การพัฒนา HVAC ของยานยนต์ภายใต้แนวโน้มของการใช้พลังงานไฟฟ้า
ภายใต้คลื่นแห่งการใช้พลังงานไฟฟ้าและความชาญฉลาดของยานพาหนะ ยานพาหนะไฟฟ้ามีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ยอดขายรถยนต์ไฟฟ้าเติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่ "ความกังวลเรื่องระยะทาง" และ "ความวิตกกังวลด้านความปลอดภัย" ยังคงเป็นปัญหาของผู้บริโภคจำนวนมาก ปัญหาของระยะการล่องเรือจะเห็นได้ชัดเป็นพิเศษที่อุณหภูมิต่ำ เมื่อรถยนต์ไฟฟ้าขับเคลื่อนที่อุณหภูมิต่ำ ความสามารถในการล่องเรือของยานพาหนะอาจลดลงมากกว่า 40% เนื่องจากการใช้ระบบปรับอากาศแบบฮีตเตอร์และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลง จากมุมมองด้านความปลอดภัย การจัดการแบตเตอรี่และความร้อนของเครื่องใช้ไฟฟ้าในรถยนต์ก็มีความสำคัญอย่างยิ่งเช่นกัน ปัญหาเหล่านี้จำเป็นต้องมีระบบการจัดการความร้อนของยานยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าในการแก้ปัญหา พูดง่ายๆ ก็คือ ระบบการจัดการความร้อนในยานยนต์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนที่เกี่ยวข้อง เช่น HVAC การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ การควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ของมอเตอร์ และการจัดการความร้อนของเครื่องใช้ไฟฟ้ากำลังสูง
ในบรรดาสิ่งเหล่านั้น HVAC ของยานพาหนะ (การทำความร้อน การระบายอากาศ และการปรับอากาศ HVAC) หมายถึงระบบหรืออุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องที่รับผิดชอบในการทำความร้อน การระบายอากาศ และการปรับอากาศในยานพาหนะ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง HVAC แบ่งออกเป็นส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องเป็นหลัก เช่น อุปกรณ์ทำความเย็น อุปกรณ์ทำความร้อน และอินเทอร์เฟซสำหรับเครื่องจักรของมนุษย์ (HMI)
ต่อไป เราจะดูอุปกรณ์ทำความเย็น อุปกรณ์ทำความร้อน และ HMI ใน HVAC ตามลำดับ และมุ่งเน้นไปที่โซลูชันทางเทคนิคและแนวโน้มการพัฒนาของ HVAC สำหรับยานพาหนะไฟฟ้า
1. อุปกรณ์ทำความเย็น
อุปกรณ์ทำความเย็นของ HVAC ในรถยนต์นั้นคล้ายคลึงกับเครื่องปรับอากาศทั่วไปของเรา ซึ่งใช้วงจรสถานะของการอัดสารทำความเย็น การควบแน่น การขยายตัว และการระเหยเพื่อควบคุมอุณหภูมิ การถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงสถานะของสารทำความเย็นเป็นหลัก ส่วนประกอบหลักของหน่วยทำความเย็นที่รับผิดชอบการทำงานข้างต้น ได้แก่ คอมเพรสเซอร์ คอนเดนเซอร์ วาล์วขยาย ตัวรับ/เครื่องอบแห้ง และเครื่องระเหย
ดังที่แสดงในภาพ สารทำความเย็นเหลวจะดูดซับความร้อนจากห้องโดยสารและระเหยเป็นก๊าซในเครื่องระเหย จากนั้นไอจะถูกดึงออกจากเครื่องระเหยด้วยคอมเพรสเซอร์ ซึ่งจะบีบอัดไอเพื่อเพิ่มความดัน ไอน้ำแรงดันสูงและอุณหภูมิสูงที่เกิดจากคอมเพรสเซอร์จะถูกทำให้เย็นลงโดยอากาศภายนอกในคอนเดนเซอร์และควบแน่นเป็นของเหลวแรงดันสูง ของเหลวจะขยายตัวและคลายการบีบอัดในวาล์วขยายตัวก่อนเข้าสู่เครื่องระเหย กระบวนการข้างต้นถือเป็นวงจรต่อเนื่อง กระบวนการระเหยจะดูดซับความร้อนจากอากาศโดยรอบเพื่อให้เกิดความเย็น และอากาศเย็นจะถูกเป่าเข้าไปในห้องโดยสารผ่านพัดลม
2. อุปกรณ์ทำความร้อน
สำหรับยานยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน การทำความร้อนให้รถทำได้ง่ายกว่าการทำให้รถเย็นลง ประสิทธิภาพการแปลงของเครื่องยนต์สันดาปภายในต่ำ (ประมาณ 30%) และทำให้เกิดความร้อนมากขึ้นระหว่างการทำงาน ความร้อนนี้จะไหลเข้าสู่แกนเครื่องทำความร้อนผ่านสารหล่อเย็น จากนั้นด้วยการควบคุมง่ายๆ อากาศร้อนที่ควบคุมได้จะถูกเป่าเข้าไปในห้องโดยสารผ่านพัดลม ,รักษาอุณหภูมิห้องโดยสารให้คงที่ กระบวนการนี้ประหยัดและเรียบง่ายมากและสามารถทำได้ตราบใดที่เครื่องยนต์สันดาปภายในยังทำงานอยู่ ไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงเพิ่มเติมและจะไม่เพิ่มการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง แต่สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า การทำความร้อนเป็นการดำเนินการที่ค่อนข้างซับซ้อน ปัจจุบัน โซลูชันการทำความร้อนกระแสหลักคือ PTC และปั๊มความร้อน
