熱管理技術(shù)在未來車輛發(fā)展中的應(yīng)用展望

王嘉煒，　買靖東，　張佳卉

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

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熱管理技術(shù)在未來車輛發(fā)展中的應(yīng)用展望

王嘉煒，買靖東，張佳卉

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

探討了熱管理技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，結(jié)合新一代車輛中以高功率密度推進(jìn)系統(tǒng)、變海拔工況和全電車輛為代表的技術(shù)需求，分析了目前熱管理系統(tǒng)中面臨的技術(shù)瓶頸和挑戰(zhàn)，提出了從熱管理技術(shù)出發(fā)建立全工況設(shè)計(jì)、流場匹配、分布式冷卻的設(shè)計(jì)理念.

匹配分布式冷卻系統(tǒng);熱管理；全工況設(shè)計(jì)流場

熱管理技術(shù)，是近年來熱度很高的一項(xiàng)綜合性技術(shù).這一概念最早由美國在1979年針對(duì)載人空間站的需要而提出[1]，用于解決環(huán)境控制、生命保障等復(fù)雜系統(tǒng)加熱、散熱的需求，并滿足輕量化和能量優(yōu)化的需求.隨著近年來的發(fā)展，車輛工程的設(shè)計(jì)理論體系也引入了熱管理的概念，尤其在車輛行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用.它包括以下幾個(gè)層面的含義：

1) 熱管理的研究載體是熱能，是對(duì)系統(tǒng)熱量的收集、運(yùn)輸和排散進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)配和綜合利用，與傳統(tǒng)意義上的冷卻系統(tǒng)不同，它更關(guān)注如何提高熱量的綜合利用率，而不是簡單地排向外界，從而達(dá)到節(jié)省燃油、降低排放的目的，這對(duì)汽車行業(yè)具有極為重要的意義；

2) 熱管理的行為主體是管理，是通過溫度控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，采用被動(dòng)控制及主動(dòng)控制等手段使各系統(tǒng)和部件工作在設(shè)計(jì)工況要求的溫度范圍之內(nèi)，從而達(dá)到最佳的工作性能，對(duì)系統(tǒng)中熱流的控制是熱管理的核心環(huán)節(jié)；

3) 熱管理的研究對(duì)象是系統(tǒng)，是站在更高的層次上從系統(tǒng)集成和整體角度出發(fā)，統(tǒng)籌熱量與整車之間的關(guān)系，以熱量為紐帶使各系統(tǒng)各部件形成一個(gè)高效耦合的整體，追求系統(tǒng)在動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、安全防護(hù)、乘員舒適性、環(huán)境保護(hù)等多個(gè)維度下綜合性能的提升.

熱管理是一項(xiàng)集系統(tǒng)集成優(yōu)化、熱動(dòng)力學(xué)分析、過程控制、協(xié)同設(shè)計(jì)分析于一體的綜合性技術(shù)，需要設(shè)計(jì)者突破原有的思維局限，從宏觀全局的角度來分析問題.隨著新一代新型車輛發(fā)展中關(guān)于“熱”的一系列問題的逐步凸顯，對(duì)熱管理技術(shù)的深入研究也越顯迫切，本研究正是從此出發(fā)探討有關(guān)熱管理技術(shù)的一些設(shè)計(jì)思想理念上的問題.

