近年來，全球汽車行業(yè)一直致力于開發(fā)高效，價格合理，較高行駛里程的電動乘用車，這些乘用車將與化石燃料驅(qū)動的同類產(chǎn)品競爭并最終取代它們。在傳統(tǒng)內(nèi)燃機（ICE）車輛中，輔助負載（例如機艙和車輛部件的加熱和冷卻）僅占燃料使用的一小部分，因為大部分能量是作為廢熱而損失。在BEV中，由于高效的轉(zhuǎn)換率，廢熱能量非常低，因此輔助負載占能源使用量的很大一部分。因此，BEV要求輔助系統(tǒng)要更有效率。特別是加熱方面，ICE車輛中的加熱可以使用來自發(fā)動機的廢熱。在BEV中，加熱與汽車行駛所需的能量相互競爭，并且在寒冷天氣條件下會嚴重耗盡電池。近年來對BEV架構(gòu)的調(diào)查表明，相關(guān)人員一直在試驗不同熱管理概念的組合：機艙的預(yù)處理;空氣，冷卻液和制冷劑冷卻的電池;熱泵;收集和再利用廢熱等。其中一些技術(shù)可以結(jié)合起來以提高效率，同時降低實施的成本和復雜性。

研究對象
以2015款菲亞特（Fiat）500eBEV為研究對象（圖1）。這款汽車有三個熱循環(huán)：
1.客艙空調(diào)回路
2.電池加熱/冷卻回路
3.電力電子和電機（PEEM）冷卻回路。

圖1 2015款菲亞特500eBEV
該車輛具有標準的蒸汽壓縮回路，用于車廂空氣冷卻，并通過制冷劑 - 冷卻液熱交換器（battery chiller）為電池提供主動冷卻。蒸汽壓縮回路使用R-134a制冷劑，包括電動壓縮機，標準制冷劑 - 空氣蒸發(fā)器和標準熱膨脹閥（TXV）。使用位于HVAC模塊中的5kWPTC加熱器來實現(xiàn)對客艙空氣的加熱。除了通過chiller主動冷卻之外，電池還通過在電池和前端散熱器之間回路中循環(huán)的冷卻液來冷卻。該回路具有6 kWPTC冷卻液加熱器，用于加熱電池。圖2顯示了該車輛中的熱回路的示意圖。經(jīng)過測試，該車輛的行駛里程在-10°C環(huán)境溫度時為在22°C的45％。
可以看出，這三個子系統(tǒng)在運行中是相對獨立的，用于HVAC系統(tǒng)的的空氣電加熱方式造成了電池能量的顯著消耗，而由電池和PEEM產(chǎn)生的廢熱則沒用被利用起來。

圖2 菲亞特500eBEV的熱循環(huán)
UTEMPRA熱管理系統(tǒng)
為了解決上述問題，一款新的熱管理（UTEMPRA）系統(tǒng)應(yīng)運而生。它包括半封閉式制冷回路和用于熱能分配和廢熱收集的冷卻液網(wǎng)絡(luò)。圖3顯示了UTEMPRA冷卻液網(wǎng)絡(luò)，它可以滿足菲亞特500e中相同的熱功能。該設(shè)計使用兩個冷卻液泵和閥門歧管，有助于將熱能分配給車輛HVAC系統(tǒng)和其他熱負載，例如電池，PEEM等。在冷卻模式下，冷卻劑從chiller輸送到HVAC冷卻器，用于客艙冷卻和除濕。當需要時，相同的冷卻劑液流能夠被分離開以冷卻電池。位于車輛前部的前端熱交換器（FEX）通常條件下跟ICE汽車中的前端散熱器一樣，將來自冷凝器的熱冷卻劑的熱量排出到外部空氣中。在加熱模式下，來自冷凝器的熱冷卻劑被引導至HVAC加熱器以進行客艙加熱，同時FEX接收比周圍空氣更冷的冷卻劑，因此從其吸收熱量。與HVAC加熱器并行地，該冷卻劑可以被引導至電池以將其溫度保持在范圍內(nèi)。冷卻模式類似于標準空調(diào)操作，而加熱模式作為熱泵操作。

