汽车热管理系统及其研究进展

汽车热管理系统及其研究进展

,2

邓义斌1 ，黄荣华1，王兆文1，程 伟3

(1． 华中科技大学能源与动力工程学院 湖北武汉 430074，2．武汉理工大学能源与动力工程学院 湖北武汉 430063，3．东风商用车研发中心 湖北武汉 430056 )

摘 要：汽车热管理技术是汽车提高经济性和动力性、保证关键部件安全运行和车辆行驶安全的重要途径。介绍了汽车热管理的内涵和研究内容；报告了汽车热管理的发展现状与相应的仿真和试验研究方法；阐述了进行汽车热管理集成研究的重要性；指出只有深入研究系统的流动与传热机理，综合利用废热，从整车热管理集成的高度来进行优化匹配设计，才能发挥汽车热管理系统的最大优势。

关键词：汽车 热管理 节能 传热 发动机

中图法分类号：TK407 文献标识码：A

Development in the Study of Vehicle Thermal Management System

Deng Yibin1,2 Huang Ronghua1 Wang Zhaowen1 Cheng Wei3 1. School of Energy & Power Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430070, China

2. School of Energy & Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China

3. Dongfeng Motor Corporation, Wuhan 430056, China

Abstract: Thermal management has become a significant approach to improve the economy and dynamic of vehicle, to ensure the safety of vital assembly and automobile driving. This paper, firstly, introduced concepts and the main research contents of vehicle thermal management, then summarized the development of vehicle thermal management and simulation and experimental research methods corresponding to it. Finally, it pointed out that by the investigation on thermal management system integration with vehicle body, the actual performance of vehicle can be advanced.

Key words: vehicle; thermal management; energy conservation; energy conservation; engine

1 汽车热管理的内涵

运用热力学原理提高整个系统或装置的能量利

用率，减少废热损失、提高系统的稳定性和可靠性的相关技术，从整体的角度来管理热量称为热管理。热管理是从被动地控制温度到主动地管理能量的思想转变，是提高热力系统设计整体性的重要研究方法。热管理的概念提出多年，已在汽车、集成电路、高能激光器、飞机、大型航天器和空间站中应用。

汽车热管理是在能源危机的出现、日益严格的汽车排放法规以及人们对汽车舒适性高要求的背景下应运而生的[1-5]。汽车热管理是从系统集成和整体角度，统筹热管理系统与热管理对象、整车的关系，采用综合控制和系统管理的方法，将各个系统或部件如冷却系统、润滑系统、空调系统等集成一个有效的热管理系统，控制和优化汽车的热量传递过程，

保证各关键部件和系统安全高效运行，完善的管理

并合理利用热能，降低废热排放，提高能源利用效率，减少环境污染。热管理在汽车节能、环保和安全等方面具有突出的战略地位，热管理技术成为汽车节能、提高经济性和保障安全性的重要措施。

2 汽车热管理的研究内容与研究现状

汽车热管理的主要研究内容包括热管理对象热特性研究、热管理系统集成以及热能综合利用等；广泛意义上包括对所有车载热源系统进行综合管理与优化，其中车载热源系统包括发动机的冷却系统、润滑系统、进排气系统和发动机机舱空气流动系统以及驾驶室的空调暖风系统等等，综合考虑空气侧与车载热源系统之间热量传递过程。涉及到冷却介质、热交换器、风扇、泵、底盘空气流动、传感器与执行机构、材料与加工、整车空气动力学、安全

基金项目：国家“八六三”计划节能与新能源汽车重大专项项目（2008AA11A121）

作者简介：邓义斌，男，1979.10，广西壮族自治区鹿寨县人，华中科技大学博士生，主要研究方向为热流控制与管理；dengyb_whut@yahoo.com.cn

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性、可靠性、环保性及系统建模仿真等方面的研究。现阶段主要从以下几个方面进行汽车热管理研究： 2.１按需求控制系统各部件运行参数

