Quan hệ giữa hệ thống làm mát TMS và HVAC trên ô tô điện
Trong xe điện (EV), hệ thống làm mát TMS (Thermal Management System) và HVAC ( Heating, Ventilation, and Air Conditioning) không hoạt động độc lập mà được tích hợp chặt chẽ để tạo thành một hệ thống quản lý nhiệt toàn diện (Integrated Thermal Management System - ITMS). Quan hệ này nhằm tái sử dụng nhiệt thải, giảm tiêu thụ năng lượng và duy trì nhiệt độ lý tưởng cho cả linh kiện điện (pin, motor, inverter) lẫn cabin hành khách. Theo nghiên cứu từ IDTechEx (2025-2035), tích hợp TMS với HVAC có thể tăng phạm vi di chuyển EV lên 10-30% bằng cách giảm tải cho pin, đặc biệt ở khí hậu cực đoan. HVAC truyền thống trong xe xăng sử dụng nhiệt từ động cơ đốt trong để sưởi ấm, nhưng trong EV, nó phải dựa vào điện pin, dẫn đến nhu cầu tích hợp với TMS để tránh lãng phí năng lượng. Vào năm 2025, hầu hết EV cao cấp như Tesla hay BMW đều áp dụng ITMS, nơi HVAC đóng vai trò làm mát/sưởi ấm linh kiện và ngược lại.
1 Tổng quan về quan hệ tích hợp
Quan hệ giữa TMS và HVAC là hai chiều: TMS cung cấp nhiệt thải cho HVAC (sưởi ấm cabin), và HVAC hỗ trợ làm mát cho TMS (qua chiller hoặc heat pump).
Mục tiêu chính là:
1.1 Tiết kiệm năng lượng: Thay vì sử dụng điện pin để sưởi ấm cabin (qua PTC heater), HVAC tái sử dụng nhiệt từ pin/motor/inverter, tiết kiệm 50-70% năng lượng so với hệ thống riêng lẻ.
1.2 Quản lý nhiệt toàn xe: Duy trì nhiệt độ pin (15-45°C), motor/inverter (60-120°C) và cabin (18-25°C) đồng thời, tránh thermal runaway hoặc giảm hiệu suất.
1.3 Tăng phạm vi di chuyển: Ở thời tiết lạnh, tích hợp giúp EV mất ít năng lượng hơn cho sưởi ấm, tăng phạm vi 20-40% theo NREL.
1.4 An toàn và thoải mái: Ngăn chặn quá nhiệt linh kiện đồng thời đảm bảo không khí cabin sạch, lọc bụi PM2.5.
Theo ScienceDirect (2025), ITMS được phân loại dựa trên mức độ tích hợp: cơ bản (chia sẻ coolant), nâng cao (heat pump đảo chiều) và thông minh (AI dự đoán). Quan hệ này đặc biệt quan trọng ở EV vì pin Li-ion nhạy cảm với nhiệt độ, và HVAC chiếm 20-40% tiêu thụ năng lượng ở mùa đông.
Ví dụ thực tế: Tesla Model Y sử dụng Octovalve để tích hợp TMS và HVAC, cho phép chuyển nhiệt từ pin sang cabin, tăng phạm vi 15% ở -10°C so với model không tích hợp. Trong electric buses, hệ thống A/C Combine Chiller của Busthermo tích hợp BTMS và HVAC, giảm chi phí vận hành 20%.
2 Cấu trúc tích hợp
Cấu trúc tích hợp thường bao gồm các loop coolant chia sẻ, với HVAC làm trung tâm. Các thành phần chính:
2.1 Heat Pump (Bơm nhiệt): Đảo chiều để làm mát (hấp thụ nhiệt từ cabin/TMS thải ra ngoài) hoặc sưởi ấm (lấy nhiệt từ môi trường/TMS cho cabin). Heat pump kết nối với chiller để làm mát pin.
2.2 Chiller và evaporator: Chiller (bộ trao đổi nhiệt) kết nối HVAC với TMS, sử dụng chất lạnh (refrigerant như R1234yf) để làm mát coolant từ pin/motor. Evaporator trong HVAC hấp thụ nhiệt cabin.
2.3 Van điều khiển (Valves): Van đa chiều (như 8-way valve ở Tesla) điều chỉnh dòng chảy giữa các loop: pin loop, powertrain loop (motor/inverter) và HVAC loop.
