應(yīng)用在汽車中的新型熱管理技術(shù)

二氧化碳排放法規(guī)要求全球大幅減少燃料消耗。在這種情況下，純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的市場滲透率與它們的電氣驅(qū)動(dòng)續(xù)駛里程密切有關(guān)，這受到環(huán)境條件和要求有效的熱管理的乘客舒適性的強(qiáng)烈影響，從而成為克服這些障礙的機(jī)會(huì)。

1 純電動(dòng)汽車的總熱管理[1]

研究表明，在10攝氏度以下的環(huán)境溫度下，熱子系統(tǒng)負(fù)載可使驅(qū)動(dòng)續(xù)駛里程減少45%。通常情況下，艙室加熱完全依賴于正溫度系數(shù)(PTC)電阻加熱，導(dǎo)致明顯的續(xù)駛里程損失。減少這續(xù)駛里程的損失可以提高消費(fèi)者對BEVs的接受度。提出了一種統(tǒng)一的熱管理系統(tǒng)(UTEMPRA)，可以滿足BEVs中各種輔助負(fù)荷的熱設(shè)計(jì)需求。在2015年菲亞特500e BEV上演示過，該系統(tǒng)集成了一個(gè)半密封制冷回路和冷卻劑網(wǎng)絡(luò)，并提供了三個(gè)功能:(1)加熱和/或冷卻車輛牽引部件(電池、電力電子和電機(jī))(2)加熱和冷卻機(jī)艙，(3)收集和再利用能源。這種運(yùn)行方式使熱泵和空調(diào)系統(tǒng)在不逆轉(zhuǎn)制冷循環(huán)的情況下工作，以提高熱效率。制冷回路由電動(dòng)壓縮機(jī)、熱膨脹閥、冷凝器和冷水機(jī)組成，冷水機(jī)和冷凝器與冷熱冷凝液交換熱量，冷凝液可以流向熱系統(tǒng)的各個(gè)部件。以冷卻劑為基礎(chǔ)的熱量分配是適應(yīng)性強(qiáng)的，每輛車節(jié)省了大量的制冷劑。此外，基于冷卻劑的系統(tǒng)通過減少冷卻劑管道接頭的數(shù)量來減少制冷劑的排放。介紹了該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真分析，并給出了初步的控制方案。

本研究使用的是2015年產(chǎn)菲亞特500e BEV(圖1)。典型的這一代BEV車型有三個(gè)熱回路:

1、機(jī)艙空調(diào)回路。

2、電池加熱/冷卻回路。

3、電力電子和電機(jī)(PEEM)冷卻回路。

圖1 2015年菲亞特500e BEV采用24千瓦時(shí)鋰離子電池[1]

1.1 菲亞特三個(gè)熱子系統(tǒng)概述

該車輛有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的蒸汽壓縮回路，用于機(jī)艙空氣冷卻，并通過制冷劑到冷卻劑的熱交換器(電池制冷器)為牽引電池提供主動(dòng)冷卻。蒸汽壓縮回路使用R-134a制冷劑，包括電動(dòng)壓縮機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)制冷機(jī)-空氣蒸發(fā)器和標(biāo)準(zhǔn)熱膨脹閥(TXVs)。在加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)模塊中，采用基于5 kW正溫度系數(shù)(PTC)的電空氣加熱器來加熱機(jī)艙空氣。除了通過冷水機(jī)主動(dòng)冷卻外，電池還通過在電池和接收強(qiáng)制環(huán)境空氣流動(dòng)的專用前端散熱器之間循環(huán)的冷卻劑進(jìn)行冷卻?；芈酚幸粋€(gè)6 kW PTC冷卻劑加熱器用于電池的加熱。圖2顯示了這個(gè)飛行器的熱回路的示意圖。測試證實(shí)，在零下10度時(shí)，與22度時(shí)比這款車的續(xù)航里程損失為45%，粗略地分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在三個(gè)子系統(tǒng)是獨(dú)立操作的，這是一個(gè)簡單的方控法制，電加熱空氣的空調(diào)管理代表了電池能量大量流失，而電池的廢熱和PEEM沒有被利用。

圖2 菲亞特500e BEV的三個(gè)熱子系統(tǒng)[1]

2 一種具有平行的傳熱通道用于地面車輛混合熱總線[2]

本部分介紹將多種傳熱方式集成在一起的“熱總線”，并對這種新型的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了概述。