圖3 UTEMPRA系統(tǒng)
UTEMPRA系統(tǒng)用單個熱交換器取代了菲亞特500e的獨立冷凝器，電池散熱器和PEEM散熱器，從而提高了其容量和效率。此外，它消除了對電池和PEEM冷卻的單獨制冷和/或冷卻液回路的需要。它還消除了對電動空氣加熱器的需求。這些消除和整合一起減少了制冷劑總量，泵送功率，整體系統(tǒng)質(zhì)量和成本。與基準車輛系統(tǒng)相比，UTEMPRA的一個特點是客艙預(yù)熱的速度低于基準車輛的速度，因為后者是PTC加熱器直接加熱艙內(nèi)空氣，在此系統(tǒng)中首先加熱的是中間流體（即冷卻液）。這種加熱速度是可以接受的，因為在ICE車輛中，發(fā)動機預(yù)熱也需要一定的時間。若在最初幾分鐘內(nèi)增大PTC冷卻液加熱器的功率則會縮短預(yù)熱時間，而不會顯著改變汽車的行駛里程。
仿真結(jié)果
構(gòu)建UTEMPRA系統(tǒng)的MATLAB /Simulink模型，運用臺架校準后的模型來預(yù)測各種條件下的系統(tǒng)行為。
達到機艙目標設(shè)定點溫度22°C的時間受PTC加熱的影響很大。圖4（a）顯示了PTC加熱器的電功率如何影響UTEMPRA系統(tǒng)車輛從-10°C到22°C所需的時間，車輛行駛速度為40 km/h恒速。如果以平均0.5千瓦的PTC熱量補充熱泵吸取的熱量，到達車廂設(shè)定溫度的時間將與原始車輛測試中的相同，但能源消耗大約是原始消耗的一半。圖4（b）顯示了由UTEMPRA系統(tǒng)引起的行駛里程收益的初始估計：假設(shè)穩(wěn)定速度為40 km/h且未對原始車輛或UTEMPRA車輛進行預(yù)處理，則在-10°C時UTEMPRA系統(tǒng)車輛要比基準車輛多15.5％。


圖4 對UTEMPRA系統(tǒng)下節(jié)能和續(xù)駛里程的評估
以圖5所示的MCT循環(huán)工況為基礎(chǔ)來進行該系統(tǒng)的動態(tài)行駛循環(huán)仿真，其中修改了怠速和CSC持續(xù)時間，但保留了UDDS和HFEDS的基本模式。表1和圖6為該仿真的結(jié)果。

圖5 SAE J1634 (2012) MCT速度曲線
表1 總行駛里程的仿真結(jié)果（-10°C環(huán)境溫度，客艙設(shè)定值22°C）


圖6 菲亞特500e原裝車輛和采用UTEMPRA系統(tǒng)的車輛的速度曲線和總電池功耗（-10°C環(huán)境溫度，客艙設(shè)定值22°C）
穩(wěn)定速度和動態(tài)駕駛循環(huán)仿真均表明使用UTEMPRA系統(tǒng)在-10°C環(huán)境溫度下，續(xù)駛里程改善了15％-18％。
小結(jié)
1.汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢表明，純電動汽車正在進入大眾市場，其中一個重要的挑戰(zhàn)是由于輔助負載導致的續(xù)駛里程減少，其中最重要的是客艙加熱和冷卻。 本文中的研究車輛在-10℃下的里程損失為45％。
2.在高效的BEV中，重新利用來自電力電子設(shè)備，電池等的廢熱是非常重要的。 UTEMPRA系統(tǒng)實現(xiàn)了這點。
3.在嚴酷的寒冷環(huán)境條件下，續(xù)駛里程的改善潛力很大，臺架試驗校準模型表明該系統(tǒng)可以增加15％-18％的續(xù)駛里程。