机械驱动式冷却水泵和冷却风扇使冷却介质流量取决于发动机转速，无法按需求调节冷却介质的流速以及通过散热器的空气流速，从而难以使发动机在最佳的温度下工作，导致燃料经济性和发动机性能不佳。将冷却介质流速与发动机转速解耦，用电控比例流量阀代替蜡式节温器，根据汽车的运行工况来动态调整冷却量，实现电控化和智能化是冷却系统优化的重要部分。

文献[6-12]阐述电控冷却系统对发动机性能的影响：(1)根据运行工况动态调整冷却量，避免冷却过度和冷却不足，改善冷却效果；(2)机械驱动式冷却系统的散热设计标准是满足全负荷时散热需求，因而在部分负荷工况下冷却过度导致发动机功率浪费，运用电控冷却系统能有效的提高发动机的工作温度，提高热效率，从而改善燃油经济性；(3)根据运行工况动态调整电控泵和电控风扇的转速，其能耗要低于机械驱动式的冷却系统，即使考虑到电能的转换效率只有机械能效率的一半，燃油经济性仍得到改善；(4)Kyung-Wook Choi等人研究电控冷却系统对发动机起动和排放性能的影响，结果表明较高的冷却介质温度和较低的冷却介质流速时HC和CO排放量减少，但NOx排放量有所增加；在较低的冷却介质流速下能取得较高的暖车效率[12]。

目前冷却系统的电控化已在实际应用中体现出优势。韩国现代汽车公司生产的某型轿车，对散热器冷却风扇和冷凝器冷却风扇分别电控，对冷却液温度和空调冷凝器温度进行多级联合控制，结果减少了风扇功率消耗的90%，节省燃油10%[13]。Johnson Elecrtic公司开发一种散热器冷却风扇模块，把风扇、电机、控制电路等封装在一起，可以通过编程精确控制发动机、散热器、发动机舱室的温度[14]。2006年杨小强对某型推土机的冷却系统进行改造，分离油水散热，冷却水、变矩器油、液压油都采用各自散热器，用电控液压马达驱动冷却风扇系统，成功解决系统过热问题[15]。

机械驱动式油泵的压力润滑系统功耗大，不易调节。设计出可控供油量和供油定时的发动机润滑系统，实现按需分配机油可提高环保性和经济性。2001年，Zoz等人研制了发动机润滑系统流动与传热模型，给出预测滑油箱温度的模型[16]；MAN B&W公司设计了Alpha ACC电子定时气缸注油装置现已在船用柴油机上使用；德国的 Schwaderlapp M提出在压力润滑系统采用可调型元件的设想，并运用一种可调型机油泵，取得很好的试验效果[17]。

Masahiko Makino等人开发了应用于汽车空调系统的小型高效的电控压缩机和相应的变换器，与带式传动压缩机相比，效率更高，特别在怠速情况下温度更加稳定[18]。 ２.２设计改进废热回收装置，提高废热利用率

热平衡实验显示大多数内燃机仅有30%左右的燃料热量用于做功，而其余的70%作为废热被冷却介质、排气等带走。如何合理有效的利用废热是热管理技术的主要研究内容之一。

（1）利用冷却系统中的热量。N.S.Ap等人对冷却系统进行改进，取消散热器风扇，在暖气风箱增加鼓风机，将冷却液中的废热用于驾驶室供暖；设计的可调暖通装置适用于一年四季各种不同的外部热环境，很大程度上提高废热的利用[19]。

（2）利用排气热量。Peter Diehl等人运用热电转换等相关技术设计排气热回收装置，进行仿真和试验研究，结果表明排气热回收系统可行有效[20-22]。Masayoshi Mori等研究汽车排气废热利用的热电转换技术，实验和计算表明在当前的技术条件下，通过热电转换技术来提高汽车的燃油经济性并不可行，指出要想通过热电转换技术来提高燃油经济性，仅仅通过提高热电转换效率是不够的，还要提高热交换器等相关设备的性能[23]。