地面車輛的熱源組件，趨向于更高的熱流和功率要求。為了進(jìn)一步減少熱管理系統(tǒng)的功耗，需要將并行散熱策略集成到一起，以保持規(guī)定的溫度限制。如果設(shè)計(jì)合理，冷卻方案將提供更低的噪音、重量和總?cè)萘?，同時(shí)提高系統(tǒng)的耐久性、可靠性和功率效率。

本研究探討了高導(dǎo)熱率材料、碳纖維和熱管與傳統(tǒng)的液體冷卻相結(jié)合，以創(chuàng)建一個(gè)混合的“熱總線”，將熱能從熱源轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境。這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)可以在分離熱源和散熱器之間傳遞熱量，而不受重力的影響。運(yùn)行幾個(gè)驅(qū)動(dòng)周期，研究仿真模型的熱穩(wěn)定性、散熱能力、功率要求和系統(tǒng)重量。數(shù)值結(jié)果表明，高導(dǎo)熱材料和碳纖維具有中等的冷卻性能，而環(huán)形熱管對無源冷卻有顯著的改善。

被動(dòng)散熱通常需要較大的傳熱表面積。然而，由于空間和重量的限制，在汽車?yán)鋮s應(yīng)用中，擴(kuò)大表面積并不總是一個(gè)可行的解決方案。高導(dǎo)熱性材料、復(fù)合纖維、相變材料和高性能無源器件的集成可能是汽車?yán)鋮s應(yīng)用中改進(jìn)無源散熱的潛在解決方案。通過高導(dǎo)熱系數(shù)的強(qiáng)化可以提高所選材料的熱性能。復(fù)合材料，如碳纖維增強(qiáng)鋁具有更好的熱力學(xué)性能，包括高導(dǎo)熱率、高剛度、相對低密度、減小熱膨脹等。復(fù)合纖維廣泛應(yīng)用于微電子、電機(jī)、鋰電池等領(lǐng)域。Greco等采用計(jì)算分析的方法研究了復(fù)合材料對電池組溫度分布的影響。

2.1 改進(jìn)汽車電子控制單元的熱管理

在該項(xiàng)目中，將研究包括被動(dòng)和主動(dòng)策略的并行排熱路徑的集成。所提出的冷卻系統(tǒng)由四種不同的排熱路徑組成，高導(dǎo)熱率材料、復(fù)合纖維、環(huán)形熱管結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的主動(dòng)流體冷卻。初級(jí)散熱可以從高導(dǎo)熱率材料和復(fù)合纖維開始，而具有圓柱形蒸發(fā)器的環(huán)形熱管結(jié)構(gòu)集成在被動(dòng)配置中。除了被動(dòng)通道外，還提供了一個(gè)完整的傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，以滿足高排熱要求。

2.2 冷卻系統(tǒng)策略

地面車輛通常由不同的熱負(fù)荷部件（例如，電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電池組、推進(jìn)系統(tǒng)、車載電子設(shè)備等）組成，其產(chǎn)生大量的熱量，需要通過有效的冷卻系統(tǒng)消散。操作模式和環(huán)境條件的變化可直接影響熱源的熱量產(chǎn)生率，使得被動(dòng)散熱策略對于高效操作模式（例如哨式操作模式或低速電動(dòng)機(jī)推進(jìn)）可能是足夠的。被動(dòng)系統(tǒng)也可以集成在小型自動(dòng)駕駛車輛中以提高其耐用性。由被動(dòng)和主動(dòng)排熱路徑組成的混合熱管理系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)成將所發(fā)出的熱量散發(fā)到周圍環(huán)境并且將熱負(fù)荷組件保持在其規(guī)定的溫度限制內(nèi)，同時(shí)具有最小的能量消耗或沒有能量消耗。所提出的先進(jìn)混合熱管理系統(tǒng)提供了高效的被動(dòng)散熱通道，可滿足與傳統(tǒng)散熱器-泵冷卻系統(tǒng)相關(guān)的適度散熱需求，適用于大型長時(shí)間熱負(fù)載和惡劣條件。將確定不同的被動(dòng)排熱路徑，并且在本研究中將說明它們在性能、重量、噪聲和排熱能力方面的優(yōu)勢。