1　國內(nèi)外現(xiàn)狀

國外熱管理技術(shù)相關(guān)的研究工作起步較早，20世紀(jì)80年代，國際上一些著名的汽車公司就開始將熱管理的理念融入汽車的研發(fā)中[2-3]，其研究方向主要集中在有智能化的熱管理控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和布局優(yōu)化改進(jìn)、新型的熱管理材料等方面，研究對(duì)象經(jīng)歷了從單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)部件到發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)乃至整車3個(gè)過程.未來，車輛動(dòng)力系統(tǒng)中大多將采用智能化控制的熱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛冷卻系統(tǒng)溫度的精確控制.與此同時(shí)，混合動(dòng)力車輛和全電車輛逐漸成為行業(yè)發(fā)展的主流趨勢，熱管理技術(shù)更在其中凸顯出重要的作用，在美國陸軍機(jī)動(dòng)車研發(fā)和設(shè)計(jì)中心的技術(shù)體系中，已經(jīng)將熱管理技術(shù)和能量管理技術(shù)并列組成了能量和熱量管理技術(shù)，與主動(dòng)力、輔助動(dòng)力以及能量存儲(chǔ)共同組成地面車輛動(dòng)力和能量系統(tǒng)，在這個(gè)技術(shù)體系中，熱管理技術(shù)是貫穿各個(gè)系統(tǒng)、使其形成有機(jī)、高效集成的關(guān)鍵所在.在國際空間站上[1]，則采用了更為高端的熱管理技術(shù)，通過與熱控系統(tǒng)的技術(shù)手段相結(jié)合，構(gòu)建了一個(gè)以熱公用回路為基礎(chǔ)的熱管理系統(tǒng)，它通過一個(gè)以泵驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)單相氨回路可完成各系統(tǒng)各個(gè)模塊的熱量收集、傳輸和排散，它不但有效解決了各系統(tǒng)的復(fù)雜的熱控制問題，而且真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱能的綜合利用和分配，同時(shí)減少了推進(jìn)艙電加熱的功率負(fù)荷和輻射器的熱負(fù)荷，成為名副其實(shí)的熱管理系統(tǒng).

國內(nèi)車輛熱管理技術(shù)的起步較晚，大部分研究工作還是圍繞冷卻系統(tǒng)展開的[4-6]，近年來，隨著電控技術(shù)和傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，電控水泵、溫控冷卻風(fēng)扇、電控節(jié)溫器等主動(dòng)控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，初步實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的電控化和智能化，能夠有效控制車輛的冷卻強(qiáng)度，使之與車輛的工況相適應(yīng)，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能和環(huán)境適應(yīng)能力；與此同時(shí)，研究者開始關(guān)注車輛的能量轉(zhuǎn)換以及冷卻介質(zhì)(空氣、冷卻液、潤滑油等)的流動(dòng)傳熱等過程與各子系統(tǒng)之間的影響和內(nèi)在聯(lián)系，研究流動(dòng)傳熱特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池等系統(tǒng)的工作特性的影響，構(gòu)建完整的熱管理系統(tǒng)模型，并通過計(jì)算機(jī)仿真和臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，熱管理技術(shù)逐步發(fā)展成為車輛設(shè)計(jì)體系中的一項(xiàng)成熟的關(guān)鍵技術(shù).在我國車輛行業(yè)，熱管理技術(shù)的發(fā)展還相對(duì)滯后，十一五以來雖然也開展了相關(guān)的研究工作，但還停留在理論計(jì)算和方案驗(yàn)證階段，距離實(shí)車工程化還有很長的路要走；相比于國外，我們最大的差距還是各系統(tǒng)各自為戰(zhàn)，設(shè)計(jì)者沒有以熱管理的理念為支撐去指導(dǎo)設(shè)計(jì)，因而系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)、匹配優(yōu)化都存在較多的問題.

2　目前的瓶頸與挑戰(zhàn)

新一代車輛要求具備全地域機(jī)動(dòng)、高信息化水平等綜合能力.這對(duì)動(dòng)力裝置和與之相匹配的動(dòng)力輔助系統(tǒng)提出了更高的要求，如果沒有跨代級(jí)的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法支撐，是難以真正實(shí)現(xiàn)跨代級(jí)的技術(shù)發(fā)展，當(dāng)然也無法實(shí)現(xiàn)車輛的跨代發(fā)展.本研究針對(duì)車輛跨代帶來的一系列問題開展如下討論.

2.1高功率密度推進(jìn)系統(tǒng)

根據(jù)新一代車輛的需求，要保障車輛在高機(jī)動(dòng)性的前提下，滿足對(duì)車載設(shè)備的超值持續(xù)或間歇功率需求，動(dòng)力裝置的功率密度必須大幅提升，這將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn).對(duì)于冷卻系統(tǒng)而言，將必須在動(dòng)力艙容積壓縮34%的前提下，以同樣的功耗水平帶走超出原有水平10%的散熱量.這就會(huì)產(chǎn)生如下問題：其一，冷卻系統(tǒng)的空間將更加緊湊，冷卻空氣在狹窄復(fù)雜的流道中將產(chǎn)生更大的流動(dòng)損失，必須采用更大功率的風(fēng)扇來克服沿程流動(dòng)阻力損失，從而使整車的動(dòng)力性受到影響；其二，緊湊空間下流場畸變程度加大，使得散熱器的換熱能力大大降低，必須采用足夠的冗余設(shè)計(jì)來確保系統(tǒng)的散熱能力，而空間和功耗的限制使得冗余設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)；其三，現(xiàn)有技術(shù)水平下有限空間內(nèi)散熱能力的提升途徑主要是加大散熱器翅片密度和提升冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，這會(huì)大大降低系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性.由此可見，高緊湊性和高散熱效能之間矛盾是未來熱管理系統(tǒng)必須面對(duì)和解決的問題.

