電気自動車の熱管理技術の研究進展

純粋な電気自動車は総合的なエネルギー効率が高く、環境汚染が比較的少ない。純粋な電気自動車関連技術の継続的な開発により、業界の規模は徐々に拡大しています。パワーバッテリーのエネルギー密度と材料特性によって制約される純粋な電気自動車の航続距離は、その開発を制限する重要な問題となっています。の需要とエネルギー消費 車両熱管理 このシステムは、業界で徐々に広く注目を集めています。運転の機動性により、自動車が直面する環境および気候条件は複雑で変化しやすくなっています。純粋な電気自動車の場合、従来の燃料車のエンジン熱システムがないため、自動車の熱システムは、バッテリー/モーター/電子温度制御、熱交換器の霜取り、窓ガラスの曇りの除去、およびその他のニーズの要件を満たす必要があります。熱管理技術は、自動車の運転の安全性と快適性を保証する重要な技術であり、電気自動車の開発のコア キー技術となっています。

1. 電気自動車の熱管理要件

車内は、車の運転中にドライバーがいる環境空間です。ドライバーにとって快適な運転環境を確保するために、車室内の熱管理は、車内環境の温度、湿度、および給気温度を制御する必要があります。さまざまな条件下での客室の熱管理要件を表 1 に示します。

パワーバッテリーの温度制御は、電気自動車の効率的かつ安全な動作を確保するための重要な前提条件です。温度が高すぎると、液漏れ、自然発火などの現象が発生し、安全運転に影響します。温度が低すぎると、バッテリーの充放電容量がある程度低下します。リチウム電池は、エネルギー密度が高く軽量であるため、電気自動車用の動力電池として最も広く使用されています。リチウム電池の温度制御要件と、文献に従って推定されたさまざまな条件下での電池の熱負荷を表2に示します。パワー電池のエネルギー密度が徐々に増加するにつれて、作業環境の温度範囲が拡大し、急速充電速度の増加に伴い、熱管理システムにおけるパワーバッテリーの温度制御の重要性もより顕著になっています。これは、異なる道路状況、異なる充放電モード、およびその他の車両動作状況下での温度制御負荷の変化に対応する必要があるだけでなく、電池パック間の温度場の均一性と熱暴走の防止および制御に対応する必要があります。高熱および高湿度地域などのさまざまな環境での温度制御要件。

モーターと電子制御は、電気自動車の主要なエネルギー出力リンクです。モーターの動作プロセス中に、コイル抵抗の加熱、機械的摩擦熱の発生、およびその他の理由により、大量の熱が発生します。過度の温度は、モーターの内部短絡や磁石の不可逆的な減磁などの問題を引き起こします。現在の電気自動車市場におけるさまざまなモデルのモーター構成、乗用車のモーターおよび電気温度制御要件、およびモーター効率とモーター出力を考慮したモーター加熱電力を表 3 に示します。アプリケーションシナリオの増加に伴い、車両パワーの需要は増加し続けています。電気自動車のモーターには、より高い出力、トルク、および速度が必要であり、これはまた、より高い発熱を意味します。その結果、電気モーターシステムの熱管理要件は徐々に増加しています。

2. 電気自動車の熱管理技術の開発経緯

車両の熱管理は、電気自動車の開発におけるコア技術の 1 つであり、車室内の温度と湿度の環境制御、電源システムの温度制御、ガラスの曇り止めと曇り止めなどの多目的な管理が含まれます。熱管理システムのアーキテクチャと統合の程度に応じて、電気自動車の熱管理の開発は、図 1 に示すように 3 つの段階に要約されます。電気加熱による単一冷却から、電気補助加熱によるヒート ポンプ、そして段階的な結合まで。電気自動車の熱管理技術は、広い温度帯のヒート ポンプと車両の熱管理により、高度に統合されたインテリジェントな方向に向かって徐々に発展しています。そして、広い温度範囲と極端な条件での環境適応性は徐々に改善されています。

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動力系の置き換えをコア技術として開発されています。キャビンの空調、窓の曇り止め、動力部品の温度制御などの補助システムは、従来の燃料車の熱管理技術に基づいて徐々に改善されています。純粋な電気自動車用エアコンと燃料自動車用エアコンの両方が、蒸気圧縮サイクルによる冷却機能を実現します。両者の違いは、燃料車のエアコン用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サイクルを駆動することです。冬季に燃料車が暖房される場合、エンジンの廃熱は、追加の熱源なしで客室の暖房に直接使用されます。しかし、純粋な電気自動車のモーターの廃熱は、冬の暖房の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しなければならない問題です。.正温度係数ヒーター（正温度係数、PTC）は、PTCセラミック発熱体とアルミニウムチューブで構成されており、熱抵抗が小さく、熱伝達効率が高いという利点があります。そして、燃料車のボディをベースにマイナーチェンジが行われています。そのため、初期の電気自動車は、図 2 に示すように、蒸気圧縮冷凍サイクルの冷却と PTC 加熱を使用して客室の熱管理を実現していました。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熱を放出して温度が上昇するため、バッテリーの冷却が必要になります。バッテリーの冷却方法には、主に空冷が含まれます。 液体冷却、相変化材料の冷却、および ヒートパイプ冷却.シンプルな構造、低コスト、メンテナンスの容易さから、空冷は初期の電気自動車で広く使用されていました。この段階での熱管理の主な形式は、独立した各サブシステムがそれぞれ熱管理の要件を満たすことです。