2.3 Bộ trao đổi nhiệt (Heat Exchangers): Radiator chung để thải nhiệt, hoặc plate heat exchanger để chuyển nhiệt giữa coolant và refrigerant.
2.4 ECU và cảm biến: ECU toàn xe giám sát nhiệt độ, điều chỉnh dựa trên dữ liệu thời gian thực, tích hợp AI cho dự đoán (ví dụ, pre-cool pin trước khi sạc).
Theo MDPI (2024), ITMS bao gồm ba loop: HVAC, HVB (High Voltage Battery), và PE (Power Electronics), kết nối qua valves và pumps để linh hoạt. Cấu trúc này giảm trọng lượng và kích thước hệ thống 20-30% so với riêng lẻ.
Ví dụ thực tế: Chevrolet Bolt EV sử dụng chiller tích hợp HVAC để làm mát pin, với valves điều chỉnh dòng refrigerant. BMW iX áp dụng heat pump đa loop, chia sẻ coolant giữa inverter và cabin HVAC, tối ưu cho khí hậu châu Âu.
3 Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý dựa trên truyền nhiệt và tái sử dụng năng lượng, với các chế độ linh hoạt:
3.1 Chế độ làm mát (Cooling Mode): Khi pin/motor nóng, coolant từ TMS chảy qua chiller HVAC, nơi refrigerant hấp thụ nhiệt và thải ra condenser ngoài. Đồng thời, HVAC làm mát cabin bằng evaporator.
3.2 Chế độ sưởi ấm (Heating Mode): Heat pump đảo chiều, lấy nhiệt từ môi trường hoặc nhiệt thải TMS (từ motor/inverter) để sưởi ấm cabin qua heater core. Nếu lạnh cực, bổ sung PTC heater.
3.3 Chế độ tái sử dụng (Waste Heat Recovery): Nhiệt từ pin sạc nhanh được chuyển sang HVAC để sưởi ấm, giảm tải pin. Công thức cơ bản: Hiệu suất COP (Coefficient of Performance) = Nhiệt đầu ra / Điện đầu vào, với heat pump đạt COP 3-4 so với 1 của PTC.
3.4 Điều khiển thông minh: ECU sử dụng dữ liệu từ cảm biến (thermistors, pressure sensors) và AI (như Koopman model) để dự đoán và điều chỉnh, ví dụ tăng lưu lượng khi leo dốc.
Nguyên lý này đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả ở mọi điều kiện, giảm tiêu thụ pin 15-25% theo SSRN (2023).
Ví dụ thực tế: Kia EV6 sử dụng heat pump để tái sử dụng nhiệt inverter sưởi ấm cabin, duy trì phạm vi 500km ở mùa đông. Trong nghiên cứu NREL, tích hợp coolant circuits giảm kích thước radiator 25%, áp dụng cho fleet EV.
4 Lợi ích và thách thức
4.1 Lợi ích:
-Tiết kiệm năng lượng và tăng phạm vi: Giảm 20-40% tiêu thụ HVAC ở lạnh.
-Tăng tuổi thọ linh kiện: Duy trì nhiệt ổn định, giảm degradation pin 15-20%.
-Thoải mái hành khách: Cabin ấm nhanh hơn, tích hợp lọc không khí.
-Chi phí thấp hơn: Giảm linh kiện riêng lẻ, theo Aircontech.
4.2 Thách thức:
-Phức tạp thiết kế: Cần cách điện cao cho high-voltage integration.
-Chi phí ban đầu cao: Heat pump đắt hơn PTC.
-Bảo dưỡng: Rò rỉ gas refrigerant ảnh hưởng toàn hệ thống.
-Tùy chỉnh khí hậu: Hiệu quả giảm ở cực lạnh (< -20°C).
Theo Tata Technologies (2024), tương lai là ITMS với AI và vật liệu tiên tiến để vượt qua thách thức.
Ví dụ thực tế: Rivian R1S gặp vấn đề ban đầu với tích hợp HVAC-TMS ở địa hình off-road, nhưng cập nhật 2025 cải thiện, giảm tiêu thụ 10%. Porsche Taycan sử dụng unified framework để cân bằng nhiệt, đạt hiệu suất cao ở đường đua.
Quan hệ giữa hệ thống làm mát EV và HVAC là yếu tố then chốt cho sự phát triển của EV vào năm 2025, thúc đẩy hiệu quả và bền vững. Sinh viên nên mô phỏng ITMS trên phần mềm như MATLAB hoặc ANSYS để hiểu sâu.
Share on facebook