混合熱客車結(jié)構(gòu)需要足夠靈活，以支持不同的地面車輛設(shè)計(jì)和應(yīng)用。提議的總線結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)靈活的設(shè)計(jì)，可以彎曲或改道，幾乎不受重力的影響，同時(shí)保持其熱性能。圖3顯示了帶有附加熱交換器和可選風(fēng)扇的基本總線設(shè)計(jì)。圖3b和3c展示了連接在熱負(fù)荷和散熱器上的柔性和直的熱母排結(jié)構(gòu)。一個(gè)冷卻系統(tǒng)需要一個(gè)高效的熱交換器，它可以顯著地增加對周圍環(huán)境的散熱。當(dāng)對流換熱系數(shù)、換熱表面積和材料導(dǎo)熱系數(shù)增大時(shí)，換熱器的散熱速率將增大。集成熱交換器的設(shè)計(jì)目的是利用沖壓進(jìn)氣量，而在沖壓進(jìn)氣量不足(例如低速驅(qū)動(dòng)模式或靜止?fàn)顟B(tài))時(shí)，附加一個(gè)可選的風(fēng)扇以增加對流換熱。

圖3 總線結(jié)構(gòu)

3 使用熱管的電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)[3]

3.1 熱管理系統(tǒng)原理

理想的BTMS應(yīng)該能夠在現(xiàn)代車輛有限的空間內(nèi)安全、堅(jiān)固地運(yùn)行，提供必要的傳熱，并且能夠經(jīng)濟(jì)地制造。在這些邊界條件下，熱管由于其體積小、無源運(yùn)行、壽命長、優(yōu)越的熱性能以及在消費(fèi)電子產(chǎn)品中的歷史，提供了一個(gè)有趣的解決方案。專門用于電池?zé)峁芾淼臒峁芤呀?jīng)在各種電池類型上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索，但這些研究大多集中在單個(gè)熱管性能上，而不是這樣一個(gè)系統(tǒng)對實(shí)際電池模塊的影響。該領(lǐng)域的專利也越來越普遍。毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)熱管已經(jīng)在汽車領(lǐng)域的熱控制應(yīng)用范圍進(jìn)行了研究。熱管可以在不使用移動(dòng)部件的情況下，以比類似大小的固體金屬棒更大的數(shù)量級(jí)傳遞熱量。對于像LED大燈和LCD顯示器這樣的電子設(shè)備，熱管總是可以用完全被動(dòng)的方式來傳遞、擴(kuò)散和散熱。如圖4所示，熱管在汽車內(nèi)部具有廣泛的應(yīng)用潛力。在設(shè)計(jì)合理的熱管系統(tǒng)中，無論朝向如何都可以保證熱功能。另外，熱管可以生產(chǎn)出各種形狀和尺寸的熱管(圖5)，可以根據(jù)不同的應(yīng)用而定制。典型的汽車環(huán)境是惡劣的和不斷變化的駕駛和天氣條件。動(dòng)態(tài)機(jī)械力和振動(dòng)、廣泛的氣候操作條件、以及暴露于腐蝕性物質(zhì)只是BTMS操作要求的一部分。熱管BTMS的大部分結(jié)構(gòu)和操作要求可以通過優(yōu)化芯流特性(孔隙大小、滲透率、孔隙度)、工作流體(類型、充裝比)和裝配工藝(涂層工藝、連接/緊固技術(shù)、集成原理)來解決。銅-水是熱管最有效的材料-流體組合，因?yàn)殂~的導(dǎo)熱系數(shù)高(400 W/mK)，水的優(yōu)點(diǎn)高。銅水熱管的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)是銅容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和水的凍結(jié)。銅容器的強(qiáng)度可以通過使用不同的銅合金來提高，也可以增加壁厚和減小管徑，但必須考慮質(zhì)量的影響。熱管的雙向功能使BTMS既便于冷卻又便于加熱。BTMS內(nèi)熱管的裝配方法是保證產(chǎn)品壽命長的關(guān)鍵。熱管與其它部件連接最可靠的方法是焊接;然而，機(jī)械固定也是可能的，前提是部件的自由度受到周圍和其他機(jī)械障礙的約束。為了防止腐蝕，可以使用鎳涂層。本工作涉及移動(dòng)鋰離子電池模塊多部件熱管熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、理論布局、生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 汽車熱管熱控制的潛在領(lǐng)域[3]

圖5 銅水熱管(左圖)和熱管截面(右圖)顯示沿內(nèi)部邊緣的燈芯結(jié)構(gòu)[3]

3.2 擬建熱管系統(tǒng)