実際の使用では、冬の電気自動車の暖房エネルギー消費需要は比較的高いです。熱力学的観点からは、PTC 加熱の COP は常に 1 未満であり、PTC 加熱の消費電力が高く、エネルギー利用率が低く、電気自動車の走行距離が大幅に制限されます。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。暖房の理論上の COP は 1 を超えます。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、環境下での電気自動車の航続距離を延ばすことができます。加熱条件。

パワーバッテリーの容量と出力のさらなる向上に伴い、パワーバッテリーの動作時の熱負荷も徐々に増加しています。従来の空冷構造では、パワーバッテリーの温度制御要件を満たすことができません。そのため、液体冷却がバッテリー温度制御の主な方法になりました。さらに、人体が必要とする快適な温度は、パワー バッテリが正常に動作する温度に近いため、車室内のヒート ポンプに熱交換器を並列に接続することで、車室内とパワー バッテリの冷却要件を満たすことができます。システム。パワーバッテリーからの熱は、熱交換器と二次冷却によって間接的に取り除かれます。の統合の程度 熱管理 電気自動車のシステムが改善されました。統合の度合いは高まっていますが、この段階の熱管理システムは、バッテリーの冷却と車内の冷却を単純に統合するだけです。バッテリーやモーターの廃熱が有効に利用されていません。

従来のヒートポンプエアコンは、暖房効率が低く、寒い環境では暖房能力が不十分であり、電気自動車の適用シナリオが制限されていました。そのため、低温条件下での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、適用されています。二次熱交換回路を合理的に増やすことで、パワーバッテリーとモーターシステムを冷却しながら、残りの熱をリサイクルして、低温条件下での電気自動車の暖房能力を向上させます。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改善されることを示しています。

バッテリーとモーターシステムからの廃熱の回収と利用に加えて、還気の利用も、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す。研究結果によると、低温環境では、適切な還気利用対策により、電気自動車に必要な暖房能力を 46% から 62% 削減できると同時に、窓の曇りや霜の発生を防ぐことができます。暖房エネルギー消費を最大40%削減できます。この段階では、極端な条件下での電気自動車の熱管理の環境適応性は徐々に改善されており、統合とグリーン化の方向に発展しています。

高電力条件下でのバッテリーの熱管理効率をさらに改善し、熱管理の複雑さを軽減するために、技術的解決策が提案されています。これは、冷媒が直接に送られる直接冷却および直接加熱バッテリー温度制御方法です。熱交換用バッテリーパック。バッテリ パックと冷媒間の直接熱交換の熱管理構成を図 3 に示します。直接冷却技術は、熱交換効率と熱交換容量を改善し、バッテリ内部の温度分布をより均一にし、二次ループを減らすことができます。システムの廃熱回収率を高めます。これにより、バッテリーの温度制御性能が向上します。ただし、バッテリーと冷媒の間の直接熱交換技術により、ヒートポンプシステムの仕事を通じて冷却と加熱を増やす必要があります。一方では、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、冷媒ループのパフォーマンスに一定の影響を与えます。一方で、季節の変わり目には自然の寒冷源の使用も制限されるため、この技術はさらに研究、改良、応用評価が必要です。

3. 電気自動車の熱管理の開発動向

初期段階と比較すると、現在の電気自動車の熱管理システムは、統合、省エネ、高効率の点で大きな進歩を遂げていますが、冷媒の交換、ヒートポンプシステムの開発にはまだ大きな課題があります。気候と広い温度帯、およびインテリジェント制御。

潜在的な代替冷媒の研究と応用は、主に R1234yf、CO2、および R290 に焦点を当てています。上記の冷媒の主な物理的特性を表 4 に示します。R1234yf は従来の冷媒 R134a と同様の熱力学的特性を持ち、冷媒の交換は容易ですが、価格は比較的高くなります。R290 と CO2 は、自然で環境に優しい冷媒であり、比較的低価格であるという利点があります。CO2 は無毒、不燃性で、優れた熱安定性を備えています。また、超臨界状態で熱を放出する際の温度すべりが大きいため、加熱性能に優れています。R290 ヒート ポンプ システムは、優れた冷暖房性能を備えています。ただし、R290 は可燃性冷媒であるため、R290 の可燃性によって引き起こされる安全上の問題を解決することが、電気自動車での R290 ヒート ポンプ システムの適用を実現するための重要な課題です。