2.2變海拔工況

隨著我國對(duì)新一代車輛全地域機(jī)動(dòng)能力需求的提出，要求陸地機(jī)動(dòng)平臺(tái)在高海拔區(qū)域具備足夠的機(jī)動(dòng)性能，變海拔問題也已成為車輛行業(yè)所面臨的另一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn).高原環(huán)境下，大氣壓力、氣溫、密度會(huì)隨著海拔變化而變化[7]，從而引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)過熱、功率不足、排放惡化和增壓器超速等一系列問題，在這種環(huán)境下，柴油機(jī)氣缸內(nèi)充氣量減少，過量空氣系數(shù)下降，燃燒狀況惡化，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，系統(tǒng)的熱負(fù)荷增加，排氣溫度升高，熱量分配相比平原地區(qū)有了較大變化.對(duì)于冷卻系統(tǒng)而言，冷卻介質(zhì)——空氣的密度隨海拔的升高而降低，相應(yīng)地同等風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下冷卻空氣的質(zhì)量流量也隨之降低，冷卻系統(tǒng)的散熱能力也相應(yīng)下降，但此時(shí)系統(tǒng)的熱負(fù)荷與平原地區(qū)還有較大差異，如冷卻系統(tǒng)的散熱儲(chǔ)備能力不足或者系統(tǒng)匹配不當(dāng)，將發(fā)生過熱的現(xiàn)象.變海拔工況下的熱管理問題已經(jīng)成為影響車輛高原機(jī)動(dòng)性的一項(xiàng)瓶頸技術(shù).

2.3全電車輛

新一代車輛一個(gè)重要的跨代特征就是“電”，電傳動(dòng)裝置(高功率密度發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器)、能量存儲(chǔ)裝置(動(dòng)力電池、電容)、電磁懸掛系統(tǒng)、綜合電子信息系統(tǒng)等一系列與電有關(guān)的系統(tǒng)和部件將全部集成于車輛之中，這使得整車的熱源呈現(xiàn)多樣化復(fù)雜化的趨勢.不同的散熱需求、不同的熱源溫度、不同的散熱量以及不同的熱源位置都給熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了巨大的技術(shù)困難：其一，熱管理系統(tǒng)的控制難度加大，由于變量增加，難以實(shí)現(xiàn)全域自適應(yīng)調(diào)節(jié)，僅靠原有的調(diào)節(jié)控制手段無法實(shí)現(xiàn)各個(gè)熱源部件散熱量的精確控制，很容易出現(xiàn)局部過熱或者過冷的情況；其二，不同的散熱需求使得熱源溫度多樣化，尤其加重了換熱效率較低的低溫環(huán)的散熱負(fù)擔(dān)，使得系統(tǒng)匹配的難度加大；其三，熱源的位置相對(duì)分散，會(huì)使得系統(tǒng)的管路更加復(fù)雜，這會(huì)大大降低系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性.全電車輛必須有與之相匹配的熱管理系統(tǒng)的支撐，怎樣為各個(gè)新“客戶”提供滿意的服務(wù)是未來熱管理系統(tǒng)必須突破的技術(shù)瓶頸.

3　基于熱管理設(shè)計(jì)理念的變革

3.1從單一工況設(shè)計(jì)走向全工況設(shè)計(jì)

