汽車熱管理技術(shù)分析與研究

李宇洲

長(zhǎng)城汽車股份有限公司 河北省汽車工程技術(shù)研究中心 河北省保定市 071000

1 引言

傳統(tǒng)燃油汽車能源利用率主要由發(fā)動(dòng)機(jī)性能決定，所配備的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其運(yùn)行能耗占汽車總能耗的比例非常有限。但隨著油電混合和純電動(dòng)汽車的發(fā)展，越來越多的發(fā)熱元件、智能化技術(shù)和零部件加入其中，系統(tǒng)熱管理壓力增加，其運(yùn)行也需要消耗更多能源，導(dǎo)致單位能源消耗下，汽車可行駛最大里程降低。為使熱管理系統(tǒng)更加匹配于新型汽車的特點(diǎn)及性能要求，需對(duì)熱管理技術(shù)進(jìn)行分析。

2 汽車熱管理技術(shù)應(yīng)用

2.1 燃油汽車

燃油汽車的熱管理系統(tǒng)由進(jìn)氣中冷回路、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路、空調(diào)系統(tǒng)回路及暖風(fēng)芯體回路構(gòu)成，回路與位于汽車前端的散熱器相連，釋放多余熱量以維持回路正常運(yùn)行溫度。傳統(tǒng)汽車以發(fā)動(dòng)機(jī)為核心驅(qū)動(dòng)，受到發(fā)動(dòng)機(jī)屬性的影響，汽車系統(tǒng)中超30%的熱量需要由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路釋放，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下過熱。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路包括冷卻管、水箱、水泵、散熱器等結(jié)構(gòu)，利用冷卻水完成熱量傳輸與循環(huán)，穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度在90℃上下。

進(jìn)氣中冷回路與增壓發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配，完成增壓空氣冷卻處理，以提高進(jìn)氣密度帶來更大的進(jìn)氣量。該回路還可發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)防爆震的作用，回路中進(jìn)氣冷溫度一般不超過55℃。空調(diào)系統(tǒng)回路負(fù)責(zé)汽車內(nèi)部制冷與供熱，炎熱天氣，將汽車內(nèi)多余的熱量傳輸至室外；寒冷天氣，利用暖風(fēng)芯體回路循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路中的余熱對(duì)汽車內(nèi)進(jìn)行供暖。

傳統(tǒng)燃油汽車采用的熱管理系統(tǒng)存在內(nèi)部元件耗能高的問題，如風(fēng)扇系統(tǒng)功率消耗達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)功率的10%左右。另外，空調(diào)系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車內(nèi)部的熱量循環(huán)，但無法對(duì)冷卻液、冷卻空氣量進(jìn)行精準(zhǔn)控制，很難將整車結(jié)構(gòu)中每一元件的運(yùn)行溫度均調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)。

2.2 電動(dòng)汽車

電動(dòng)汽車以電機(jī)取代發(fā)動(dòng)機(jī)，其熱管理系統(tǒng)由電機(jī)回路、電池回路、空調(diào)系統(tǒng)回路及暖風(fēng)芯體回路構(gòu)成。電動(dòng)汽車的冷卻回路與燃油汽車相似，但其工作目的及工作條件存在差異。例如，電機(jī)回路的合理運(yùn)行溫度不應(yīng)超過80℃，而電池回路的合理運(yùn)行溫度應(yīng)在20～35℃。通常情況下，空調(diào)系統(tǒng)回路負(fù)責(zé)汽車內(nèi)部制冷，但也可對(duì)電池回路進(jìn)行冷卻。發(fā)動(dòng)機(jī)被取代后，寒冷天氣無法獲取發(fā)動(dòng)機(jī)余熱進(jìn)行供暖，而采用暖風(fēng)芯體回路的正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）將電能轉(zhuǎn)化為熱能。因此電動(dòng)汽車在冬季行駛時(shí)，單位能耗行駛里程要明顯降低。目前行業(yè)中提出安裝制熱性能更優(yōu)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，以解決冬季單位能耗下可行駛里程降低的問題。

3 汽車熱管理新技術(shù)

3.1 電控風(fēng)扇

電控風(fēng)扇的動(dòng)力源為電動(dòng)機(jī)或液壓泵馬達(dá)，以智能方式進(jìn)行控制，輸入PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級(jí)調(diào)速。ECU采集溫度傳感器的水溫、進(jìn)氣溫度、空調(diào)開啟等信號(hào)，調(diào)節(jié)風(fēng)扇運(yùn)行方案，以維持發(fā)動(dòng)機(jī)等零件的最佳工作溫度。在達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)散熱要求的前提下，智能控制的風(fēng)扇系統(tǒng)還具備噪音低、能耗低等優(yōu)勢(shì)。