（3）热量综合利用。X. Zeng等人运用热泵、暖风循环和暖通空调模块设计构成混合加热系统（hybrid heating system），并比较该系统在不同的运行工况和外部环境下的能效特性及运行模式，为混合加热系统的优化指明方向[24]。Valerie H.分析金属氢化物制冷系统(metal hydride cooling systems)、吸收式热泵(absorption heat pumps)、沸石热泵(zeolite heat pumps)以及热声制冷(thermo acoustic cooling)等发动机废热利用装置的性能、对材料特性的要求、优缺点及研究现状[25]。Yoshiaki Takano等人运用空调系统的一些部件设计了热气加热器(hot gas heater)，改善汽车暖通系统的性能[26]。 ２.３改进系统部件设计，改善部件热特性

探明整个系统的热流分布，结合空气侧的流动与传热，对部件的结构和安装方式进行优化，改善系统部件热特性，使系统热量合理分布。

（1）对空调、冷却系统的改进研究。Satomi Muto等人把散热器和压缩机合二为一，形成单个冷

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却模块并进行改进，分析结果表明冷却模块的尺寸和重量都大幅减小，而散热器和压缩机的性能都得到提升[27]。Ngy Srun Ap等人对Renault CLIO 1.6 L和VOLVO S80 2.4 L两种车型，对车辆前部的风扇和导风罩对压缩机和散热器的影响进行研究，计算和实验表明在中高速情况下，导风罩的存在反而使空气流速降低[28]。德尔福公司提出中置风扇配置，冷却风扇置于冷凝器后和散热器前，显著改善空气侧的温度分布，获得较高的空气流速[29]。Rajesh A T and Sharad Pol利用仿真和试验分析方法，研究后置式客车发动机冷却系统的性能，发现在低速工况时可以通过提高散热器风扇的功率来提高散热器的效率，而在高速工况时，散热器散热效果受风扇功率影响不大，提出利用偏转板把底盘空气导向散热器提高散热效率的方法[30]。Kohei Nakashima等人研究空冷式摩托车发动机冷却肋片的迎风锥度，试验表明采用有锥度的冷却肋片能提高冷却效果，减小发动机的重量[31]。E. Abu-Ramadan等研究发动机冷却风扇的定子和支撑臂的空气动力学性能，提出相应的优化策略[32]。Ken T. Lan研究散热器的热风回流问题，运用CFD分析前端导风罩对散热器的空气流速，压力分布的影响[33]。

（2）对车辆结构的研究。陈振明等分析汽车前部、客舱、尾部、底部、附加装置和车轮对汽车空气动力学性能的影响，从汽车空气动力学设计的角度优化汽车造型，进而提高汽车的安全性、经济性和舒适性[34]。2009年蓝国勇等人针对五菱之光微型汽车冬季除霜除雾效果不佳的问题，改进风管结构和出风口的位置，进行仿真计算和实车模拟试验，成功解决该类问题[35]。 ２.４改善驾驶室热环境，提高汽车舒适性

车辆室内热环境直接影响乘员的舒适感，结合人体的感官模型，对驾驶室的流动与传热进行研究，是改善车辆的舒适性，提高汽车性能的重要手段。Ward Atkinson从车身结构设计出发，从空调排风口、受阳光辐射影响的汽车玻璃及整个车身的设计，结合空调系统考虑对乘员舒适性的影响[36]。Chao A.Zhang在R134a的汽车空调系统中应用内置式换热器，提高系统性能[37]。Rom McGuffin和Linjie Huang等人建立了人体生理模型（physiological model）、心理舒适度模型（psychological comfort model）和暖体假人模型（thermal manikin），运用CFD分析汽车驾驶室内流动和传热，研究如何提高乘客舒适性[38,39]。Daniel Turle等人运用数值方法分析高级绝热材料和车窗传热技术在汽车热管理中的