在原有冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想中，系統(tǒng)的散熱能力要能夠滿足車輛達(dá)到最大熱負(fù)荷時(shí)的散熱需求，因此一般都按照發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率下的最大熱負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即針對(duì)單一工況下的設(shè)計(jì).在散熱能力最大化這一思想的指導(dǎo)下，面對(duì)多熱源多溫度目標(biāo)冷卻的情況就暴露出了弊端，如果不考慮各熱源在不同工況下的散熱需求，而簡單將各個(gè)熱源的熱負(fù)荷的最大峰值進(jìn)行疊加，得到的總散熱量將是一個(gè)天文數(shù)字，是冷卻系統(tǒng)幾乎無法實(shí)現(xiàn)的.如果按照這個(gè)散熱量進(jìn)行散熱器和風(fēng)扇的選型設(shè)計(jì)，得到的將是一個(gè)超出系統(tǒng)實(shí)際散熱需求的冷卻系統(tǒng)，相應(yīng)地帶來的風(fēng)扇功耗的增加反而會(huì)增大系統(tǒng)的負(fù)荷、對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響.在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，受到各種因素的限制，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一直在沿用最大熱負(fù)荷疊加的方式，某種意義上說，這也是我國在該領(lǐng)域難以取得跨越性技術(shù)突破的主要原因之一.

從熱管理技術(shù)的本質(zhì)上來說，就是要掌握各個(gè)熱源在全工況下的熱特性、其性能與熱特性的耦合關(guān)系、各熱源與系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，通過對(duì)流動(dòng)傳熱過程的控制優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)綜合性能的提升，因此從單一工況設(shè)計(jì)走向全工況設(shè)計(jì)是未來熱管理系統(tǒng)必須要進(jìn)行的變革.所謂全工況包括三層含義：其一，熱管理系統(tǒng)追求的不是系統(tǒng)在單一工況下的最優(yōu)性能，而是要同時(shí)滿足系統(tǒng)各熱源在各種工況下的熱控需求；其二，除了散熱的需求外，熱管理系統(tǒng)還需要兼顧潤滑系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)，使其擺脫原有相對(duì)離散的設(shè)計(jì)狀態(tài)，從整體的角度出發(fā)，將其納入全工況的熱流匹配控制中去，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)熱能的有效利用和模塊化設(shè)計(jì)；其三，熱管理系統(tǒng)本身是一個(gè)響應(yīng)較慢的一個(gè)系統(tǒng)，必須掌握熱源在全工況過程中的熱特性，而非某一瞬態(tài)下的熱特性，從時(shí)空效應(yīng)的角度研究其熱特性的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)意義上的熱靜力學(xué)向熱動(dòng)力學(xué)的轉(zhuǎn)變，如此建立的理論模型才更加接近真實(shí)狀態(tài)，也才能更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì).

3.2從流量匹配走向流場匹配

在原有設(shè)計(jì)體系中，熱管理系統(tǒng)的各個(gè)部件都是獨(dú)立設(shè)計(jì)的，以散熱器和冷卻風(fēng)扇為例，首先根據(jù)散熱量和散熱器的形式來確定冷卻風(fēng)量，再根據(jù)系統(tǒng)阻力和冷卻風(fēng)量進(jìn)行風(fēng)扇的選型，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成，這就是一種典型的流量匹配的設(shè)計(jì)模式，其中很多關(guān)鍵的要素都被忽略了，通常設(shè)計(jì)者會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定設(shè)計(jì)裕度，因此這種冗余化的設(shè)計(jì)方法最終得到的常常都是超規(guī)格的散熱器和風(fēng)扇，無論緊湊性、經(jīng)濟(jì)性還是可靠性都無法滿足高功率推進(jìn)系統(tǒng)的要求.在這種設(shè)計(jì)方法中，散熱器和風(fēng)扇都有同樣的一個(gè)假設(shè)，即均勻來流條件，而忽略了上下游流場的耦合效應(yīng).對(duì)于經(jīng)典的吸風(fēng)式冷卻系統(tǒng)，散熱器和風(fēng)扇之間的流場會(huì)呈現(xiàn)高度復(fù)雜的流動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)于散熱器而言，散熱器各部分的流動(dòng)速度不均勻，換熱能力與理論計(jì)算有較大的差異，對(duì)于冷卻風(fēng)扇而言，上游的流動(dòng)畸變使風(fēng)扇偏離了原來的設(shè)計(jì)工況，氣動(dòng)效率下降，這種差異會(huì)隨著系統(tǒng)空間的壓縮而加劇.

