитивно. Насправді, ідеальний температурний діапазон високовольтної батареї знаходиться в межах того ж діапазону, в якому людина відчуває себе комфортно. Для досягнення максимальних електричних характеристик і тривалого терміну служби батареї підтримка цього температурного діапазону надзвичайно важлива. Те, як саме він визначається, залежить від використовуваних приводних систем, допоміжних пристроїв і самої технології акумулятора.

Для охолодження батареї високого тиску за необхідності можна також використовувати чиллер – теплообмінник високого тиску. Тепло відбирається від теплоносія за рахунок випаровування холодоагенту.

Допоміжні пристрої

Силова електроніка виконує різноманітні завдання в високовольтній системі і, таким чином, відповідає за контроль і регулювання різних компонентів високовольтної системи. Одним з основних завдань є перетворення і передача електричної енергії між високовольтними компонентами. Наприклад, двонаправлений DC/AC перетворювач перетворює постійну напругу від високовольтної батареї в трифазну змінну напругу для керування електродвигуном.

Залежно від дорожньої ситуації, електродвигун може працювати як генератор. У цьому випадку силова електроніка перетворює трифазну напругу змінного струму в постійну напругу, яку можна подавати на високовольтну батарею для її зарядки. Через великий потік енергії виникають високі температури, які можна відвести через кілька контурів охолодження за допомогою електричних водяних насосів і різних клапанів до теплообмінника. Подібно до сучасних двигунів внутрішнього згоряння, надлишкове тепло подається туди, де воно необхідне, або розсіюється в навколишнє повітря.

Високотемпературний і низькотемпературний контури можна розпізнати по двом розширювальним бачкам

Кондиціонування повітря в пасажирському салоні

Для того, щоб відповідати вимогам комфорту в салоні, система управління тепловим режимом повинна набагато точніше регулювати теплові потоки високовольтних компонентів, оскільки використання відпрацьованого тепла набагато нижче через відсутність двигуна внутрішнього згоряння. Тому салон обігрівається або охолоджується за допомогою систем, що працюють виключно на електриці. Кожен використаний для цього джоуль енергії надходить від високовольтної батареї і витрачається за рахунок запасу ходу. Оптимальне використання відпрацьованого тепла від електродвигуна та силової електроніки, а також контрольована рециркуляція повітря з осушенням повітря можуть значно зменшити потреби в опаленні та охолодженні пасажирського салону. Особливо в зимові місяці варіанти реалізації вимог до комфорту в салоні виявляються справжніми пожирачами енергії. Оскільки нагрівання за допомогою охолоджувальної рідини потребує багато часу, щоб стати ефективним, так звані нагрівачі повітря HV PTC встановлюються в систему опалення, щоб швидше нагріти пасажирський салон. PTC-елементи також називають PTC-термісторами, оскільки їхній опір збільшується зі зростанням температури. Система працює подібно до фена для волосся і має перевагу в тому, що теплова енергія може бути спрямована в потік повітря до пасажирського салону негайно.

Повітронагрівачі HV PTC (високовольтні опори з позитивним температурним коефіцієнтом) розміщуються в повітропроводі опалювального приладу.

На додаток до високовольтних нагрівачів повітря PTC можна також встановити високовольтні індукційні нагрівачі, які можуть генерувати безступінчато регульовану теплову потужність до 7 кіловат за принципом індукції, подібно до кухонних плит.

Високочастотний змінний струм від 250 до 450 вольт генерує змінне магнітне поле за допомогою індукційної котушки. Це індукує електричні вихрові струми в нагрівальних пластинах, що оточують котушку. Завдяки омічному опору ці вихрові струми нагрівають нагрівальні пластини, які розташовані безпосередньо в охолоджувальній рідині, і таким чином нагрівають її.

Циліндричні нагрівальні пластини і змійовик розташовані таким чином, що охолоджуюча рідина повністю обтікає їх. Оскільки вся нагрівальна пластина нагрівається індуктивно і тепло передається безпосередньо охолоджувальній рідині, велика площа поверхні для максимальної тепловіддачі може бути реалізована в невеликому монтажному просторі; це забезпечує компактну конструкцію.

Електроніка та водяний контур повністю роз’єднані і не мають прямого сполучення. Індукційна котушка повністю ізольована. Металевий корпус використовується для підключення зрівнювального провідника, як і в інших високовольтних компонентах. Завдяки індуктивній передачі енергії нагрівальні пластини не контактують з високою напругою.

Альтернативний тепловий насос

Щоб досягти бажаного рівня температури, контур холодоагенту теплового насоса збирає тепло, що виділяється високовольтними компонентами електричного приводу. Тепловий насос працює дуже ефективно. Наприклад, він може досягти теплової потужності до трьох кіловат при споживанні одного кіловата електроенергії. Ця розробка зараз використовується все більше і більше і витісняє звичайні допоміжні обігрівачі, які обігрівають салон гібридного автомобіля або електромобіля лише з половинною ефективністю. Систему можна порівняти з домашнім холодильником, який виробляє холод всередині, а тепло, що утворюється при цьому, виходить на кухню. Це замкнутий контур з компресором, ресивером, випарником, конденсатором, різними трубками, датчиками і клапанами.