应用，减少阳光辐射和外部热环境对驾驶室的影响，提高汽车的舒适性[40]。 ２.５测试技术

热管理系统需要采集大量的参数，如温度、压力、转速、行驶速度等等。先进的测试手段、高精度的传感器以及合理地布置测点是准确测试车辆工作参数的基础。Helmut Berneburg研究将激光多普勒测速仪和其它测量技术应用于发动机舱内空气速度分布的测量[41]。VALEO发动机冷却实验室在散热器两侧合理布置测点，有效地在环境气候风洞中实现对车载散热器两侧的冷却水和空气的流速、温度和压力等的测量[42]。Scott P. Dudley设计了一种直径仅为26mm的半球形传感器，用于直接测量车辆底盘的局部传热系数[43]。Victor Reinz公司在发动机气缸衬垫中嵌入温度传感器，与传统装在缸盖水套中的传感器相比，离燃烧室更近，对温度变化的测量更加可靠和快捷[44]。Martin Liess等人设计了新型测温计，运用相应的补偿算法减小热量传递的“滞后效应”引起的测量误差[45]。Alaa E. El-Sharkawy研究热电偶在温度测量中的温度响应及其影响因素，给出了理论分析结果和实验结果[46]。 ２.６控制技术 控制系统把各运行部件、传感器、微处理器和执行机构等组织起来，根据行车状况、环境气候、冷却介质温度等参数，实现各部件的多元联合控制，自动调节，保证发动机和整车处于最佳工作状态，减少传热损失和功率损耗。Matthieu等人对汽车冷却系统进行建模分析和实验，并应用42/14V双电压控制系统[47]。2005年PradeepSetlur用集总参数模型法来分析冷却系统，建立了智能节温器、变速泵和变速风扇的数学模型，设计了非线性控制器来实现对冷却介质流速的控制，实验表明在各种工况下，控制器能很好的实现对系统的控制[48]。2008年Mohammad H.等人设计了由伺服电机控制的冷却系统，用基于Lyapunov的非线性控制算法来控制缸套温度，仿真和试验结果表明他们设计的四种控制策略都能很好实现对缸套温度的控制，最大稳态偏差范围在1.1%以内[49]。 ２.７热管理材料

热管理材料在热管理系统中占有重要地位，先进的热管理材料会很大程度上提高热管理系统的性能。2004年李强研究了纳米流体增强导热的机理 [50]

。Taha Aldoss研究将相变材料应用于汽车LED

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灯光系统的冷却[51]。另外，散热器材料、空调循环介质、保温隔热 (车体隔热保温，发动机机舱隔热，空调风道隔热) 材料也取得一定的研究进展。

3 汽车热管理的仿真与试验研究

3.1汽车热管理的仿真研究

汽车热管理是一个复杂的流动与传热耦合系统，早期的仿真研究多采用无量纲化解析方法或作一维流动的假定，随着计算机硬件性能、数值计算格式和方法、湍流模型及计算可视化等学科分支的发展，三维流动和传热数值模拟方法得到大量的应用。流固耦合方法可以将相互作用（流动和传热）的流体和固体同时建立模型并离散各自的传热控制微分方程，将原来复杂的外边界条件变为内边界条件，并由软件进行边界自动耦合，进而可以得到更加精确的计算结果。

Steve Zoz等人分别运用一维仿真、三维仿真和原型实验三种方法比较发动机冷却水泵的设计和性能预测，分析了各自优缺点[52]。M. R. Jones等人把汽车前部的热交换器拆分成一维软件flowmaster中的标准组件建模，按各组件的热力学和流体力学特性来进行分析和实验[53]。Linjie Huang等人运用3维CFD软件与Virtual Thermal Comfort Engineering建模进行耦合计算，实验表明计算结果较准确[38]。

为了对热管理系统集成于整车的实际性能进行分析和预测，使用软件数据接口进行1D/3D联合仿真，是当前热管理的研究方向之一。采用BOOST进行气路循环模拟，用 FLOWMASTER模拟发动机冷却液循环和油路循环，用KULI、TILL或SWIFT进行空气侧流场和舱室模拟，用FIRE模拟发动机缸内燃烧和水套的流动和传热，用ABAQUS或NASTRAN模拟固体结构温度分布。将 CRUISE置于整个模型的最顶层，实现各软件的数据交换[]。