因此，在新一代熱管理系統(tǒng)中必須引入流場匹配的概念，在散熱器和風(fēng)扇的初始設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮相互之間的流場耦合效應(yīng)，調(diào)整散熱器翅片密度的分布以匹配下游流場的速度分布，采用特殊的葉片形式增加風(fēng)扇抗流動(dòng)畸變的能力，優(yōu)化散熱器和風(fēng)扇間的流道結(jié)構(gòu)以減少流動(dòng)損失，美國Concepts NREC公司在此方面就已經(jīng)開展了相關(guān)的研究工作.流場匹配所要求的不是單體部件在理想流動(dòng)條件下的最高性能，而是整個(gè)系統(tǒng)集成后所具備的最佳綜合性能，因此系統(tǒng)和部件的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方法將發(fā)生巨大的變革.

3.3從集成式散熱走向分布式散熱

正如前文所述，多熱源給熱管理系統(tǒng)帶來的另外一大難題是加劇了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，熱回路上的串聯(lián)熱源增多，一旦其中一個(gè)熱源的熱狀態(tài)發(fā)生變化，就會(huì)影響到回路上其他熱源的工作狀態(tài)，這種復(fù)雜的耦合關(guān)系大大增加了熱平衡匹配設(shè)計(jì)的難度，必須另辟蹊徑，對(duì)各個(gè)熱源進(jìn)行解耦處理；此外，現(xiàn)有的熱管理模式會(huì)使得動(dòng)力艙區(qū)域的艙體、排煙系統(tǒng)、散熱器的排氣百葉窗等部件產(chǎn)生強(qiáng)烈紅外熱輻射，形成典型的紅外熱特征.有鑒于此，在新一代的熱管理系統(tǒng)中，可以嘗試采用分布式散熱的模式，首先需要在系統(tǒng)中建立一個(gè)由泵驅(qū)動(dòng)的熱公用回路，通過熱公用回路完成高溫?zé)嵩礋崃康氖占蛡鬏?，并在車體的不同部位配置換熱基站，各個(gè)低溫?zé)嵩纯膳c臨近的換熱基站構(gòu)成獨(dú)立的熱回路，并與公用回路形成串聯(lián)布置的散熱模塊，實(shí)現(xiàn)散熱效能最大化.換熱基站與公用回路可以形成靈活的控制策略，根據(jù)不同的熱管理需求在各個(gè)基站實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的換熱量.受到整車空間的約束，換熱基站必須小型化，因此必須采用高速小型軸流電驅(qū)風(fēng)扇與散熱器高效集成后的冷卻模塊來實(shí)現(xiàn).換熱基站的布置不局限于動(dòng)力艙，可以根據(jù)熱源的具體位置靈活布置，通過系統(tǒng)控制策略的調(diào)整還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整車紅外熱特征的主動(dòng)控制，降低被敵方發(fā)現(xiàn)的概率，也可以稱之為“熱隱身”.以換熱基站和熱公用回路為主體，就構(gòu)成了未來的分布式熱管理系統(tǒng)，使之成為新一代車輛實(shí)現(xiàn)跨代發(fā)展的強(qiáng)力支柱.

4　結(jié)束語

相比于國外先進(jìn)發(fā)達(dá)國家，我們的差距不在于基礎(chǔ)理論的落后，不在于工業(yè)水平的落后，不在于仿真試驗(yàn)?zāi)芰Φ穆浜?，而在于設(shè)計(jì)理念的落后.通過本研究關(guān)于熱管理技術(shù)的探討，希望可以引發(fā)設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)理念的思考.熱管理，管理的不僅是流動(dòng)傳熱過程，還要為各熱源提供科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)和邊界約束條件.可以預(yù)見，未來熱管理技術(shù)的進(jìn)步必將帶來推進(jìn)系統(tǒng)跨越式的發(fā)展.

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Application Prospect of Thermal Management Technology in Development of Future Vehicles

WANG Jia-wei，MAI Jing-dong， ZHANG Jia-hui

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

In this paper, the status and tendency of thermal management technology development at home and abroad are discussed. According to the technical requirement of the new generation vehicles whose characteristics are represented by high power density propulsion system, variable altitude operating condition and full electric driven, the confronted technical challenges of thermal management are analyzed. A novel design idea based on thermal management technology is proposed, which is achieved by full load designing, flow field matching and distributed cooling.

flow field matching distributed cooling system;thermal management；full load design

1009-4687(2016)01-0060-04

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4493.TH.20150923.1043.002.html

2015-07-16；修回稿日期：2015-09-01.

10.16599/j.cnki.1009-4687.20150923.001.

王嘉煒(1980-),男,高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槿~輪機(jī)械技術(shù).

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