Forschung zu integrierten Wärmemanagementsystemen für Wärmepumpen
für rein elektrische Nutzfahrzeuge
1. Traditionelles Wärmemanagementsystem
Zu den Wärmemanagementsystemen, die üblicherweise bei der Konstruktion rein elektrischer Nutzfahrzeuge für die wichtigsten Wärmequellen verwendet werden, gehören das Wärmemanagement des Batteriesystems (BTMS), das Wärmemanagement der Klimaanlage und das Wärmemanagement des elektronischen Motorsteuersystems. Das traditionelle dezentrale Wärmemanagementsystem besteht aus drei voneinander unabhängigen Kreisläufen für Batterie, Klimaanlage und elektronisches Motorsteuersystem. Jeder Kreis verfügt über ein vollständiges Temperaturkontrollsystem und ein Rohrleitungssystem. Daher gibt es während des Betriebs des Fahrzeugs ein elektrisches Heizsystem für ein bestimmtes System. Gleichzeitig wird die externe Wärmeableitungsenergie einer anderen Komponente oder eines anderen Systems nicht vollständig genutzt, was nicht nur Energieverschwendung verursacht, sondern auch der Energieeinsparung und dem Umweltschutz abträglich ist. Andererseits sind die Rohrleitungen aufgrund des geringen Integrationsgrads des gesamten Wärmemanagementsystems komplex, die Anzahl der Teile ist hoch, die Kosten sind hoch und die Qualität des Fahrzeugs ist hoch. Dies beschleunigt auch den Verbrauch von Batteriestrom während des Fahrzeugbetriebs und verkürzt die Fahrzeuglebensdauer. Die Fahrleistung hat einen erheblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs.
2. Integriertes Wärmemanagementsystem vom Typ Wärmepumpe
Um der hohen Temperaturempfindlichkeit von Batterien besser gerecht zu werden, wird das Wärmemanagement rein elektrischer Nutzfahrzeuge auf der Grundlage integrierter Wärmemanagementsysteme immer komplexer und ausgefeilter. Außerdem werden einige innovative Anwendungen hinzugefügt, wie beispielsweise Wärmepumpen. Die Wärmepumpe selbst erzeugt keine Wärme, sondern ist nur ein Wärmetransporter. Basierend auf dem Prinzip des umgekehrten Carnot-Zyklus (Abbildung 1) verwendet sie eine kleine Menge elektrischer Energie zum Antrieb der Einheit, lässt das Arbeitsmedium in einer getarnten Phase zirkulieren und absorbiert, komprimiert und erwärmt minderwertige Wärmeenergie, bevor sie genutzt wird. Die Hauptkomponenten einer Wärmepumpe sind Kältemittel, Kompressor, Kondensator, Expansionsventil und Verdampfer. Es handelt sich um einen geschlossenen Kreislauf, in dem das Medium, das Kältemittel/Kältemittel, kontinuierlich komprimiert und expandiert wird. Bei jeder Kompression und Expansion (d. h. bei jedem Betriebszyklus) „entzieht“ das Kältemittel der Niedertemperaturumgebung Wärme und überträgt sie auf die Hochtemperaturumgebung. Luft wird nicht als Kühlmittel verwendet, obwohl sie keine Umweltverschmutzung verursacht und kostenlos ist, da ihr thermischer Wirkungsgrad pro Zyklus ziemlich niedrig ist. Das tatsächlich verwendete Kühlmittel ist eine Flüssigkeit, die bei der Aufnahme von Wärme verdampft und bei der Wärmeabgabe kondensiert. Der Prozess der Änderung der flüssigen Form kann den thermischen Wirkungsgrad in jedem Arbeitszyklus erheblich verbessern. Das Wärmepumpensystem hat zwei Betriebsmodi: Kühlen und Heizen. Durch die Integration der Wärmepumpentechnologie mit integrierten Wärmemanagementsystemen können neue integrierte Wärmemanagementsysteme vom Wärmepumpentyp entwickelt werden. Das Wärmepumpenklimasystem mit dieser Technologie verwendet einen elektrischen Klimakompressor