1. Requisitos de gerenciamento térmico de veículos elétricos (HVCH)
O habitáculo é o espaço onde o condutor permanece enquanto o veículo está em funcionamento. Para garantir um ambiente de condução confortável para o condutor, o gerenciamento térmico do habitáculo precisa controlar a temperatura, a umidade e a temperatura do ar fornecido ao interior do veículo. Os requisitos de gerenciamento térmico do habitáculo em diferentes condições são mostrados na Tabela 1.
O controle da temperatura da bateria de potência é um pré-requisito importante para garantir a operação eficiente e segura de veículos elétricos. Quando a temperatura está muito alta, pode ocorrer vazamento de líquido e combustão espontânea, o que afeta a segurança na condução; quando a temperatura está muito baixa, a capacidade de carga e descarga da bateria é reduzida. Devido à sua alta densidade de energia e baixo peso, as baterias de lítio tornaram-se as baterias de potência mais utilizadas em veículos elétricos. Os requisitos de controle de temperatura das baterias de lítio e a carga térmica da bateria em diferentes condições, estimados de acordo com a literatura, são mostrados na Tabela 2. Com o aumento gradual da densidade de energia das baterias de potência, a expansão da faixa de temperatura do ambiente de trabalho e o aumento das velocidades de carregamento rápido, a importância do controle da temperatura da bateria de potência no sistema de gerenciamento térmico tornou-se ainda mais evidente, não apenas para atender a diferentes condições de estrada e diferentes modos de carga e descarga. A carga de controle de temperatura varia de acordo com as condições de funcionamento do veículo, a uniformidade do campo térmico entre os conjuntos de baterias e a prevenção e o controle da fuga térmica também precisam atender a todos os requisitos de controle de temperatura em diferentes condições ambientais, como frio intenso, calor extremo e alta umidade, bem como verões quentes e invernos rigorosos.
2. O primeiro estágio do aquecimento PTC
Na fase inicial da industrialização de veículos elétricos, a tecnologia central baseia-se basicamente na substituição de baterias, motores e outros sistemas de energia, com base em melhorias graduais. O ar-condicionado de um veículo puramente elétrico e o de um veículo a combustão realizam a função de refrigeração por meio do ciclo de compressão de vapor. A diferença entre os dois é que o compressor do ar-condicionado de um veículo a combustão é acionado indiretamente pelo motor por meio de uma correia, enquanto o veículo puramente elétrico utiliza diretamente o compressor elétrico para acionar o ciclo de refrigeração. Quando os veículos a combustão são aquecidos no inverno, o calor residual do motor é usado diretamente para aquecer o habitáculo sem uma fonte de calor adicional. No entanto, o calor residual do motor de veículos puramente elétricos não consegue suprir as necessidades de aquecimento no inverno. Portanto, o aquecimento no inverno é um problema que os veículos puramente elétricos precisam resolver. Um aquecedor de coeficiente de temperatura positivo (PTC, do inglês Positive Temperature Coefficient) é composto por um elemento de aquecimento cerâmico PTC e um tubo de alumínio (Aquecedor de líquido refrigerante PTC/Aquecedor de ar PTC), que possui as vantagens de baixa resistência térmica e alta eficiência de transferência de calor, e é utilizado na base da carroceria de veículos a combustão. Portanto, os primeiros veículos elétricos utilizavam refrigeração por compressão de vapor combinada com aquecimento PTC para obter o controle térmico do compartimento de passageiros.
2.1 Aplicação da tecnologia de bomba de calor na segunda etapa
Na prática, os veículos elétricos apresentam alta demanda de energia para aquecimento no inverno. Do ponto de vista termodinâmico, o COP (coeficiente de desempenho) do aquecimento por PTC (tubo termostático) é sempre inferior a 1, o que resulta em alto consumo de energia e baixa taxa de utilização, limitando seriamente a autonomia dos veículos elétricos. A tecnologia de bomba de calor utiliza o ciclo de compressão de vapor para aproveitar o calor de baixa temperatura do ambiente, e seu COP teórico durante o aquecimento é superior a 1. Portanto, o uso de um sistema de bomba de calor em vez de um PTC pode aumentar a autonomia dos veículos elétricos em condições de aquecimento. Com o aprimoramento da capacidade e da potência das baterias, a carga térmica durante a operação também aumenta gradualmente. A estrutura tradicional de resfriamento a ar não atende aos requisitos de controle de temperatura das baterias. Assim, o resfriamento líquido tornou-se o principal método de controle térmico das baterias. Além disso, como a temperatura de conforto desejada pelo corpo humano é semelhante à temperatura de operação normal da bateria, as necessidades de resfriamento do habitáculo e da bateria podem ser atendidas conectando-se trocadores de calor em paralelo no sistema de bomba de calor do habitáculo. O calor da bateria é dissipado indiretamente pelo trocador de calor e pelo sistema de arrefecimento secundário, o que melhora o grau de integração do sistema de gestão térmica do veículo elétrico. Apesar dessa melhoria, o sistema de gestão térmica, nesta fase, integra apenas o arrefecimento da bateria e do habitáculo, não aproveitando eficazmente o calor residual da bateria e do motor.
Data da publicação: 04/04/2023
