전동화 추세에 따른 자동차 HVAC 개발
자동차의 전기화와 지능화의 물결 속에서 전기 자동차는 급속도로 발전했습니다. 최근 몇 년간 전기차 판매가 급격하게 늘었지만, 여전히 많은 소비자들은 '주행거리 불안'과 '안전 불안'으로 고민하고 있다. 순항 범위의 문제는 저온에서 특히 분명합니다. 전기차는 저온 주행 시 히터 에어컨 사용과 배터리 성능 저하로 인해 차량의 주행 능력이 40% 이상 감소할 수 있다. 안전 관점에서 볼 때 자동차 내 전력 기기의 배터리 및 열 관리도 특히 중요합니다. 이러한 문제를 해결하려면 고성능 자동차 열 관리 시스템이 필요합니다. 간단히 말해서, 자동차 열관리 시스템에는 주로 HVAC, 배터리 열관리, 모터 전자 제어, 고전력 가전제품 열관리 등 관련 부품이 포함됩니다.
그 중 차량용 HVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning, HVAC)란 차량의 난방, 환기, 공조를 담당하는 시스템 또는 관련 장비를 말합니다. 구체적으로 HVAC는 크게 냉동기기, 난방기기, HMI(Human Machine Interface) 등 관련 부품으로 구분된다.
다음으로는 HVAC 분야의 냉동 장치, 난방 장치, HMI를 각각 살펴보고, 전기 자동차용 HVAC 기술 솔루션 및 개발 동향에 대해 중점적으로 살펴보겠습니다.
1. 냉동 장치
자동차 HVAC의 냉동 장치는 냉매 압축, 응축, 팽창 및 증발의 상태 사이클을 사용하여 온도 제어를 달성하는 일반적인 에어컨과 유사합니다. 열 전달은 주로 냉매 상태의 변화를 통해 발생합니다. 위의 기능을 담당하는 냉동 장치의 주요 구성 요소는 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 수신기/건조기 및 증발기입니다.
그림과 같이 액체냉매는 실내의 열을 흡수하여 증발기에서 기체상태로 증발하게 됩니다. 그런 다음 증기는 압축기에 의해 증발기 밖으로 배출되며, 압축기는 증기를 압축하여 압력을 높입니다. 압축기에서 생성된 고압, 고온 증기는 응축기에서 외부 공기에 의해 냉각되어 고압 액체로 응축됩니다. 액체는 증발기로 들어가기 전에 팽창 밸브에서 팽창 및 감압됩니다. 위의 프로세스는 연속적인 사이클을 구성합니다. 증발 과정을 통해 주변 공기로부터 열을 흡수하여 냉각 효과를 얻고, 찬 공기는 팬을 통해 실내로 불어옵니다.
2. 난방 장치
내연기관 차량의 경우 차량을 냉각시키는 것보다 가열하는 것이 더 쉽습니다. 내연기관의 변환 효율은 약 30%로 낮고, 작동 시 더 많은 열이 발생합니다. 이 열은 냉각수를 통해 히터 코어로 유입되고, 간단한 제어를 통해 제어 가능한 뜨거운 공기가 팬을 통해 실내로 유입될 수 있습니다. , 객실의 온도를 일정하게 유지합니다. 이 공정은 매우 경제적이고 간단하며 내연기관이 작동하는 동안 수행할 수 있습니다. 추가 연료가 필요하지 않으며 연료 소비도 증가하지 않습니다. 그러나 전기 자동차의 경우 난방은 상대적으로 복잡한 작업입니다. 현재 더 주류를 이루는 난방 솔루션은 PTC와 히트펌프입니다.
PTC(정온도계수, 정온도계수 저항기)는 정온도 감도를 갖는 일반적인 반도체 저항기입니다. 전원이 공급되면 열이 발생하여 에어컨 난방에 사용될 수 있습니다. PTC의 전원을 처음 켜면 온도가 높아짐에 따라 저항이 천천히 감소하는 경향을 보입니다. 즉, 실온에서의 발열량이 낮습니다. 온도가 퀴리 온도를 초과하면 온도에 따라 저항 값이 감소합니다. 증가는 단계적 증가이며, 실제 성능은 자동으로 작동을 멈추는 것입니다. 가열용 PTC 소자로서 자동 항온 기능을 갖추고 있어 복잡한 온도 제어 회로가 필요하지 않습니다. 전기 자동차에서 PTC는 고전압 배터리 팩으로 직접 구동되며 간단한 PWM 스위치로 발열 상태를 제어하여 매우 간단하고 안정적인 난방 시스템을 구현합니다.
PTC는 구조가 단순하고 내구성이 뛰어난 소재와 발열 효과가 좋은 것이 특징이지만, 고전압 배터리 팩을 직접 구동받아 구동되는 시스템 구조로 인해 발열 과정이 전기차의 주행 거리에 영향을 미치게 된다. 연구에 따르면 PTC를 사용하면 전기 자동차의 배터리 수명이 약 24% 감소하는 것으로 나타났습니다.
또 다른 해결책은 히트펌프입니다. 저항소자의 일종으로 PTC의 COP(성능계수, 가열효율)의 한계는 100%입니다. 즉, 전기에너지는 기껏해야 동일한 양의 열에너지로 변환될 수 있는 반면, 히트펌프는 다음과 같습니다. 300%까지 높습니다. 히트펌프의 원리는 가정용 에어컨의 원리와 유사합니다. 냉매는 사방향 밸브를 통해 에어컨의 증발기와 응축기 내에서 양방향으로 흐르면서 낮은 열원의 열에너지를 높은 열원으로 전달함으로써 가열 또는 냉각의 효과를 얻습니다. 이러한 "열 전달"은 PTC 모드와 비교하여 비"열 발생" 프로세스를 통해 전기 에너지를 크게 절약할 수 있으므로 전기 자동차의 주행 범위가 효과적으로 확장되고 전기 자동차용 HVAC의 중요한 적용 추세가 됩니다.
3. HMI
엔진이 자동차를 움직이게 하고, 자동차에 생명을 불어넣고, 자동차의 트렁크라면, HMI는 자동차에게 지혜와 사고를 제공하는 자동차의 영혼입니다. 따라서 HMI 시스템 솔루션은 항상 자동차 OEM들로부터 높이 평가되어 왔습니다. OEM은 운전자와 승객에게 안전하고 유연하며 편안한 탐색 및 엔터테인먼트 경험을 제공해야 합니다. 동시에 이는 제품 차별화를 형성하는 중요한 요소이기도 합니다. 최근 몇 년간 자동차의 전동화와 주요 신차 제조사의 추진으로 HMI도 스마트폰의 발전과 마찬가지로 중앙화, 화면화, 지능화 방향으로 점차 발전해 나가고 있습니다. HVAC에는 더 이상 완전히 독립적인 HMI 인터페이스가 없지만 다른 기능과 공유되는 경우가 많습니다.