Gestión térmica en NEVS: Integración y bombas de calor de CO₂

Las fuentes destacan dos tendencias principales de la industria en los sistemas de gestión térmica automotriz, particularmente dentro del panorama en evolución de los nuevos vehículos de energía (NEV):

• Integración de sistemas de gestión térmica
• Avance a las bombas de calor de dióxido de carbono (CO2 o R744)

Estas tendencias están impulsadas por el aumento de la complejidad y la importancia crucial de la gestión térmica en NEV, que necesitan gestionar el calor para la batería, el control electrónico y el calentamiento de cabina de manera eficiente para garantizar la seguridad, el rendimiento y el rango de manejo extendido.

1. Integración de sistemas de gestión térmica

Que es:La integración se refiere a un enfoque de diseño y fabricación donde las funciones manejadas tradicionalmente por múltiples componentes separados se combinan en una sola unidad modular. Esto permite que un módulo reemplace varias piezas individuales, lo que lleva a un sistema más optimizado. Por qué está sucediendo (beneficios):
Costo de sistema reducido:La integración de los componentes puede reducir los costos generales de fabricación y ensamblaje.
Espacio del sistema ampliado (compacidad):Conduce a una estructura más compacta, ahorrando un espacio valioso dentro del vehículo.
Menor peso y volumen:Menos piezas y conectores individuales reducen el peso general y el volumen del sistema de gestión térmica.
Eficiencia energética mejorada:Los sistemas integrados están diseñados para un menor consumo de energía de gestión térmica y un rango de temperatura de funcionamiento más amplio. Por ejemplo, un sistema altamente integrado puede lograr una mejora del 100% en la eficiencia energética.
Rendimiento y confiabilidad mejorados del sistema:Al reducir el número de conexiones y optimizar el diseño, los sistemas integrados pueden mejorar la coincidencia de componentes y aumentar la confiabilidad. El TMS de Huawei, por ejemplo, logra un aumento del 60% en la eficiencia de calibración.
Mejor utilización del calor:Los sistemas integrados utilizan completamente el calor de fuentes como la bomba de calor, el calor de los residuos del motor y el calor del compresor para proporcionar calentamiento suplementario, eliminando efectivamente la necesidad de calentadores PTC de alto voltaje para el calentamiento general.
Ensamblaje simplificado:Puede conducir a una reducción significativa en el número de tuberías (por ejemplo, reducción del 40%) y carga de trabajo de ensamblaje (por ejemplo, reducción del 60%).

Desafíos:
Mayor complejidad de control: si bien la estructura física simplifica, las estrategias de control para los sistemas integrados se vuelven más complejas para gestionar diferentes demandas térmicas en diversos entornos y sistemas.

Ejemplos e implementación: Se destaca Tesla Model Y para introducir primero el concepto de manejo térmico integrado, con un sistema de aire acondicionado de la bomba de calor, PTC de calentamiento de aire de bajo voltaje (para uso complementario), motor, compresor, una "válvula de ocho vías", válvulas de control, bombas de agua y un tanque de rebosiación. Este sistema integra altamente estructura, es compacto, de bajo costo y utiliza efectivamente el calor. La "válvula de ocho vías" es un componente clave en el sistema integrado de Tesla.
Otros fabricantes están siguiendo esta tendencia, con modelos como Byd Dolphin y vehículos equipados con el sistema TMS de Huawei (por ejemplo, Avita 11) que adoptan soluciones integradas.
BYD Dolphin utiliza específicamente la tecnología integrada de la bomba de calor con enfriamiento directo y calentamiento para su batería de cuchilla, utilizando refrigerante directamente sobre el refrigerante tradicional. Su compleja arquitectura de refrigerante incluye seis válvulas solenoides y tres válvulas de expansión electrónica para diversas funciones comocalefacción de batería / enfriamiento y calefacción de cabina / enfriamiento.
Lectura relacionada:Sistema de bomba de calor del delfín BYD

S / n	Definición
1	Válvula solenoide de calentamiento de la batería
2	Válvula solenoide de enfriamiento de la batería
3	Válvula solenoide de intercambio de calor de aire
4	Válvula solenoide de intercambio de calor de fuente de agua
5	Válvula solenoide de calentamiento de aire acondicionado
6	Válvula solenoide de enfriamiento de aire acondicionado
7	Válvula de expansión solenoide de refrigeración
8	Válvula de expansión electrónica de calefacción
9	Válvula de expansión electrónica bidireccional en intercooler

El TMS de Huawei cuenta con la integración más alta de la industria, combinando 12 componentes (compresor, PTC, etc.) para reducir el recuento de tuberías en un 40% y la carga de trabajo de ensamblaje en un 60%. Cuenta con una bomba de calor de temperatura ultra baja (-18 ° C) para una aplicación más amplia.

