Nghiên cứu mô phỏng hiệu suất sưởi ấm trong hệ thống bơm nhiệt trên xe điện (EV)
Hệ thống điều hòa không khí không chỉ là thành phần quan trọng trong việc đảm bảo sự thoải mái cho hành khách mà còn ảnh hưởng lớn đến hiệu quả năng lượng và phạm vi di chuyển của xe điện. Vào mùa đông, nhu cầu sưởi ấm cabin gia tăng đáng kể, dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao, ảnh hưởng nghiêm trọng đến quãng đường di chuyển của xe điện (EV).
Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng Simcenter Amesim nhằm phân tích sâu về hiệu suất sưởi ấm của hệ thống bơm nhiệt. Thông qua xây dựng mô hình một chiều, các yếu tố ảnh hưởng như tốc độ máy nén (Compressor speed), mức mở van giãn nở (EXV) và tỷ lệ tuần hoàn không khí (Cycle ratio) được tối ưu hóa để đạt hiệu quả cao nhất.
Link bài nghiên cứu: https://drive.google.com/file/d/1-rLN1FkzPCmM-RWRQATsGd_X8ZYFyDjJ/view?usp=sharing
1. Tổng quan về thách thức của hệ thống điều hòa không khí trên xe điện
Tầm quan trọng của hệ thống điều hòa không khí trên EV
- Hệ thống điều hòa không khí là nguồn tiêu thụ năng lượng lớn thứ hai trên xe điện, chỉ sau động cơ.
- Trong điều kiện thời tiết lạnh, hệ thống này cần tiêu thụ nhiều năng lượng để sưởi ấm cabin, dẫn đến việc giảm phạm vi di chuyển của xe.
So sánh với xe động cơ đốt trong (ICE)
- Xe ICE tận dụng nhiệt thải từ động cơ để sưởi ấm cabin, trong khi xe điện không có nguồn nhiệt thải đáng kể.
- Điều này buộc xe điện phải dựa vào năng lượng từ pin, làm tăng mức tiêu hao điện năng.
Thách thức trong điều kiện dưới −5 °C
- Hệ thống bơm nhiệt hoạt động kém hiệu quả ở nhiệt độ rất thấp.
- Để bù đắp, các xe điện phải tích hợp PTC heater (bộ sưởi có hệ số nhiệt dương), nhưng điều này làm tăng thêm chi phí năng lượng.
2. Mô hình bơm nhiệt và các yếu tố nghiên cứu
Cấu trúc mô hình bơm nhiệt
- Mô hình được xây dựng với các thành phần chính: máy nén, van giãn nở, bộ trao đổi nhiệt trong và ngoài, và hệ thống tuần hoàn khí.
- Trong chế độ sưởi, chất làm lạnh được nén thành khí áp suất cao và nhiệt độ cao, sau đó đi qua bộ trao đổi nhiệt trong cabin để tỏa nhiệt và ngưng tụ.
Phương pháp mô phỏng
- Nghiên cứu tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sưởi ấm, bao gồm:
- Tốc độ máy nén: Tác động đến lượng chất làm lạnh lưu thông.
- Mức mở van giãn nở (EXV): Kiểm soát áp suất và nhiệt độ trong hệ thống.
- Tỷ lệ không khí ngoài và không khí tuần hoàn: Quyết định hiệu quả sưởi ấm và chất lượng không khí trong cabin.
3. Kết quả nghiên cứu và phân tích chi tiết
3.1. Ảnh hưởng của mức mở van giãn nở (EXV)
- EXV 450 bước đạt hiệu suất tối ưu:
- Ở mức mở này, nhiệt độ xả máy nén duy trì ở mức an toàn dưới 100 °C.
- Đảm bảo khả năng sưởi ấm cao mà không làm hỏng hệ thống.
- Tác động khi EXV mở quá nhỏ hoặc quá lớn:
- Mở quá nhỏ: Nhiệt độ xả máy nén vượt 150 °C, có thể làm cacbon hóa dầu bôi trơn, gây hỏng máy nén.
- Mở quá lớn: Giảm nhiệt độ và áp suất xả, dẫn đến khả năng sưởi ấm giảm mạnh.