R1234yf と R134a 冷媒の熱特性は非常に近く、R1234yf を直接使用して R134a 熱管理システムを置き換えることができますが、システムのパフォーマンスはわずかに低下します。R1234yfは可燃性が弱く、二次回路を追加することで燃焼のリスクを軽減できます。特許や合成技術などの理由により、R1234yfの高価格が普及・応用の制約となっています。

安価で環境にやさしい自然冷媒として。現在、CO2ヒートポンプシステムの実車への適用が始まっていますが、夏季の冷房能力不足や極寒時の暖房効率の低下などの課題が残されています。研究分野での研究の主な目標は、CO2 ヒート ポンプ システムの性能をさらに向上させること、特に高温環境での冷却性能を向上させることです。

R290 は、環境に優しい自然冷媒の代替候補として、優れた冷却および加熱性能を備えています。

一方、混合冷媒は、純粋な自然冷媒の物理的特性の限界を克服することができ、将来の新しい冷媒ヒート ポンプ システムの開発方向の 1 つでもあります。

電気自動車の効率的でインテリジェントな熱管理システムと客室の熱的快適性は、旅行の質を向上させるための重要な保証となっています。車両自体のさまざまな運転条件に応じて、電気自動車の各システムの熱負荷は動的に変動します。さらに、電気自動車の熱システムの結合度は深まり続けており、熱管理システムの制御に対するより高い要件が提唱されています。したがって、インテリジェントで統合されたきめ細かな制御方法は、車両のエネルギー消費を削減し、快適性を向上させるための制御方法になります。

ヒートポンプシステムの従来の制御方法は、スイッチ制御、PID制御などの方法で、それぞれ独立した熱管理オブジェクトと熱管理アクチュエータを制御することです。設定値と実際の値との偏差に応じて、圧縮速度、膨張弁開度、電気ヒーター電力、循環ポンプ電力、電動ファン風量などのパラメータを調整することで、各制御パラメータを設定範囲内に維持します。しかし、熱管理の統合が深まるにつれて、PID 制御は複雑な動的制御プロセスでオーバーシュートや振動などの問題が発生しやすくなります。エネルギー消費が増加する一方で、運転の快適性が低下します。多分岐結合複合ヒート ポンプ システムの制御方法は、電気自動車熱管理システムの制御技術の現在の研究の焦点です。

ドライバーの熱的快適性を確保するために、車室内の温度と湿度を妥当な変動範囲内に制御する必要があります。車内の高温多湿環境の制御は、フロントガラスの曇り止めと安全運行を前提に、給気量と温度を調整することで車内の温湿度を制御する従来の制御方法でした。車両の。環境は制御されています。

車両の熱管理に関しては、車室内の熱管理には、従来の空調方法だけでなく、シートヒーターなどの新しい方法も研究され、推進されています。熱管理のアクティブな調整方法に加えて、合理的なボディ断熱構造の設計と材料の選択も、内部環境の揮発性を減らし、熱的快適性を向上させることができます。また、快適な運転環境が長時間続くことは、ドライバーの疲労や安全運転に影響を与える可能性があります。吹き飛ばしやその他の刺激手段によってドライバーの精神集中力を向上させるインテリジェント制御システムに関する関連研究も進行中です。

4. まとめと展望

電気自動車の熱管理システムは、従来の燃料車の空調システムから改良され、徐々に電気自動車に適したヒート ポンプ システムに移行しています。燃料車とは異なり、電気自動車の熱管理対象には、バッテリーシステムとモーターシステムも含まれます。3つの電気的結合により、電気自動車の熱管理システムの結合度とコンポーネントの統合度が継続的に改善されます。

複数の環境での電気自動車の適用性を改善し、電気自動車の航続距離をさらに伸ばすには、広い温度範囲と極端な条件に適応できるヒート ポンプ システムを開発する必要があります。

旅行の質に対する需要の高まりに伴い、人体の熱的快適性への熱管理の注意を高め、人間中心のインテリジェントな自動車熱管理技術と制御戦略を実装する必要があります。

より厳しい環境保護要件に直面して、環境に優しい冷媒の代替研究に焦点を当てる必要があります。また、廃熱回収やジェットエア補充などの技術の開発を通じて、環境に優しく、省エネで効率的な車両熱管理システムの構築が完了しました。