und nutzt die reversiblen Eigenschaften des Kühlzyklus, um Kühlung und Heizung zu integrieren. Es bietet die Vorteile guter Vielseitigkeit, kompakter Struktur, hoher Effizienz, Energieeinsparung und Umweltschutz und ist zu einem neuen Typ von Fahrzeugklimaanlagen geworden. Unter Heizbedingungen im Winter kann der COP (Leistungskoeffizient) 2 bis 4 erreichen. Die Energieeffizienz ist um ein Vielfaches höher als die des PTC-Heizsystems, das üblicherweise im Bereich reiner Elektrofahrzeuge verwendet wird, was die Reichweite effektiv um mehr als 20 % verlängern kann. Zu den aktuellen Arten von Wärmepumpensystemen gehören hauptsächlich Klimaanlagen mit direkter Wärmepumpe, Klimaanlagen mit indirekter Wärmepumpe und Klimaanlagen mit direkter Wärmepumpe und Luftergänzung sowie Enthalpiesteigerung. Wie in Abbildung 2 dargestellt, können sie zum Heizen und Kühlen verwendet werden. Einfach ausgedrückt kann die Verwendung eines Vierwege-Umkehrventils in einem Wärmepumpensystem die Funktionen des Verdampfers und des Kondensators der Wärmepumpen-Klimaanlage vertauschen und die Richtung der Wärmeübertragung ändern, wodurch im Sommer eine Kühlwirkung und im Winter eine Heizwirkung erzielt wird.
3. Vor- und Nachteile des integrierten Wärmemanagementsystems einer Wärmepumpe
Die wichtigsten Vorteile sind: 1) Starke Systemintegration: Mehrere Wärmemanagement-Subsysteme werden in ein System integriert, um eine einheitliche Steuerung und Optimierung zu erreichen; dies trägt dazu bei, die Systemkomplexität zu verringern und die Verwaltungseffizienz zu verbessern. 2) Energieeffizienz Durch präzise Steuerung der Temperatur und des Wärmeflusses jeder Komponente kann Energie effizienter genutzt und der Energieverbrauch gesenkt werden. 3) Intelligentes Management: In der Regel mit fortschrittlichen Sensoren und Steuerungssystemen ausgestattet, die den Betriebszustand des Systems in Echtzeit überwachen und anpassen können, um eine intelligente Verwaltung zu erreichen. 4) Umgebungsanpassungsfähigkeit: Die Betriebsstrategie kann automatisch an die Umgebungsbedingungen angepasst werden, um die Anpassungsfähigkeit und Stabilität des Systems zu verbessern. 5) Installation und Wartung: Das integrierte Wärmemanagementsystem hat eine kompakte Struktur und ist einfach zu installieren.
Die Hauptnachteile sind: 1) Hoher technischer Schwierigkeitsgrad: Es müssen mehrere Subsysteme integriert werden, der technische Schwierigkeitsgrad ist relativ hoch und es ist professioneller technischer Support erforderlich. 2) Hohe Anfangsinvestition: Da für das integrierte Wärmemanagement mehrere Subsysteme integriert werden müssen, ist die Anfangsinvestition relativ hoch. 3) Hohe Wartungskosten: Aufgrund der hohen Komplexität des Systems sind auch die Wartungskosten für das integrierte Wärmemanagement relativ hoch. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das integrierte Wärmemanagement einer Wärmepumpe mit dem Ziel, die Gesamtleistung des Fahrzeugs zu verbessern, dem Standard der integrierten Designoptimierung und den Mitteln der koordinierten Steuerung und Gesamtverwaltung mehrerer Systeme große Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz, intelligenter Verwaltung, Umweltanpassungsfähigkeit und Langzeitleistung bietet. Es bietet erhebliche Vorteile hinsichtlich der Lebensdauer und anderer Aspekte, und diese Vorteile stellen den allgemeinen Trend bei der Entwicklung des Wärmemanagements von Fahrzeugen in der Zukunft dar.
