1. Requisiti di gestione termica dei veicoli elettrici (HVCH)
L'abitacolo è lo spazio ambientale in cui il conducente vive durante la guida del veicolo. Per garantire un ambiente di guida confortevole, la gestione termica dell'abitacolo deve controllare la temperatura, l'umidità e la temperatura dell'aria di mandata all'interno del veicolo. I requisiti di gestione termica dell'abitacolo in diverse condizioni sono riportati nella Tabella 1.
Il controllo della temperatura delle batterie è un prerequisito importante per garantire il funzionamento efficiente e sicuro dei veicoli elettrici. Una temperatura troppo elevata può causare perdite di liquido e combustione spontanea, con conseguenti ripercussioni sulla sicurezza di guida; una temperatura troppo bassa può ridurre in una certa misura la capacità di carica e scarica della batteria. Grazie all'elevata densità energetica e al peso ridotto, le batterie al litio sono diventate le batterie di potenza più utilizzate per i veicoli elettrici. I requisiti di controllo della temperatura delle batterie al litio e il carico termico della batteria in diverse condizioni, stimati in base alla letteratura, sono riportati nella Tabella 2. Con il graduale aumento della densità energetica delle batterie di potenza, l'ampliamento dell'intervallo di temperatura dell'ambiente di lavoro e l'aumento delle velocità di ricarica rapida, l'importanza del controllo della temperatura delle batterie di potenza nel sistema di gestione termica è diventata sempre più importante, non solo per soddisfare le diverse condizioni stradali e le diverse modalità di carica e scarica. Il carico di controllo della temperatura cambia in base alle condizioni di lavoro del veicolo, l'uniformità del campo di temperatura tra i pacchi batteria e la prevenzione e il controllo della fuga termica devono inoltre soddisfare tutti i requisiti di controllo della temperatura in diverse condizioni ambientali, come aree con freddo intenso, calore elevato e alta umidità, e aree con estate calda e inverno freddo.
2. Il riscaldamento PTC della prima fase
Nella fase iniziale dell'industrializzazione dei veicoli elettrici, la tecnologia di base si basa essenzialmente sulla sostituzione di batterie, motori e altri sistemi di alimentazione, basata su miglioramenti graduali. Il condizionatore d'aria dei veicoli esclusivamente elettrici e quello dei veicoli a benzina svolgono entrambi la funzione di refrigerazione attraverso il ciclo di compressione del vapore. La differenza tra i due è che il compressore del condizionatore d'aria dei veicoli a benzina è azionato indirettamente dal motore tramite la cinghia, mentre il veicolo esclusivamente elettrico utilizza direttamente il compressore elettrico per azionare il ciclo di refrigerazione. Quando i veicoli a benzina vengono riscaldati in inverno, il calore di scarto del motore viene utilizzato direttamente per riscaldare l'abitacolo senza una fonte di calore aggiuntiva. Tuttavia, il calore di scarto del motore dei veicoli esclusivamente elettrici non può soddisfare il fabbisogno di riscaldamento invernale. Pertanto, il riscaldamento invernale è un problema che i veicoli esclusivamente elettrici devono risolvere. Il riscaldatore a coefficiente di temperatura positivo (coefficiente di temperatura positivo, PTC) è composto da un elemento riscaldante in ceramica PTC e da un tubo in alluminio (Riscaldatore del refrigerante PTC/Riscaldatore d'aria PTC), che presenta i vantaggi di una bassa resistenza termica e di un'elevata efficienza di trasferimento del calore, ed è utilizzato nella base della carrozzeria dei veicoli a carburante. Pertanto, i primi veicoli elettrici utilizzavano la refrigerazione a ciclo di compressione del vapore più il riscaldamento PTC per ottenere la gestione termica dell'abitacolo.
2.1 Applicazione della tecnologia delle pompe di calore nella seconda fase
Nell'uso reale, i veicoli elettrici hanno un elevato fabbisogno di energia per il riscaldamento in inverno. Da un punto di vista termodinamico, il COP del riscaldamento PTC è sempre inferiore a 1, il che ne aumenta il consumo energetico e riduce il tasso di utilizzo dell'energia, limitando notevolmente il chilometraggio dei veicoli elettrici. La tecnologia a pompa di calore utilizza il ciclo a compressione di vapore per utilizzare il calore di bassa qualità presente nell'ambiente e il COP teorico durante il riscaldamento è maggiore di 1. Pertanto, l'utilizzo di un sistema a pompa di calore al posto del PTC può aumentare l'autonomia di percorrenza dei veicoli elettrici in condizioni di riscaldamento. Con l'ulteriore miglioramento della capacità e della potenza della batteria, anche il carico termico durante il funzionamento della batteria aumenta gradualmente. La tradizionale struttura di raffreddamento ad aria non è in grado di soddisfare i requisiti di controllo della temperatura della batteria. Pertanto, il raffreddamento a liquido è diventato il metodo principale per il controllo della temperatura della batteria. Inoltre, poiché la temperatura di comfort richiesta dal corpo umano è simile alla temperatura di normale funzionamento della batteria, i requisiti di raffreddamento dell'abitacolo e della batteria possono essere soddisfatti collegando in parallelo gli scambiatori di calore nel sistema a pompa di calore dell'abitacolo. Il calore della batteria viene dissipato indirettamente dallo scambiatore di calore e dal raffreddamento secondario, e il grado di integrazione del sistema di gestione termica del veicolo elettrico è stato migliorato. Sebbene il grado di integrazione sia stato migliorato, il sistema di gestione termica in questa fase integra solo il raffreddamento della batteria e dell'abitacolo, e il calore di scarto della batteria e del motore non è stato utilizzato in modo efficace.
Data di pubblicazione: 04-04-2023