如圖6所示，所提出的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)由三個(gè)模塊組成:1.熱提取模塊(電池液面熱控制):由熱管冷卻板(HPCP)組成，以保持電池液面溫度均勻，并將電池間的熱量傳遞到外部擴(kuò)展板。傳熱模塊(用于將熱量從電池模塊轉(zhuǎn)移出去):由遠(yuǎn)程傳熱熱管(rhel-hp)組成，用于將與HPCPs相連的撒布機(jī)板的熱量轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)程液體冷卻系統(tǒng)散熱模塊(用于系統(tǒng)級(jí)熱控制):由液體冷卻冷板(s)組成，將熱量從電池模塊和相關(guān)電子元件傳遞到冷卻劑，冷卻劑又將熱量散發(fā)到車輛的熱管理系統(tǒng)(如散熱器單元或二次制冷劑回路)。

4 基于MATLAB/Simulink的電動(dòng)汽車綜合熱管理系統(tǒng)的建?？刂撇呗约胺秶绊慬4]

采用國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)CoolSim MATLAB/Simulink建?？蚣?，研究了電動(dòng)汽車聯(lián)合環(huán)路系統(tǒng)的控制策略。探索了三種增加復(fù)雜性和效率的系統(tǒng)變體。第一種：基于乙二醇的正溫度系數(shù)加熱器（PTC）。第二種：PTC與電力電子和電動(dòng)機(jī)（PEEM）廢熱回收。第三種：PTC+PEEM廢熱回收+熱泵。此外，還考慮了電動(dòng)機(jī)預(yù)熱的好處。開發(fā)了一種兩級(jí)控制策略，其中模式選擇和部件控制分開處理。僅使用車輛傳感器采集到的參數(shù)來控制系統(tǒng)。整車熱管理的控制方法包括模式選擇算法和控制器，用于壓縮機(jī)速度、機(jī)艙鼓風(fēng)機(jī)流速、冷卻劑流速和前端熱交換器冷卻劑旁路速率控制。一開始冷卻回路是不對電機(jī)進(jìn)行冷卻的，直到電機(jī)的溫度上升。

圖6 熱管式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)總成[4]

4.1 系統(tǒng)控制策略

為系統(tǒng)的每個(gè)變體開發(fā)了類似的控制算法。實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)主要控制目標(biāo)：機(jī)艙空氣溫度設(shè)定點(diǎn)為22°C，加熱器空氣排放溫度為55°C。機(jī)艙空氣溫度由機(jī)艙鼓風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量控制，加熱器排氣溫度由壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、PTC功率和冷卻液側(cè)前端熱交換器（FEHX）旁路控制，具體取決于模式和型號(hào)變體。

全cfl系統(tǒng)有多種運(yùn)行方式。本研究考慮以下三種加熱模式，如圖7所示:

圖7 兩層控制結(jié)構(gòu)[4]

第一種模式：

模式1的工作方式是單獨(dú)使用電力電子和電機(jī)的廢熱回收裝置。但是如果電子和電機(jī)的溫度達(dá)的冷卻劑入口的最大冷卻溫度，那么一些冷卻劑通過前端散熱器進(jìn)行散熱（因?yàn)楫?dāng)電力電子的溫度超過一定的門限值時(shí)，電力電子就不能正常工作，所以要進(jìn)行降溫）。

第二種模式：

模式2:帶PEEM熱量回收的熱泵——在這種模式下，冷卻劑從冷凝器(冷卻劑到制冷劑的熱交換器)接受熱量。冷凝器的熱量由蒸汽壓縮熱泵輸送，蒸汽壓縮熱泵利用前端換熱器從周圍環(huán)境中吸收熱量。冷卻劑然后通過PEEM接受可用的余熱。壓縮機(jī)的速度調(diào)節(jié)機(jī)艙控制加熱器出口溫度55°C。同時(shí)也保證了PEEM入口溫度低于設(shè)計(jì)極限。

第三種工作模式：

模式3:熱泵采用PTC加熱和PEEM余熱回收，在此模式下，只要性能系數(shù)(COP)保持在1以上，熱泵就可以滿負(fù)荷運(yùn)行。冷卻劑從冷凝器中出來，然后從PEEM中收集余熱。然后使用PTC加熱器提供額外的電源以滿足艙室加熱器出口溫度設(shè)置點(diǎn)。只要熱泵COP在1以上，這提供了效率效益超過PTC加熱。