PTC (ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก ตัวต้านทานค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก) เป็นตัวต้านทานเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปที่มีความไวต่ออุณหภูมิเป็นบวก เมื่อได้รับพลังงานความร้อนจะทำให้เกิดความร้อนซึ่งสามารถนำไปใช้ทำความร้อนให้กับเครื่องปรับอากาศได้ เมื่อเปิด PTC เป็นครั้งแรก ความต้านทานจะแสดงแนวโน้มลดลงอย่างช้าๆ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น กล่าวคือ ค่าความร้อนที่อุณหภูมิห้องต่ำ เมื่ออุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิกูรี ค่าความต้านทานจะลดลงตามอุณหภูมิ การเพิ่มขึ้นเป็นการเพิ่มขึ้นแบบขั้นตอน และประสิทธิภาพจริงคือหยุดทำงานโดยอัตโนมัติ เนื่องจากองค์ประกอบ PTC สำหรับการทำความร้อน คุณลักษณะอุณหภูมิคงที่อัตโนมัติจึงสามารถขจัดความจำเป็นในการใช้วงจรควบคุมอุณหภูมิที่ซับซ้อนได้ ในยานพาหนะไฟฟ้า PTC จะได้รับพลังงานโดยตรงจากชุดแบตเตอรี่แรงดันสูง จากนั้นสถานะการทำความร้อนจะถูกควบคุมโดยสวิตช์ PWM ธรรมดาเพื่อให้ได้ระบบทำความร้อนที่เรียบง่ายและเชื่อถือได้
แม้ว่า PTC จะมีคุณลักษณะของโครงสร้างที่เรียบง่าย วัสดุที่ทนทาน และให้ความร้อนที่ดี แต่โครงสร้างระบบที่ขับเคลื่อนโดยตรงจากชุดแบตเตอรี่ไฟฟ้าแรงสูงจะทำให้กระบวนการทำความร้อนส่งผลต่อระยะการขับเคลื่อนของยานพาหนะไฟฟ้า ผลการวิจัยพบว่าการใช้ PTC จะช่วยลดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของรถยนต์ไฟฟ้าได้ประมาณ 24%
อีกวิธีหนึ่งคือปั๊มความร้อน เนื่องจากเป็นองค์ประกอบต้านทานชนิดหนึ่ง ขีดจำกัดของ COP ของ PTC (สัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพการทำความร้อน) คือ 100% กล่าวคือ พลังงานไฟฟ้าสามารถแปลงเป็นพลังงานความร้อนในปริมาณเท่ากันได้มากที่สุดเท่านั้น ในขณะที่ปั๊มความร้อนสามารถเป็นได้ สูงถึง 300% หลักการของปั๊มความร้อนนั้นคล้ายคลึงกับหลักการของเครื่องปรับอากาศในครัวเรือน สารทำความเย็นจะไหลแบบสองทิศทางในเครื่องระเหยและคอนเดนเซอร์ของเครื่องปรับอากาศผ่านวาล์วสี่ทาง ถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากแหล่งความร้อนระดับต่ำไปยังแหล่งความร้อนระดับสูง ดังนั้นจึงบรรลุผลของการทำความร้อนหรือความเย็น "การถ่ายเทความร้อน" นี้ เมื่อเปรียบเทียบกับโหมด PTC กระบวนการที่ไม่ "สร้างความร้อน" สามารถประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมาก จึงขยายขอบเขตการล่องเรือของยานพาหนะไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ และกลายเป็นแนวโน้มการใช้งานที่สำคัญของ HVAC สำหรับยานพาหนะไฟฟ้า
3. เอชเอ็มไอ
หากเครื่องยนต์ทำให้รถเคลื่อนที่ ทำให้รถมีอายุการใช้งาน และเป็นท้ายรถ HMI จะทำให้รถมีสติปัญญาและความคิด และเป็นจิตวิญญาณของรถ ดังนั้นโซลูชันระบบ HMI จึงได้รับการยกย่องจาก OEM ในอุตสาหกรรมยานยนต์มาโดยตลอด OEM จะต้องมอบประสบการณ์การนำทางและความบันเทิงที่ปลอดภัย ยืดหยุ่น และสะดวกสบายให้แก่ผู้ขับขี่และผู้โดยสาร ในขณะเดียวกัน นี่เป็นปัจจัยสำคัญในการสร้างความแตกต่างของผลิตภัณฑ์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการใช้พลังงานไฟฟ้าของรถยนต์และการขับเคลื่อนของผู้ผลิตรถยนต์พลังงานรายใหญ่รายใหม่ HMI ได้ค่อยๆ พัฒนาไปสู่การรวมศูนย์ การคัดกรอง และความอัจฉริยะ คล้ายกับการพัฒนาสมาร์ทโฟน หลายครั้งที่ HVAC ไม่มีอินเทอร์เฟซ HMI ที่เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์อีกต่อไป แต่จะใช้ร่วมกับฟังก์ชันอื่นๆ