Impacto en los componentes:
La tendencia de integración impulsa específicamente una nueva demanda de mangueras de caucho automotriz. Las mangueras de goma son vitales para el refrigerante circulante en los sistemas de enfriamiento de NEV. Con el cambio aTecnología de la bomba de calory la gestión térmica integrada de vehículos completos, la demanda de tuberías aumenta significativamente. Los vehículos eléctricos puros pueden usar 20-35 conjuntos de tuberías y vehículos híbridos de hasta 40-50 conjuntos, en comparación con 11-16 conjuntos en autos tradicionales. Esto significa un aumento 3X en el volumen de uso. El valor de un solo vehículo de las mangueras de goma en NEV puede ser 2-3 veces mayor que el de los vehículos de combustible tradicionales, con nuevos vehículos de energía que usan aproximadamente 46 metros de tuberías por vehículo. Los nuevos requisitos incluyen alta temperatura, alta presión, sellado y bajas propiedades de aceite residual para las mangueras.

2. Avance a las bombas de calor de dióxido de carbono (CO2 o R744)

Que es:Esta tendencia implica la adopción de sistemas de aire acondicionado de la bomba de calor que usan dióxido de carbono (R744) como refrigerante. Esto se ve como una alternativa prometedora a las soluciones actuales de calefacción de cabina NEV.

Por qué es importante (beneficios):
Amigante ambiental: CO2 (R744) tiene un potencial de calentamiento global (GWP) de 1, lo que lo hace significativamente más ecológico que R134A (GWP de 1430) e incluso R1234YF (GWP de 1). Las presiones regulatorias, especialmente en Europa, están eliminando los refrigerantes de alto GWP.

Propiedad	R744	R134A	R1234yf
Fórmula química	CO2	CF3CH2F	CF3CF = CH2
Masa molecular relativa	44	102.03	114.04
Punto de ebullición / ° C	-78	-26.1	-29.4
Temperatura crítica / ° C	31	101.1	94.85
Presión crítica / MPA	7.38	4.059	3.38
GWP	1	1430	1
Clasificación de seguridad	A1	A1	A2L
Características	Alta eficiencia, bajo costo y aumento de presión	No es amigable con el medio ambiente	Restricciones de patente, mala eficiencia de enfriamiento

Eficiencia de calefacción superior:Las bombas de calor R744 ofrecen un excelente rendimiento de calefacción, incluso a temperaturas muy frías. Pueden mantener un coeficiente de rendimiento (COP) de 2 incluso a -20 ° C, que es notablemente más alto que los sistemas R134A. Esto aborda directamente el problema del rango reducido en NEV durante el invierno debido a la calefacción de cabina. Para el contexto, un calentador PTC tiene un COP de 1, que consume 5.5kW para 5kW de calor, mientras que una bomba de calor consume solo 2.5kW para los mismos 5kW de calor.
Seguridad: CO2 (R744) tiene una calificación de seguridad de A1.

Desafíos y mayor valor:
Requisitos de alta presión: debido al punto de ebullición más bajo de CO2, todo el sistema de refrigeración debe funcionar a presiones mucho más altas. La salida de alta presión puede alcanzar 18 MPa, con temperaturas de hasta 180 ° C. Esto es significativamente más alto que la presión de 1 MPa y la temperatura de 80 ° C en los sistemas R134A tradicionales.
Aumento de las demandas técnicas: esto requiere componentes más sólidos, lo que lleva a requisitos técnicos más altos para piezas como lacompresor eléctrico, tuberías y válvulas. También requiere sensores de presión para monitorear la presión del sistema.
Compatibilidad del material: CO2 puede reaccionar con los materiales de tubería, aumentando aún más la dificultad técnica.
Mayor costo: la necesidad de componentes especializados de alta presión y componentes resistentes a alta temperatura aumenta el costo del sistema. El valor de un solo vehículo de una bomba de calor de CO2 se estima en 9,600 yuanes, que es significativamente más alto que un sistema PTC tradicional (5,400 yuanes) o una bomba de calor R134A (6,860 yuanes). Este mayor valor se observa principalmente en el compresor eléctrico, las tuberías de aire acondicionado, los sensores y las válvulas.

Los esfuerzos del fabricante nacional de China:
Los fabricantes chinos están invirtiendo activamente en componentes clave para sistemas de bomba de calor de CO2, como compresores eléctricos y válvulas de expansión electrónica.
Los controles inteligentes de Sanhua ya suministran válvulas de expansión electrónica de CO2, válvulas de parada, válvulas de retención, válvulas de regulación, válvulas de cuatro vías y separadores de gas-líquido para algunos modelos europeos de bombas de calor CO2.
Crai Electric está investigando sistemas de tuberías de CO2 de alta presión y ha aprobado la certificación experimental MEB de Volkswagen, pasando a la producción previa a un lote.
Welling Automotive de Midea ha introducido un compresor eléctrico rotativo de CO2 que puede calentarse efectivamente incluso a -35 ° C, potencialmente aumentando un rango en un 20% en comparación con las bombas de calor tradicionales.
En resumen, estas tendencias reflejan un esfuerzo continuo para optimizar el consumo de energía y mejorar el rendimiento y la seguridad de los NEV, avanzando hacia soluciones de gestión térmica más sofisticadas, integradas y eficientes.