Entwicklung der Kfz-HLK im Zuge des Elektrifizierungstrends
Im Zuge der Elektrifizierung und Intelligenz von Fahrzeugen haben sich Elektrofahrzeuge rasant weiterentwickelt. Der Verkauf von Elektrofahrzeugen ist in den letzten Jahren rasant gestiegen, dennoch machen sich viele Verbraucher immer noch Sorgen um die Reichweite und die Sicherheit. Das Problem der Reichweite wird bei niedrigen Temperaturen besonders deutlich. Wenn ein Elektrofahrzeug bei niedrigen Temperaturen gefahren wird, kann die Reisetauglichkeit des Fahrzeugs aufgrund der Verwendung einer Heizungs-Klimaanlage und einer verringerten Batterieleistung um mehr als 40 % eingeschränkt sein. Aus Sicherheitsgründen ist auch das Batterie- und Wärmemanagement von Elektrogeräten im Auto besonders wichtig. Zur Lösung dieser Probleme ist ein leistungsfähigeres Kfz-Wärmemanagementsystem erforderlich. Einfach ausgedrückt umfasst das Wärmemanagementsystem für Kraftfahrzeuge hauptsächlich verwandte Teile wie HVAC, Batterie-Wärmemanagement, Motorelektroniksteuerung und Hochleistungs-Elektrogeräte-Wärmemanagement.
Unter diesen bezieht sich Fahrzeug-HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning, HVAC) auf das System oder die zugehörige Ausrüstung, die für Heizung, Belüftung und Klimatisierung im Fahrzeug verantwortlich ist. Insbesondere ist HVAC hauptsächlich in verwandte Komponenten wie Kühlgeräte, Heizgeräte und Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) unterteilt.
Als nächstes werden wir uns das Kühlgerät, das Heizgerät und die HMI in der Klimatisierungstechnik ansehen und uns auf die technischen Lösungen und Entwicklungstrends der Klimatisierungstechnik für Elektrofahrzeuge konzentrieren.
1. Kühlgerät
Das Kühlgerät der Klimaanlage für Kraftfahrzeuge ähnelt unserer herkömmlichen Klimaanlage, die den Zustandszyklus der Kältemittelkompression, -kondensation, -expansion und -verdampfung nutzt, um eine Temperaturregelung zu erreichen. Die Wärmeübertragung erfolgt hauptsächlich durch Zustandsänderungen des Kältemittels. Die Hauptkomponenten einer Kühleinheit, die für die oben genannten Funktionen verantwortlich sind, sind Kompressor, Kondensator, Expansionsventil, Sammler/Trockner und Verdampfer.
Wie in der Abbildung dargestellt, nimmt das flüssige Kältemittel Wärme aus dem Fahrgastraum auf und verdampft im Verdampfer in den gasförmigen Zustand. Der Dampf wird dann von einem Kompressor aus dem Verdampfer abgesaugt, der den Dampf komprimiert, um seinen Druck zu erhöhen. Der vom Kompressor erzeugte Dampf mit hohem Druck und hoher Temperatur wird dann im Kondensator durch Außenluft gekühlt und zu Hochdruckflüssigkeit kondensiert. Die Flüssigkeit expandiert und dekomprimiert im Expansionsventil, bevor sie in den Verdampfer gelangt. Der obige Prozess stellt einen kontinuierlichen Zyklus dar. Durch den Verdunstungsprozess wird Wärme aus der Umgebungsluft aufgenommen, um einen Kühleffekt zu erzielen, und die kalte Luft wird über einen Ventilator in den Fahrgastraum geblasen.
2. Heizgerät
Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist es einfacher, das Fahrzeug zu heizen als zu kühlen. Der Umwandlungswirkungsgrad des Verbrennungsmotors ist gering (ca. 30 %) und er erzeugt im Betrieb mehr Wärme. Diese Wärme strömt über das Kühlmittel in den Heizungskern und kann dann durch einfache Steuerung steuerbare heiße Luft über einen Ventilator in die Kabine blasen. , um die Temperatur in der Kabine konstant zu halten. Das Verfahren ist sehr wirtschaftlich und einfach und kann durchgeführt werden, solange der Verbrennungsmotor läuft. Es erfordert keinen zusätzlichen Kraftstoff und erhöht den Kraftstoffverbrauch nicht. Bei Elektrofahrzeugen ist das Heizen jedoch ein relativ komplizierter Vorgang. Derzeit sind PTC- und Wärmepumpen die gängigsten Heizlösungen.