在所有三種模式下，電磁閥都被冷卻系統(tǒng)繞過，只要其溫度保持在入口冷卻液溫度以下。

當(dāng)電機(jī)的溫度低于冷卻劑溫度時(shí)，電池就不需要為電機(jī)加熱供電，這樣就可以節(jié)省能源。

控制算法由兩層組成，如圖7所示。第一層是模式選擇層，根據(jù)系統(tǒng)和環(huán)境條件選擇這三種模式中的一種。然后，第二層在模式約束內(nèi)提供部件控制，以維持艙室和加熱器出口溫度設(shè)定點(diǎn)。最初，第一層控件選擇模式3或模式2進(jìn)行快速機(jī)艙預(yù)熱。模式3提供最大加熱功率能力;但是在溫度較高的情況下，它會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)能過大，從而超過設(shè)定點(diǎn)。為了確定初始預(yù)熱模式，進(jìn)行了一項(xiàng)獨(dú)立研究，將可用的PEEM廢熱與機(jī)艙熱負(fù)荷進(jìn)行了比較，進(jìn)行了多次駕駛循環(huán)。在低于5°C時(shí)，模式3最初接合，而在較高溫度下，最初使用模式2。第二層控制裝置由若干PID控制器組成，這些控制器保持預(yù)設(shè)的機(jī)艙空氣溫度為22°C，機(jī)艙加熱器排氣溫度為55°C，電力電子及電機(jī)的冷卻液入口溫度低于60°C。這些控制器包括：

1、鼓風(fēng)機(jī)流量控制器，調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量，以達(dá)到并保持機(jī)艙空氣溫度設(shè)定點(diǎn)22°C。

2、壓縮機(jī)控制器，用于調(diào)節(jié)模式2中的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，以保持預(yù)設(shè)的加熱器空氣排出溫度為55°C只要COP大于1，壓縮機(jī)就設(shè)置為最大值。

3、PTC功率控制器，當(dāng)壓縮機(jī)速度達(dá)到最大值時(shí)，調(diào)節(jié)模式3中的互補(bǔ)PTC功率，以保持加熱器排氣溫度為55°C。

4、汽車前端熱交換器旁路控制器確保電力電子及電動(dòng)機(jī)入口冷卻劑溫度低于模式1中的預(yù)設(shè)限制60°C，以防電力電子及電機(jī)的廢熱過高而導(dǎo)致客艙加熱。超過冷卻劑入口溫度時(shí)，冷卻回路才起到作用。

5 電動(dòng)汽車艙室熱管理建模和能耗[5]

用于機(jī)艙冷卻和加熱的能源可以大大減少電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。本文對電動(dòng)汽車艙室熱管理的能效和性能進(jìn)行了研究。在AMESim軟件中建立了艙室供熱制冷系統(tǒng)的仿真模型。在標(biāo)準(zhǔn)測試周期和現(xiàn)實(shí)駕駛周期中進(jìn)行模擬。從環(huán)境溫度、系統(tǒng)效率和艙室熱平衡三個(gè)方面分析了艙室熱管理性能。仿真結(jié)果表明，在極端寒冷條件下，續(xù)駛里程可縮短50%以上。通過使用熱泵和從動(dòng)力總成部件中回收余熱，可以提高機(jī)艙熱管理的能源效率。仿真結(jié)果表明，帶電加熱器的熱泵系統(tǒng)可以顯著降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗。在溫和的環(huán)境溫度下，在零下5攝氏度到10攝氏度之間，續(xù)駛里程根據(jù)駕駛周期增加6-22%。動(dòng)力總成部件余熱回收進(jìn)一步提高了熱泵系統(tǒng)的能源效率，使車輛能耗降低了2-4%。仿真結(jié)果也表明，電池在冷態(tài)下加熱可以使能耗增加20%以上。

5.1 乘員艙及空調(diào)系統(tǒng)建模

本文在AMESim軟件中建立了電動(dòng)汽車的仿真模型。介紹了AMESim軟件和車輛熱管理建模。AMESim為不同類型的車輛提供了幾個(gè)預(yù)定義的車輛和系統(tǒng)級(jí)模型。該軟件有一個(gè)廣泛的組件庫，以建模不同的物理現(xiàn)象，以不同的精度水平?？团撆照{(diào)系統(tǒng)是在現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整制冷劑流量使其作為熱泵工作而建立起來的。所建立的熱泵模型對應(yīng)于圖8所示的動(dòng)態(tài)集總參數(shù)模型。該系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、冷凝器、冷凝器風(fēng)扇、短管口、蒸發(fā)器和蓄能器。熱泵系統(tǒng)由高壓電池供電的電動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行。熱泵模式由四個(gè)閥門控制，可以改變制冷劑流體的流向。在熱泵模式下，還增加了一個(gè)熱交換器，用于從電力電子和電機(jī)液體冷卻電路中回收余熱。HVAC系統(tǒng)模型還包括一個(gè)PTC加熱器，它與艙室空氣流動(dòng)和熱交換器集成在一起，如圖8所示。模擬可以用四種不同的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行配置:

1)沒有艙室冷卻或加熱(無空調(diào))。

2)空調(diào)和PTC加熱器對應(yīng)傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)(AC+PTC)。

3)熱泵和PTC加熱器(HP+PTC)。

4)熱泵廢熱回收和PTC加熱器(HP+PTC+WH)。

HVAC系統(tǒng)由壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、PTC加熱器電源、艙室鼓風(fēng)機(jī)電源控制。機(jī)艙內(nèi)的空氣可以部分循環(huán)使用，因?yàn)檫x擇的最小新鮮空氣比為15%，以確保乘客的舒適度。在熱泵模式下，PTC加熱器時(shí)作為一個(gè)額外的熱源熱泵不能產(chǎn)生足夠的熱量。在傳統(tǒng)暖通空調(diào)模式(沒有熱泵模式)，加熱器最大值是5000 W，均勻劃分為五個(gè)層次，每一層都有1000 W的力量。在熱泵模式下，加熱器的最大功率為4000瓦，每級(jí)功率為800瓦。

AMESim軟件有兩個(gè)預(yù)定義的座艙模型，一個(gè)簡單而先進(jìn)的模型，用于熱平衡模擬。簡單模型沒有考慮艙室的熱質(zhì)量，因此該模型不適用于艙室熱平衡的詳細(xì)分析。更高級(jí)的座艙模型包括不同的座艙材料和元素，如圖8所示?？团撆c環(huán)境之間的熱傳遞通過擋風(fēng)玻璃、側(cè)窗、后窗、側(cè)板和屋頂進(jìn)行建模。玻璃、塑料、金屬、泡沫和織物等五種不同的材料?？紤]到乘客的代謝負(fù)荷，客艙模型還計(jì)算了熱舒適指數(shù)PMV(預(yù)測平均投票數(shù))和PPD(預(yù)測不滿意百分比)。由于這些指標(biāo)最初是為了評(píng)估建筑物的熱舒適性而制定的，因此它們可能不能很好地描述車輛的乘客熱舒適性，因此在本研究中沒有考慮這些指標(biāo)。

圖8 在AMESim開發(fā)了HVAC系統(tǒng)模型[5]

6 基于插電式混合動(dòng)力車電池?zé)峁芾砦锢砟Ｐ蚚6]

由于政府對燃油經(jīng)濟(jì)性的規(guī)定，對電動(dòng)汽車的需求正在增加。插電式混合動(dòng)力汽車的電池系統(tǒng)在過去幾年里取得了巨大的效率。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上變得更加精細(xì)和復(fù)雜，需要復(fù)雜的熱管理。這背后的主要原因是為了確保電池的有效冷卻。因此，目前的工作重點(diǎn)是為典型的電池系統(tǒng)開發(fā)一個(gè)基于物理的熱管理建?？蚣?。為了建立系統(tǒng)所需的控制方程，本文對系統(tǒng)的熱能量守恒問題進(jìn)行了深入的分析。由于在HEV電池系統(tǒng)中冷卻只是一個(gè)復(fù)雜的過程，所以使用當(dāng)前的模型來研究其基礎(chǔ)力學(xué)?？蚣苁峭ㄓ玫?，因此它可以應(yīng)用于各種體系結(jié)構(gòu)。本文在此背景下對流程進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。在此通用框架下，將理論模型擴(kuò)展到Simulink模型，該模型可以與PHEV系統(tǒng)現(xiàn)有的冷卻網(wǎng)絡(luò)(即流程圖)集成。除了預(yù)測冷卻劑出口，預(yù)測電池系統(tǒng)的電池溫度也很重要。集成模型將能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標(biāo)。為了建立模型s的適用性，將基于物理的模型與不同驅(qū)動(dòng)周期下的車輛水平試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，對所提出的框架及其未來發(fā)展具有重要的信心。