Терморегулювання в електромобілі Renault ZOE.

1 Зовнішній теплообмінник/випарник, 2 Електричний компресор, 3 Розширювальний бачок, 4 Внутрішній теплообмінник/конденсатор, 5 Внутрішній теплообмінник/випарник, 6 Розширювальний клапан, 7 Блок керування кліматом, 8 Блок керування тепловим насосом, 9 Внутрішній вентилятор, 10 Електричні перемикальні клапани.

Система не тільки дуже схожа на звичайну систему кондиціонування повітря за своєю базовою структурою, але й агрегатний стан холодоагенту також ідентичний, рідкий або газоподібний.

Багато трубок, що передають тепло, зараз прикрашають моторний відсік електромобілів. Це характерно для використання теплових насосів. Алюмінієві трубопроводи системи кондиціонування повітря ведуть до пасажирського салону у подвійному виконанні.

Під час утримання тепла повітря спочатку охолоджується і таким чином осушується, а потім знову нагрівається. Конденсатор забезпечує пасажирський салон теплом, яке було поглинуто холодоагентом під час охолодження повітря. За необхідності система може також використовувати відпрацьоване тепло від електроприводу через охолоджувач.

Для обігріву пасажирського салону електричний компресор кондиціонера стискає газоподібний холодоагент, який значно нагрівається. Тепло гарячого холодоагенту через конденсатор передається в контур опалення пасажирського салону. У цьому процесі газоподібний холодоагент знову охолоджується і зріджується. Тепер рідкий холодоагент розширюється за допомогою електричного розширювального клапана, а потім повністю випаровується в випарнику. Це витягує тепло з низькотемпературного контуру електричного приводу, завдяки чому можна досягти зниження температури приблизно на 3-5 градусів за Цельсієм.

За допомогою цього процесу тепловий насос використовує відпрацьоване тепло електроприводу для обігріву пасажирського салону. Щоб система могла виконувати функцію охолодження, клапани перемикають контур таким чином, що газоподібний холодоагент зріджується вже не в теплообміннику, а у великому конденсаторі за бампером. У процесі роботи він розширюється і випаровується у випарнику кондиціонера, охолоджуючи таким чином салон.

Скорочення фази прогріву

Щоб скоротити фазу прогріву в гібридних автомобілях, деякі виробники використовують, наприклад, додатковий теплообмінник, розташований безпосередньо за каталітичним нейтралізатором у вихлопному тракті.

Використання тепла вихлопних газів: під час фази прогріву через теплообмінник на вихлопній трубі подається холодний теплоносій, який швидко нагрівається від вихлопних газів. Мета полягає в тому, щоб відновити якомога більше енергії вихлопних газів через цей теплообмінник і передати її охолоджуючій рідині, щоб скоротити фазу прогріву в пріоритетному порядку. Як тільки двигун внутрішнього згоряння досягає оптимальних умов роботи, теплова енергія вихлопної системи також використовується для нагрівання теплообмінника для обігріву пасажирського салону.

Управління повітрям

Сучасні системи управління тепловим режимом все частіше включають в себе регульовані повітряні заслінки, інтегровані в бампер. Залежно від умов експлуатації та навколишнього середовища, блок управління двигуном розраховує оптимальне положення для подачі свіжого повітря в різні системи, такі як охолодження двигуна, кондиціонер, опалення салону, а також для охолодження гальм.

З точки зору аеродинаміки, повітряні заслінки роблять позитивний внесок у зменшення споживання палива і пов’язаних з ним викидів забруднюючих речовин, навіть на високих швидкостях.

Для оцінки використовується багато параметрів, так що регулювання можливе навіть тоді, коли двигун не працює. Якщо накопичене тепло необхідно відвести, електричний водяний насос за підтримки електричного вентилятора може подбати про відведення тепла при повністю відкритих повітряних заслінках. При досягненні заданого температурного порогу водяний насос і вентилятор вимикаються, а повітряні заслінки закриваються. Це призводить до того, що залишкове тепло може зберігатися довше, коли двигун не працює. Таким чином, залежно від часу простою, фаза прогріву може бути значно скорочена, що також сприяє підвищенню комфорту в салоні при низьких зовнішніх температурах.

Для оптимального положення повітряних заслінок (1) в радіаторній решітці передньої частини можна використовувати такі дані, як охолоджуюча рідина, наддувне повітря, каталітичний нейтралізатор, трансмісійне масло, зовнішня температура, швидкість руху, а також температура конденсатора кондиціонера, для оцінки та регулювання.

1 Повітряні заслінки, 2 Привод

Поділитися: