열관리 시스템 소개
전기 자동차의 열 관리 시스템은 기존 연료 자동차의 열 관리 시스템에서 진화했으며, 시스템 구성도 각 열 관리 회로의 상대적 독립성에서 통합 방향으로 점차 발전해 왔습니다. 사용할 엔진 폐열이 없기 때문에 실내 난방을 위한 열원을 제공하기 위한 추가 장비가 필요합니다. 현재 전기자동차에 일반적으로 사용되는 난방 방식에는 PTC(정온도계수) 전기 히터 난방과 히트펌프 공조 난방이 있습니다.
1. 단일 냉각 에어컨 + PTC
PTC 전기 히터의 서미스터 저항은 온도가 증가함에 따라 증가하여 가열 전력이 감소하므로 PTC 서미스터는 일정한 온도 특성을 갖습니다. PTC 히팅 시스템은 구성이 간단하고 가격이 저렴하기 때문에 대부분의 초기 전기차는 실내 냉난방 수요를 충족시키기 위해 단일 냉각식 에어컨 냉각과 PTC 전기 히터 히팅을 사용했습니다. 그림 1은 단일냉방에어컨+PTC의 시스템 구성도이다. 여름철 냉방에서는 공기 덕트에 배열된 증발기를 사용하여 열을 흡수하여 냉방 목적을 달성합니다. 난방에는 두 가지 솔루션이 있습니다. 하나는 그림 1의 (a)와 같이 에어컨 박스의 에어 덕트에 공기 PTC를 직접 배치하는 것이다. 난방 수요가 있을 때 PTC에 전원이 공급되어 공기 덕트의 공기를 가열하여 실내로 전달합니다. 다른 하나는 그림 1(b)와 같이 물 PTC에 의해 냉매를 가열하는 것이며, 냉매는 공기 덕트에 배치된 온풍 코어로 유입되어 공기 덕트의 공기를 간접적으로 가열하여 난방 요구를 충족시킵니다.
2. 히트펌프 에어컨 + PTC
PTC는 전기난방을 이용해 난방을 하기 때문에 난방효율이 1보다 작아서 이 난방 방식을 사용하면 전기차의 주행거리를 50% 정도 줄일 수 있다. 히트펌프의 이론적 효율은 1보다 크며, PTC 난방 대신 히트펌프를 사용하는 것이 발전 추세가 되었습니다. ZHANG 등의 연구 결과. 히트펌프 시스템은 PTC 히터 시스템에 비해 41.3%의 에너지를 절약할 수 있음을 보여줍니다. 현재 대부분의 전기자동차는 R134a를 작동유체로 사용하고 있기 때문에 주변온도가 -10도 이하로 낮아지면 히트펌프 시스템의 효율과 신뢰성이 떨어지므로 보조난방을 위한 PTC 전기히터는 여전히 필요하다.
그림 2는 전자식 4방향 역전밸브와 3열교환기를 이용한 히트펌프 공조+PTC 시스템을 보여준다. 히트펌프 공조 시스템은 밸브 본체의 스위치를 통해 시스템의 냉방, 난방, 제습, 제상 모드를 전환합니다. 4 방향 역전 밸브는 가정용 에어컨 분야에서 널리 사용되었습니다. 이를 전기자동차 히트펌프 공조시스템에 적용하면 그림 2(a)와 같이 시스템 냉난방 시 냉매의 역류 문제를 잘 해결할 수 있다. 시스템 솔루션은 구성 요소가 적고 구조가 간단하며 비용이 저렴합니다. 그러나 4방향 역전 밸브의 구리-알루미늄 용접 공정은 어렵고 부식되기 매우 쉽습니다. 고압측과 저압측에 가스 블로우바이가 있으며 이는 시스템 성능에 영향을 미칩니다. 승용차의 히트펌프 공조 시스템은 일반적으로 실외 열교환기 1개와 실내 열교환기 2개로 구성된 3열 교환기 솔루션을 채택하고 있으며, 그림 2(b)와 같이 여러 개의 솔레노이드 밸브를 통해 모드가 전환됩니다.
3. 히트펌프 공조 + 폐열회수 + PTC
우리나라는 영토가 넓고 온도범위도 넓기 때문에 히트펌프 에어컨의 온도범위를 확대할 필요가 있습니다. 모터와 배터리의 폐열은 겨울철 귀중한 열원입니다. 많은 제조업체와 연구 기관에서는 히트펌프 에어컨의 사용을 확대하기 위해 이 부분의 열을 보조 열원으로 재활용하는 것을 고려하고 있습니다.
그림 3은 히트펌프 공조 + 폐열회수 + PTC를 이용한 전기자동차 열관리 시스템의 구성도이다. 이 시스템은 실내 냉방, 난방, 성에 제거, 김서림 제거, 제습 등의 기능을 실현할 수 있습니다. 동시에 배터리와 구동 모터를 가열하거나 냉각할 수 있으며, 배터리와 구동 모터의 폐열 회수도 실현할 수 있습니다. 시스템의 작동 원리는 다음과 같습니다. 실내의 냉방, 난방, 제습, 성에 제거 및 성에 제거 기능은 냉매 회로 솔레노이드 밸브의 스위치 조합을 통해 실현됩니다. 증발기와 병렬로 연결된 배터리 냉각기(Chiller)가 냉매 회로에 추가됩니다. 배터리나 구동 모터에 냉각 수요가 있을 때 냉매는 냉각기를 통과하여 2차 회로의 냉각수를 냉각시킵니다. 배터리나 구동모터의 방열 수요가 크지 않은 경우에는 3방향 밸브의 상태를 전환하여 냉각수의 흐름 방향을 제어하고, 낮은 밸브를 통해 열을 차량 외부로 배출할 수 있다. - 배터리 또는 구동 모터의 냉각을 달성하기 위한 온도 라디에이터; 배터리에 난방 수요가 있을 때 PTC에 전원이 공급되어 난방이 이루어지며 냉매 측의 삼방 밸브를 조정하여 난방 기능이 달성됩니다. 주변 온도가 낮을 때 히트펌프 에어컨을 사용할 수 없고 배터리나 구동 모터에 방열이 필요한 경우, 냉각수는 배터리나 구동 모터 측에서 방출해야 하는 열을 흡수하여 칠러(Chiller)를 통해 흐릅니다. 3방향 밸브를 통해 냉매측으로 열을 교환하여 실내를 가열함으로써 시스템의 작동 온도 범위를 확장하고 시스템의 에너지 효율을 향상시킵니다.