6.1 電池?zé)峁芾砟Ｐ?/h3>

一個(gè)典型的電池組示意圖如圖9所示。在當(dāng)前情況下有兩個(gè)模塊:{M1，M2，M3}和{M4，M5，M6}。每個(gè)模塊由一定數(shù)量的單元組成。在當(dāng)前情況下，每個(gè)模塊有16個(gè)單體電池。由于相似，考慮{M1，M2，M3}或{M4，M5，M6}。根據(jù)圖10，兩個(gè)電池和中間的鰭被合并成第i集總質(zhì)量#1。如圖9所示，冷卻劑沿著一系列路徑，在第48單元進(jìn)行u型轉(zhuǎn)彎，回到單元1。因此，由于冷卻劑的上游和下游，每個(gè)電池被分成兩個(gè)質(zhì)量塊。在靠近電池兩端的地方，相應(yīng)的熱墊+冷卻板區(qū)域被認(rèn)為是第i集總質(zhì)量#2。最后，在單個(gè)電池的一半下面的冷卻劑體積被認(rèn)為是第i集總質(zhì)量#3。用給定的配置:0≤i≤N，N=2×24。

圖9 PHEV電池組的典型示意圖[6]

7 機(jī)油底殼體積的調(diào)整以及發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)的廢氣加熱[7]

本文在依維柯f1c3l發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)計(jì)并測試了一種改進(jìn)型油底殼，以暫時(shí)降低油泵抽油量。通過這種方式，油在油底殼內(nèi)與少量的油混合，加速了溫度的上升。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，油底殼的容量恢復(fù)到其全部容量。油底殼內(nèi)油的臨時(shí)體積減少是通過用金屬隔層將容量分成兩部分來實(shí)現(xiàn)的:當(dāng)油達(dá)到設(shè)計(jì)溫度時(shí)，一個(gè)熱控制的開口將兩部分連接在一起。燃料消耗和二氧化碳排放的減少已經(jīng)被證明，這進(jìn)一步的積極結(jié)果已經(jīng)被添加到另一個(gè)積極的行動(dòng)，以進(jìn)一步加快其溫度，利用廢氣熱加熱機(jī)油。燃料消耗的好處已經(jīng)被證明，污染物的減少也被報(bào)道，由于與冷卻液的正作用，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱性能得到了改善。

7.1 改進(jìn)油底殼設(shè)計(jì)

參考發(fā)動(dòng)機(jī)為依維柯F1C渦輪增壓柴油機(jī)，其主要特性如表1所示。整個(gè)油底殼體積約8升，但根據(jù)制造商的具體要求，油量為7升。

原來的油底殼已被修改，以有兩個(gè)獨(dú)立的腔室:一個(gè)總是活躍，帶過濾器，另一個(gè)是封密的，形成一個(gè)上層油孔(圖11)。當(dāng)封閉室油從引擎直接流向主動(dòng)集油室。兩個(gè)腔室可以通過閥門關(guān)閉的外部管道進(jìn)行交換機(jī)油。閥門由油底殼主動(dòng)室的溫度驅(qū)動(dòng):當(dāng)油底殼溫度達(dá)到80℃時(shí)，閥門開啟，兩個(gè)油室通入，油在兩部分混合。這樣，在升溫階段，只有少量的油參與到發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑中。但是，當(dāng)油被加熱時(shí)，整個(gè)油量被使用，保持了它的壽命和維護(hù)時(shí)間。

圖11 獨(dú)立油箱設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)階段，還考慮了浸沒在油底殼中的恒溫閥，以便在加熱時(shí)混合兩個(gè)油腔的油。然而，初步試驗(yàn)表明，浸入式恒溫器受到擺動(dòng)效應(yīng)的影響:它在開口位置附近擺動(dòng)，混合效果不一定能保證。圖12展示了改造后的油底殼原型的實(shí)現(xiàn)，該油底殼采用分離腔和外部管道連接。圖13顯示了用于評(píng)估改進(jìn)油底殼相關(guān)效益的實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上的油回路和傳感器定位。

7.2 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果

對改造后的油底殼進(jìn)行了試驗(yàn)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了NEDC試驗(yàn)。控制的混合閥已經(jīng)打開它當(dāng)活躍的儲(chǔ)油室的溫度達(dá)到80℃，試驗(yàn)顯示了機(jī)油的行為在同系化反應(yīng)溫度循環(huán):活躍的油溫上升到80℃，然后突然下降到7-8℃，這是由于與油混合室關(guān)閉。另一方面，密閉腔內(nèi)的油溫上升較慢，當(dāng)混合閥開啟時(shí)，油溫突然升高。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口處的機(jī)油似乎不受與閥門開啟有關(guān)的操作不連續(xù)的影響。