目前国内的研究仍侧重于某个子系统的仿真研究，对热管理集成研究较少。曹旭应用AMESim软件对发动机的润滑系统和冷却系统的各组件进行建模，利用发动机台架进行验证，通过仿真计算优化相关组件设计[1]。齐斌利用整车热管理仿真软件KULI建立某型号商用车系统模型和发动机瞬态模拟模型，计算风扇的功率消耗对整车热管理系统的影响，分析发动机起动暖车的效率[55-56]。罗建曦建立散热器内、外流动与传热耦合效应模型、风扇旋转效应模型，建立适用于热管理系统与整车集成的汽车内外复杂流动与传热分析数学模型；仿真研究热管理系统空气侧流速分布、温度分布等流场结构

对热管理系统性能的影响机理[3]。 3.2汽车热管理的试验研究

试验研究是汽车热管理的基本研究方法之一，通过试验可以找出或验证各种热管理对象的热负荷特性、热管理系统的流动与传热特性以及外部环境与汽车热量传递的规律。汽车热管理的试验研究可分为部件级、系统级、整车级试验等。

试验平台是汽车热管理系统研究和开发的基础设施。Clemson大学已建成的专门研究电子控制冷却系统的试验平台。2004年清华大学杨胜采用物理模拟和仿真模拟相结合的方法，建立了半物理仿真试验平台，并针对热管理系统与整车的合理集成进行专项技术试验研究[4]。2005年谭建勋以ZL50G装载机为对象，建立由整车工况模拟系统、数据测试和处理系统组成的热管理系统试验平台，可实现对冷却系统各个参数，如变矩散热器、液压油散热器、发动机冷却液以及风道空气的温度、流量、压力等参数的实时测量与控制 [57-58]。

4 汽车热管理集成研究

热管理系统集成技术，是热管理研究的主要难点和核心关键技术。热管理系统与整车的集成研究，主要通过研究汽车热管理系统空气侧复杂流动和传热过程机理，探讨汽车总体布置设计、热管理系统集成方式以及行驶工况等因素对热管理系统性能的影响，从系统工程观点和综合指标出发，进行热管理与汽车结构和总体布置的集成设计和匹配优化，控制汽车热管理系统空气侧流场结构，提高热管理系统的实际运行性能。

热管理可从功能、能量、控制和硬件等方面进行系统集成[4]：(1)功能集成：各系统之间共享资源，减少回路，减小硬件的种类和数量等，使得系统既满足动力系统整体热管理的性能需要，又从各方面消除潜在的功能重复现象；(2)能量集成：将各种热能进行综合调配，尽可能回收废热，减小能量浪费，提高能量利用效率；(3)控制集成：充分共享各系统的控制资源与信息，综合协调热管理系统与其他系统的控制需求；(4)硬件集成：综合利用硬件设备之间的相互作用，优化硬件设备结构和系统匹配。

5 结束语

随着对汽车节能环保的要求越来越高，各汽车厂商十分重视汽车热管理技术的研究。现阶段的研究主要是侧重于系统部件和子系统的热管理，在一定程度上提高了部件的性能，并在实际应用中产生

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效益；但是对整车的热管理集成研究比较少，部件和子系统的实际工作性能，很大程度上取决于整个汽车热管理系统的集成方式。

针对国内外的研究现状，进一步的汽车热管理研究可以做以下方面的工作：(1)深入研究汽车的流动与传热机理，掌握热流传递规律；(2)对汽车的热对象特性进行研究，找出在不同工况下，热对象的最佳工作温度值，明确控制依据；(3)设计相应的控制策略，合理组织热流流动，优化热量分布，优化汽车的结构；(4)废热回收利用，提高燃料利用率；(5)提高系统工作效率，降低能耗。

只有深入研究系统部件的流动与传热机理，然后从整车热管理集成高度来进行优化匹配设计，综合利用废热，才能发挥出汽车热管理系统的最大优势。

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