1. Requisitos de gestión térmica de vehículos eléctricos (HVCH)
El habitáculo es el espacio donde el conductor se encuentra mientras el vehículo está en marcha. Para garantizar un entorno de conducción confortable, la gestión térmica del habitáculo debe controlar la temperatura, la humedad y la temperatura del aire de impulsión en el interior del vehículo. Los requisitos de gestión térmica del habitáculo en diferentes condiciones se muestran en la Tabla 1.
El control de la temperatura de la batería de potencia es un requisito previo importante para garantizar el funcionamiento eficiente y seguro de los vehículos eléctricos. Cuando la temperatura es demasiado alta, puede causar fugas de líquido y combustión espontánea, lo que afectará la seguridad de la conducción; cuando la temperatura es demasiado baja, la capacidad de carga y descarga de la batería se atenuará en cierta medida. Debido a su alta densidad de energía y peso ligero, las baterías de litio se han convertido en las baterías de potencia más utilizadas para vehículos eléctricos. Los requisitos de control de temperatura de las baterías de litio y la carga térmica de la batería bajo diferentes condiciones estimadas según la literatura se muestran en la Tabla 2. Con el aumento gradual en la densidad de energía de las baterías de potencia, la expansión del rango de temperatura del entorno de trabajo y el aumento en las velocidades de carga rápida, la importancia del control de la temperatura de la batería de potencia en el sistema de gestión térmica se ha vuelto más prominente, no solo para cumplir con diferentes condiciones de la carretera y diferentes modos de carga y descarga. La carga de control de temperatura cambia bajo las condiciones de funcionamiento del vehículo, la uniformidad del campo de temperatura entre los paquetes de baterías y la prevención y control del desbordamiento térmico también deben cumplir con todos los requisitos de control de temperatura bajo diferentes condiciones ambientales, tales como áreas de frío extremo, calor intenso y alta humedad, y áreas de verano caluroso e invierno frío.
2. La primera etapa del calentamiento PTC
En la etapa inicial de la industrialización de los vehículos eléctricos, la tecnología central se basa básicamente en el reemplazo de baterías, motores y otros sistemas de energía, con base en mejoras graduales. El aire acondicionado de los vehículos eléctricos puros y el aire acondicionado de los vehículos de combustible realizan la función de refrigeración a través del ciclo de compresión de vapor. La diferencia entre ambos es que el compresor del aire acondicionado del vehículo de combustible es accionado indirectamente por el motor a través de la correa, mientras que el vehículo eléctrico puro utiliza directamente el compresor de accionamiento eléctrico para accionar el ciclo de refrigeración. Cuando los vehículos de combustible se calientan en invierno, el calor residual del motor se utiliza directamente para calentar el habitáculo sin una fuente de calor adicional. Sin embargo, el calor residual del motor de los vehículos eléctricos puros no puede satisfacer las necesidades de calefacción invernal. Por lo tanto, la calefacción invernal es un problema que los vehículos eléctricos puros deben resolver. El calentador de coeficiente de temperatura positivo (coeficiente de temperatura positivo, PTC) está compuesto por un elemento calefactor cerámico PTC y un tubo de aluminio (Calentador de refrigerante PTC/Calentador de aire PTC), que tiene las ventajas de una baja resistencia térmica y una alta eficiencia de transferencia de calor, y se utiliza en la base de la carrocería de los vehículos de combustible. Por lo tanto, los primeros vehículos eléctricos utilizaron refrigeración por ciclo de compresión de vapor más calefacción PTC para lograr la gestión térmica del habitáculo de pasajeros.
2.1 Aplicación de la tecnología de bomba de calor en la segunda etapa
En la práctica, los vehículos eléctricos requieren un alto consumo de energía para calefacción en invierno. Desde un punto de vista termodinámico, el COP de la calefacción PTC siempre es inferior a 1, lo que resulta en un alto consumo de energía y una baja tasa de utilización de la energía, limitando seriamente la autonomía de los vehículos eléctricos. La tecnología de bomba de calor utiliza el ciclo de compresión de vapor para aprovechar el calor residual del ambiente, y el COP teórico durante la calefacción es superior a 1. Por lo tanto, el uso de un sistema de bomba de calor en lugar de PTC puede aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos en condiciones de calefacción. Con la mejora continua de la capacidad y la potencia de la batería, la carga térmica durante su funcionamiento también aumenta gradualmente. La estructura de refrigeración por aire tradicional no puede satisfacer los requisitos de control de temperatura de la batería. Por consiguiente, la refrigeración líquida se ha convertido en el método principal para el control de la temperatura de la batería. Además, dado que la temperatura confortable requerida por el cuerpo humano es similar a la temperatura a la que la batería funciona normalmente, los requisitos de refrigeración del habitáculo y la batería pueden satisfacerse conectando intercambiadores de calor en paralelo en el sistema de bomba de calor del habitáculo. El calor de la batería se disipa indirectamente mediante el intercambiador de calor y la refrigeración secundaria, lo que ha mejorado el grado de integración del sistema de gestión térmica del vehículo eléctrico. Si bien se ha mejorado el grado de integración, el sistema de gestión térmica en esta etapa solo integra la refrigeración de la batería y el habitáculo, y el calor residual de la batería y el motor no se aprovecha eficazmente.
Fecha de publicación: 4 de abril de 2023