3.2. Ảnh hưởng của tốc độ máy nén (Compressor speed)
- Tăng tốc độ máy nén từ 2000 RPM lên 7000 RPM:
- Khả năng sưởi ấm tăng 2.13 lần, nhưng tiêu thụ năng lượng tăng 4.33 lần.
- Hệ số hiệu suất (COP) giảm từ 3.57 xuống 1.74, cho thấy mức tiêu hao năng lượng không cân xứng với hiệu suất đạt được.
- Mức tối ưu: 5000 RPM, đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất sưởi ấm và tiêu thụ năng lượng.
3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn không khí (Cycle ratio)
- Tỷ lệ tuần hoàn không khí ngoài 30%:
- Giúp duy trì mức nhiệt và chất lượng không khí tốt nhất trong cabin.
- Hạn chế sự tích tụ CO₂ trong cabin, đảm bảo an toàn cho tài xế trong các chuyến đi dài.
- So sánh:
- Khi tăng tỷ lệ không khí ngoài lên 50%, khả năng sưởi ấm tăng 44.08% so với chế độ hoàn toàn tuần hoàn.
- Chế độ hoàn toàn sử dụng không khí ngoài giúp tăng khả năng sưởi ấm lên 1.62 lần nhưng tiêu thụ năng lượng nhiều hơn.
4. Lựa chọn chất làm lạnh tối ưu
Nghiên cứu so sánh các chất làm lạnh phổ biến như R134a, R1234yf, R407C, và R410a:
- R134a và R1234yf:
- Hiệu suất sưởi ấm và COP cao hơn so với R407C và R410a.
- R1234yf có lợi thế hơn nhờ tác động môi trường thấp (ODP và GWP thấp hơn).
- R407C và R410a:
- Tiêu hao năng lượng cao hơn và COP thấp hơn, không phù hợp cho hệ thống bơm nhiệt hiện đại.
5. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu
Giải pháp cho thách thức mùa đông
- Kết hợp PTC heater: Bù đắp sự suy giảm hiệu suất ở nhiệt độ dưới −5 °C.
- Thiết kế tối ưu hóa: Dựa vào kết quả mô phỏng, các nhà sản xuất có thể tối ưu hệ thống bơm nhiệt để giảm năng lượng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo hiệu quả sưởi ấm.
Ứng dụng trong thực tiễn sản xuất xe điện
- Cải thiện quãng đường di chuyển: Giảm tiêu thụ năng lượng, tăng tính cạnh tranh của xe điện.
- Bảo vệ môi trường: Lựa chọn chất làm lạnh phù hợp góp phần giảm hiệu ứng nhà kính và bảo vệ tầng ozone.
6. Kết luận
Nghiên cứu này đã cung cấp một lộ trình rõ ràng để cải thiện hệ thống bơm nhiệt trong xe điện. Với sự hỗ trợ của mô phỏng số và các phân tích kỹ lưỡng, các nhà sản xuất có thể xây dựng những hệ thống tối ưu hóa, đáp ứng nhu cầu sử dụng thực tế và góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp ô tô điện.
Liên hệ để biết thêm chi tiết
📍 Website: https://phanthanh.id.vn / https://plm.id.vn
📍 Facebook: https://www.facebook.com/thanh.sysadmin
📍 LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/thanhplm/
📍 Hotline: +84 976-099-099
📍 Email: lpthanh.plm@gmail.com
Experienced in Healthcare IT, I specialize in implementing and optimizing PACS, HIS/RIS, and HL7-FHIR interoperability to enhance efficiency and patient care. My expertise includes:
✔ PACS Solutions – Streamlining medical image storage, communication, and integration with HIS/RIS & HL7-FHIR systems – Ensuring seamless data exchange across healthcare systems.
Passionate about digital transformation in healthcare, I help organizations improve connectivity and operations. Let’s connect!
Luu Phan Thanh (Tyler) Solutions Consultant at PACS Ecosystem Mobile +84 976 099 099
Web www.plm.id.vn Email tyler.luu@plm.id.vn / lpthanh.plm@gmail.com