圖12 改進(jìn)油底殼的原型

圖13 油電路和傳感器定位為實(shí)驗(yàn)設(shè)置

8 HEV/PHEV的熱管理體系結(jié)構(gòu)[8]

對不同的冷卻和加熱體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了虛擬分析;效率和成本方面被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)因素，以及布局方面和整車的限制因素，驅(qū)動(dòng)元件的選擇和影響性能。為了進(jìn)行魯棒結(jié)構(gòu)比較，獲得更可靠的結(jié)果，建立了汽車熱模型。該模型考慮了熱負(fù)荷的主要貢獻(xiàn)，并對不同的選擇情況進(jìn)行了仿真。本文對虛擬分析結(jié)果和不同控制策略的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)果是一個(gè)可能的熱管理架構(gòu)的概述，有助于定義新的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南，直接與電池系統(tǒng)架構(gòu)和電子電機(jī)布局在相同的CO2減排目標(biāo)和新的法規(guī)符合性。

8.1 熱管理架構(gòu)

提出的熱管理體系結(jié)構(gòu)的主要思想是管理三個(gè)不同的冷卻電路及其相互作用，這要?dú)w功于一個(gè)專門為此目的設(shè)計(jì)的新閥門系統(tǒng)。提出的解決方案是基于雙回路冷卻的概念和一個(gè)水冷蒸發(fā)器專門用于電池組的熱管理。此外，與高溫冷卻劑回路連接的蓄熱系統(tǒng)可以使冰快速升溫，也可以使客艙快速升溫，從而降低專用加熱系統(tǒng)的電力需求。這一選擇的基本驅(qū)動(dòng)因素是:美國OBD法規(guī)，它推動(dòng)了電池?zé)峁芾淼男纶厔?，要求避免在?yán)格的診斷要求下使用制冷劑，空調(diào)壓縮機(jī)在使用時(shí)應(yīng)符合這一要求。由于功耗高，PTC加熱器的拆卸或減少，對電驅(qū)動(dòng)續(xù)駛里程影響較大。熱泵解決方案可以幫助實(shí)現(xiàn)與PTC接近的性能，在功率要求方面有顯著的好處。采用集成來提升部件效率，這對于小型汽車來說是強(qiáng)制性的，因?yàn)樾⌒桶l(fā)動(dòng)機(jī)室和平臺(tái)需要花費(fèi)很大的精力去安裝所有的設(shè)備，以符合維護(hù)指南和最小續(xù)駛里程要求。因此，主要目標(biāo)是保證汽車電池系統(tǒng)、艙室和電力電子設(shè)備的冷卻和加熱功能，以消除或減少PTC加熱器的使用。圖14顯示了初始冷卻電路架構(gòu)方案和閥門配置，認(rèn)為:紅色是高溫的冷卻回路(～90℃)冷卻循環(huán)，藍(lán)色的電路低溫(～50℃)冷卻循環(huán)和綠色的電路是致力于電池充電器的冷卻循環(huán)系統(tǒng)。水乙二醇是充滿所有這些冷卻回路的液體。在圖15中給出了一個(gè)閥門配置。所考慮的配置代表了一種需要電池系統(tǒng)冷卻的功能模式:在這種情況下，綠色冷卻劑電路由車輛的空調(diào)電路通過專用制冷器(CHL)冷卻。很明顯，閥門是關(guān)鍵的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它們將提供從電動(dòng)引擎和逆變器中回收熱量的可能性，以適當(dāng)?shù)牟呗则?qū)動(dòng)電池加熱。在圖15中，低溫電路直接連接到電池充電器的冷卻液電路，通過適當(dāng)?shù)拈y門配置，使熱的冷卻液可以加熱電池。最后，在高溫冷卻電路中引入儲(chǔ)熱罐(HS)可以幫助所有需要快速預(yù)熱的部分:熱機(jī)、電池組和機(jī)艙。

圖14 電池系統(tǒng)冷卻方式:低溫回路(藍(lán)色)和高溫回路(紅色)與電池冷卻回路(綠色)無交互作用，電池冷卻回路(綠色)由空調(diào)系統(tǒng)通過冷水器(CHIl)冷卻(淺藍(lán)色)[8]。

圖15 電池系統(tǒng)加熱方式:低溫電路(藍(lán)色)連接到電池冷卻電路(綠色)由于優(yōu)化的閥門配置[8]