PTC (Positive Temperature Coefficient, Positive Temperature Coefficient Resistor) ist ein typischer Halbleiterwiderstand mit positiver Temperaturempfindlichkeit. Wenn es mit Strom versorgt wird, erzeugt es Wärme, die zum Heizen der Klimaanlage genutzt werden kann. Wenn der PTC zum ersten Mal eingeschaltet wird, nimmt sein Widerstand mit steigender Temperatur langsam ab, d. h. sein Heizwert bei Raumtemperatur ist niedrig; Wenn die Temperatur die Curie-Temperatur überschreitet, nimmt der Widerstandswert mit der Temperatur ab. Die Erhöhung erfolgt schrittweise und die tatsächliche Leistung besteht darin, dass sie automatisch nicht mehr funktioniert. Da es sich um ein PTC-Heizelement handelt, kann aufgrund seiner automatischen Konstanttemperaturfunktion ein komplexer Temperaturregelkreis überflüssig werden. In Elektrofahrzeugen wird der PTC direkt von der Hochspannungsbatterie gespeist und sein Heizstatus wird dann über einen einfachen PWM-Schalter gesteuert, um ein sehr einfaches und zuverlässiges Heizsystem zu erreichen.
Obwohl PTC die Eigenschaften einer einfachen Struktur, langlebiger Materialien und einer guten Heizwirkung aufweist, führt die Systemstruktur der direkten Stromversorgung durch einen Hochspannungsbatteriesatz dazu, dass der Heizprozess die Reichweite von Elektrofahrzeugen beeinträchtigt. Untersuchungen zeigen, dass der Einsatz von PTC die Batterielebensdauer von Elektrofahrzeugen um etwa 24 % verkürzt.
Eine andere Lösung ist eine Wärmepumpe. Als eine Art Widerstandselement liegt die Grenze des COP (Coefficient of Performance, Heizwirkungsgrad) des PTC bei 100 %, das heißt, elektrische Energie kann höchstens in die gleiche Menge Wärmeenergie umgewandelt werden, während eine Wärmepumpe dies kann bis zu 300 %. Das Prinzip einer Wärmepumpe ähnelt dem einer Haushaltsklimaanlage. Das Kältemittel strömt bidirektional im Verdampfer und Kondensator der Klimaanlage durch ein Vierwegeventil und überträgt Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf niedrigem Niveau auf eine Wärmequelle auf hohem Niveau, wodurch der Effekt des Heizens oder Kühlens erzielt wird. Diese „Wärmeübertragung“ im Vergleich zum PTC-Modus kann durch den nicht „wärmeerzeugenden“ Prozess erheblich elektrische Energie einsparen, wodurch die Reichweite von Elektrofahrzeugen effektiv verlängert wird und ein wichtiger Anwendungstrend der HVAC für Elektrofahrzeuge wird.
3. HMI
Wenn der Motor das Auto in Bewegung setzt, ihm Leben verleiht und der Kofferraum des Autos ist, dann gibt das HMI dem Auto Weisheit und Gedanken und ist die Seele des Autos. Daher werden HMI-Systemlösungen seit jeher von Automobil-OEMs geschätzt. OEMs müssen Fahrern und Passagieren sichere, flexible und komfortable Navigations- und Unterhaltungserlebnisse bieten. Gleichzeitig ist dies auch ein wichtiger Faktor bei der Gestaltung der Produktdifferenzierung. In den letzten Jahren hat sich HMI mit der Elektrifizierung von Automobilen und dem Antrieb großer Hersteller neuer Power-Autos schrittweise in Richtung Zentralisierung, Screenisierung und Intelligenz entwickelt, ähnlich wie bei der Entwicklung von Smartphones. Oftmals verfügt HVAC nicht mehr über eine völlig unabhängige HMI-Schnittstelle, sondern wird mit anderen Funktionen geteilt.