מבוא למערכת ניהול תרמית
מערכת הניהול התרמית של כלי רכב חשמליים התפתחה ממערכת הניהול התרמית של רכבי דלק מסורתיים, ותצורת המערכת התפתחה בהדרגה מהעצמאות היחסית של כל מעגל ניהול תרמי לכיוון האינטגרציה. מכיוון שאין חום פסולת מנוע לשימוש, נדרש ציוד נוסף כדי לספק מקור חום לחימום תא הנוסעים. נכון לעכשיו, שיטות החימום הנפוצות עבור כלי רכב חשמליים כוללות מקדם טמפרטורה חיובי (PTC) חימום תנור חימום חשמלי וחימום מיזוג אוויר במשאבת חום.
1. מזגן קירור יחיד + PTC
ההתנגדות של התרמיסטור במחמם החשמלי PTC תגדל עם עליית הטמפרטורה, וכתוצאה מכך ירידה בעוצמת החימום, ולכן לתרמיסטור PTC יש מאפיין טמפרטורה קבוע. בשל ההרכב הפשוט והמחיר הנמוך של מערכת החימום PTC, רוב הרכבים החשמליים המוקדמים משתמשים בקירור מזגן יחיד בקירור ובחימום חשמלי PTC כדי לענות על צורכי הקירור והחימום של תא הנוסעים. איור 1 הוא תרשים מערכת של מזגן קירור יחיד + PTC. בקירור הקיץ נעשה שימוש במאייד המסודר בתעלת האוויר לקליטת חום להשגת מטרת הקירור. ישנם שני פתרונות לחימום. האחת היא לארגן את PTC האוויר ישירות בתעלת האוויר של תיבת המזגן כפי שמוצג באיור 1 (א). כאשר יש ביקוש לחימום, ה-PTC מופעל כדי לחמם את האוויר בתעלת האוויר ולהעבירו לתא הנוסעים; השני הוא לחמם את נוזל הקירור על ידי ה-PTC של המים כפי שמוצג באיור 1 (ב), והקירור זורם לתוך ליבת האוויר החם המסודרת בתעלת האוויר כדי לחמם בעקיפין את האוויר בתעלת האוויר כדי לעמוד בדרישת החימום.
2. מיזוג אוויר משאבת חום + PTC
מכיוון ש-PTC משתמש בחימום חשמלי לחימום, יעילות החימום נמוכה מ-1, כך ששיטת חימום זו יכולה להפחית את טווח הנסיעה של כלי רכב חשמליים ב-50%. היעילות התיאורטית של משאבות חום גדולה מ-1, ושימוש במשאבות חום במקום חימום PTC הפך למגמת פיתוח. תוצאות המחקר של ZHANG et al. מראים שמערכות משאבות חום יכולות לחסוך 41.3% מהאנרגיה בהשוואה למערכות חימום PTC. מכיוון שרוב כלי הרכב החשמליים משתמשים כיום ב-R134a כנוזל העבודה, כאשר טמפרטורת הסביבה נמוכה מ-10 מעלות, היעילות והאמינות של מערכת משאבות החום מופחתות, כך שתנורי חימום חשמליים PTC עדיין נדרשים לחימום עזר.
איור 2 מציג מערכת מיזוג אוויר + PTC באמצעות משאבת חום באמצעות שסתום היפוך אלקטרומגנטי לארבעה כיוונים ומחליף חום בעל שלושה. מערכת מיזוג משאבת החום עוברת בין מצבי הקירור, החימום, הסרת הלחות וההפשרה של המערכת באמצעות המתג של גוף השסתום. שסתום היפוך ארבע-כיווני נמצא בשימוש נרחב בתחום מיזוג האוויר הביתי. החלתו על מערכת מיזוג משאבת החום של הרכב החשמלי יכולה לפתור את בעיית ההיפוך של נוזל הקירור במהלך קירור וחימום המערכת, כפי שמוצג באיור 2(א). לפתרון המערכת יש מעט רכיבים, מבנה פשוט ועלות נמוכה. עם זאת, תהליך ריתוך נחושת-אלומיניום של שסתום היפוך ארבע-כיווני קשה וקל מאוד לשחד אותו. קיימת נפילת גז בצדי הלחץ הגבוה והנמוך, מה שמשפיע על ביצועי המערכת. מערכת מיזוג האוויר של משאבת החום של מכוניות נוסעים מאמצת בדרך כלל פתרון של שלושה מחליף חום עם מחליף חום חיצוני אחד ושני מחליפי חום פנימיים, והמצב עובר דרך שסתומי סולנואיד מרובים, כפי שמוצג באיור 2 (ב).
3. מיזוג אוויר משאבת חום + שחזור חום פסולת + PTC
למדינה שלי יש שטח עצום וטווח טמפרטורות רחב, ולכן יש צורך להרחיב את טווח הטמפרטורות של מזגני משאבות חום. חום הפסולת של מנועים וסוללות הוא מקור חום יקר ערך בחורף. יצרנים ומוסדות מחקר רבים רואים במיחזור חלק זה של החום כמקור חום עזר כדי להרחיב את השימוש במזגני משאבות חום.
איור 3 הוא דיאגרמה של מערכת ניהול תרמית לרכב חשמלי באמצעות מיזוג אוויר עם משאבת חום + שחזור חום פסולת + PTC. המערכת יכולה לממש פונקציות כגון קירור תא הנוסעים, חימום, הפשרה, הסרת ערפל והסרת לחות. במקביל, הוא יכול לחמם או לקרר את הסוללה ואת מנוע ההנעה, ויכול גם לממש שחזור חום בזבוז של הסוללה ומנוע הכונן. עיקרון העבודה של המערכת הוא כדלקמן: פונקציות הקירור, החימום, הסרת לחות, הפשרה והסרת ערפל של תא הנוסעים מתממשות באמצעות שילוב המתגים של שסתום הסולנואיד של מעגל הקירור; למעגל הקירור מתווסף מצנן סוללות (Chiller) המחובר במקביל למאייד. כאשר המצבר או מנוע ההנעה דורש קירור, נוזל הקירור זורם דרך ה-Chiller כדי לקרר את נוזל הקירור במעגל המשני; כאשר המצבר או מנוע ההנעה אינם בעלי דרישה גדולה לפיזור חום, ניתן לשלוט בכיוון הזרימה של נוזל הקירור על ידי החלפת מצב השסתום התלת-כיווני, וניתן לפרוק את החום אל מחוץ לרכב דרך הנמוך -רדיאטור טמפרטורה כדי להשיג את הקירור של הסוללה או מנוע הכונן; כאשר לסוללה יש דרישת חימום, ה-PTC מופעל לחימום ותפקוד החימום מושג על ידי כוונון השסתום התלת-כיווני בצד נוזל הקירור; כאשר טמפרטורת הסביבה נמוכה, לא ניתן להשתמש במזגן משאבת החום ולמצבר או למנוע ההנעה יש דרישה לפיזור חום, נוזל הקירור סופג את החום שצריך לפזר בצד הסוללה או מנוע הכונן, זורם דרך ה-Chiller דרך השסתום התלת-כיווני, ומחליף את החום לצד נוזל הקירור כדי לחמם את תא הנוסעים, להרחיב את טווח טמפרטורת הפעולה של המערכת ולשפר את יעילות האנרגיה של המערכת.
