纯电动汽车集成式热管理

近年来，全球汽车行业一直致力于开发高效，价格合理，较高行驶里程的电动乘用车，这些乘用车将与化石燃料驱动的同类产品竞争并最终取代它们。在传统内燃机（ICE）车辆中，辅助负载（例如机舱和车辆部件的加热和冷却）仅占燃料使用的一小部分，因为大部分能量是作为废热而损失。在BEV中，由于高效的转换率，废热能量非常低，因此辅助负载占能源使用量的很大一部分。因此，BEV要求辅助系统要更有效率。特别是加热方面，ICE车辆中的加热可以使用来自发动机的废热。在BEV中，加热与汽车行驶所需的能量相互竞争，并且在寒冷天气条件下会严重耗尽电池。近年来对BEV架构的调查表明，相关人员一直在试验不同热管理概念的组合：机舱的预处理;空气，冷却液和制冷剂冷却的电池;热泵;收集和再利用废热等。其中一些技术可以结合起来以提高效率，同时降低实施的成本和复杂性。

研究对象
以2015款菲亚特（Fiat）500eBEV为研究对象（图1）。这款汽车有三个热循环：
1.客舱空调回路
2.电池加热/冷却回路
3.电力电子和电机（PEEM）冷却回路。

图1 2015款菲亚特500eBEV
该车辆具有标准的蒸汽压缩回路，用于车厢空气冷却，并通过制冷剂 - 冷却液热交换器（battery chiller）为电池提供主动冷却。蒸汽压缩回路使用R-134a制冷剂，包括电动压缩机，标准制冷剂 - 空气蒸发器和标准热膨胀阀（TXV）。使用位于HVAC模块中的5kWPTC加热器来实现对客舱空气的加热。除了通过chiller主动冷却之外，电池还通过在电池和前端散热器之间回路中循环的冷却液来冷却。该回路具有6 kWPTC冷却液加热器，用于加热电池。图2显示了该车辆中的热回路的示意图。经过测试，该车辆的行驶里程在-10°C环境温度时为在22°C的45％。
可以看出，这三个子系统在运行中是相对独立的，用于HVAC系统的的空气电加热方式造成了电池能量的显着消耗，而由电池和PEEM产生的废热则没用被利用起来。

图2 菲亚特500eBEV的热循环
UTEMPRA热管理系统
为了解决上述问题，一款新的热管理（UTEMPRA）系统应运而生。它包括半封闭式制冷回路和用于热能分配和废热收集的冷却液网络。图3显示了UTEMPRA冷却液网络，它可以满足菲亚特500e中相同的热功能。该设计使用两个冷却液泵和阀门歧管，有助于将热能分配给车辆HVAC系统和其他热负载，例如电池，PEEM等。在冷却模式下，冷却剂从chiller输送到HVAC冷却器，用于客舱冷却和除湿。当需要时，相同的冷却剂液流能够被分离开以冷却电池。位于车辆前部的前端热交换器（FEX）通常条件下跟ICE汽车中的前端散热器一样，将来自冷凝器的热冷却剂的热量排出到外部空气中。在加热模式下，来自冷凝器的热冷却剂被引导至HVAC加热器以进行客舱加热，同时FEX接收比周围空气更冷的冷却剂，因此从其吸收热量。与HVAC加热器并行地，该冷却剂可以被引导至电池以将其温度保持在范围内。冷却模式类似于标准空调操作，而加热模式作为热泵操作。

图3 UTEMPRA系统
UTEMPRA系统用单个热交换器取代了菲亚特500e的独立冷凝器，电池散热器和PEEM散热器，从而提高了其容量和效率。此外，它消除了对电池和PEEM冷却的单独制冷和/或冷却液回路的需要。它还消除了对电动空气加热器的需求。这些消除和整合一起减少了制冷剂总量，泵送功率，整体系统质量和成本。与基准车辆系统相比，UTEMPRA的一个特点是客舱预热的速度低于基准车辆的速度，因为后者是PTC加热器直接加热舱内空气，在此系统中首先加热的是中间流体（即冷却液）。这种加热速度是可以接受的，因为在ICE车辆中，发动机预热也需要一定的时间。若在最初几分钟内增大PTC冷却液加热器的功率则会缩短预热时间，而不会显着改变汽车的行驶里程。
仿真结果
构建UTEMPRA系统的MATLAB /Simulink模型，运用台架校准后的模型来预测各种条件下的系统行为。
达到机舱目标设定点温度22°C的时间受PTC加热的影响很大。图4（a）显示了PTC加热器的电功率如何影响UTEMPRA系统车辆从-10°C到22°C所需的时间，车辆行驶速度为40 km/h恒速。如果以平均0.5千瓦的PTC热量补充热泵吸取的热量，到达车厢设定温度的时间将与原始车辆测试中的相同，但能源消耗大约是原始消耗的一半。图4（b）显示了由UTEMPRA系统引起的行驶里程收益的初始估计：假设稳定速度为40 km/h且未对原始车辆或UTEMPRA车辆进行预处理，则在-10°C时UTEMPRA系统车辆要比基准车辆多15.5％。


图4 对UTEMPRA系统下节能和续驶里程的评估
以图5所示的MCT循环工况为基础来进行该系统的动态行驶循环仿真，其中修改了怠速和CSC持续时间，但保留了UDDS和HFEDS的基本模式。表1和图6为该仿真的结果。

图5 SAE J1634 (2012) MCT速度曲线
表1 总行驶里程的仿真结果（-10°C环境温度，客舱设定值22°C）


图6 菲亚特500e原装车辆和采用UTEMPRA系统的车辆的速度曲线和总电池功耗（-10°C环境温度，客舱设定值22°C）
稳定速度和动态驾驶循环仿真均表明使用UTEMPRA系统在-10°C环境温度下，续驶里程改善了15％-18％。
小结
1.汽车行业的发展趋势表明，纯电动汽车正在进入大众市场，其中一个重要的挑战是由于辅助负载导致的续驶里程减少，其中最重要的是客舱加热和冷却。 本文中的研究车辆在-10℃下的里程损失为45％。
2.在高效的BEV中，重新利用来自电力电子设备，电池等的废热是非常重要的。 UTEMPRA系统实现了这点。
3.在严酷的寒冷环境条件下，续驶里程的改善潜力很大，台架试验校准模型表明该系统可以增加15％-18％的续驶里程。