3.2 智能溫控進(jìn)氣格柵

智能溫控進(jìn)氣格柵包括水溫傳感器、控制元件、電動(dòng)格柵等結(jié)構(gòu)。其中，水溫傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信息，控制元件結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信息調(diào)整電動(dòng)格柵的進(jìn)氣角度。

現(xiàn)有的智能溫控進(jìn)氣格柵依照控制精度不同可分為單級(jí)、多級(jí)和無級(jí)三種類型。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低時(shí)，進(jìn)氣格柵關(guān)閉，降低汽車風(fēng)阻系數(shù)并縮短發(fā)動(dòng)機(jī)升溫時(shí)間，發(fā)揮節(jié)能降耗、減輕磨損、優(yōu)化性能等作用[1]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高時(shí)，進(jìn)氣格柵開啟并根據(jù)采集到的溫度信號(hào)調(diào)整進(jìn)氣角度，盡可能的多進(jìn)入自然風(fēng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻。

3.3 余熱回收

余熱回收技術(shù)具備突出的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，將冷卻系統(tǒng)中的余熱回收，可用于汽車內(nèi)部供暖，提高熱能使用效率。現(xiàn)有汽車排氣熱能回收技術(shù)包括電壓技術(shù)、溫差發(fā)電技術(shù)、朗肯底循環(huán)技術(shù)等。已有機(jī)朗肯底循環(huán)技術(shù)為例，該技術(shù)利用有機(jī)工質(zhì)，在換熱器完成內(nèi)燃機(jī)余熱吸收，以加溫、加壓蒸汽的方式儲(chǔ)存，蒸汽膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能。但該技術(shù)的有機(jī)工質(zhì)無法用于高溫廢氣的余熱回收，此時(shí)可使用溫差發(fā)電技術(shù)，將兩種技術(shù)相結(jié)合，更充分回收廢氣中余熱。

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)分流冷卻

發(fā)動(dòng)機(jī)分流冷卻采用不同冷卻回路，對(duì)氣缸缸蓋及缸體進(jìn)行冷卻，使用冷卻水泵對(duì)以上回路中的冷卻水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。發(fā)動(dòng)機(jī)分流冷卻的優(yōu)勢(shì)在于能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)各部分的運(yùn)行溫度達(dá)到最佳狀態(tài)，提升冷卻效果，同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱能排放并減輕磨損。

3.5 電控水泵

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)的動(dòng)力裝置是機(jī)械水泵，靠皮帶傳動(dòng)，因此它消耗了發(fā)動(dòng)機(jī)的部分輸出功率，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，水泵的輸出流量也就隨之升高，往往超出了實(shí)際需求值。電控水泵的工作原理與電控風(fēng)扇類似，也是依靠PWM信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。控制單元采集水溫、水流量等各傳感器參數(shù)，按預(yù)置的策略發(fā)出PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)熱管理的精準(zhǔn)控制。

4 汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

從當(dāng)前的研究形勢(shì)上看，汽車熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從智能化控制、新材料應(yīng)用、內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面展開。

4.1.1 智能化控制

當(dāng)前，汽車系統(tǒng)中水泵、風(fēng)扇等部件均可實(shí)現(xiàn)智能化控制，配合傳感器及控制單元，依照發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度情況，針對(duì)性調(diào)整冷卻介質(zhì)流量，在充分滿足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻需求的同時(shí)，降低冷卻耗能。1992年，國外學(xué)者研發(fā)出將水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器等相結(jié)合的電控發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)部件溫度調(diào)整冷卻液流量，其節(jié)能效果在5%左右。之后在該冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又開發(fā)出一種能夠根據(jù)汽車運(yùn)行條件及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻及排放性能，最高可節(jié)約5%的燃油。在我國，有學(xué)者對(duì)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)水泵及風(fēng)扇的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用單片機(jī)對(duì)電磁比例溢流閥流量進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)冷卻水溫度信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵及風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)。以熱管理新技術(shù)為代表，智能化控制的熱管理系統(tǒng)得到充分的研究和應(yīng)用，目前的制約因素僅為成本。

4.1.2 新材料應(yīng)用

汽車熱管理系統(tǒng)用材相對(duì)單一，一般以銅鋁等材料制作散熱器，以乙二醇與水的混合物作為冷卻介質(zhì)。傳統(tǒng)冷卻介質(zhì)冷卻效果與汽車?yán)鋮s需求之前的矛盾越發(fā)明顯，有學(xué)者提出采用納米流體代替原本的冷卻介質(zhì)，已成為當(dāng)前熱管理系統(tǒng)新材料研究的主要方向。另有實(shí)驗(yàn)對(duì)石墨泡沫材料進(jìn)行研究，試圖取代金屬散熱材料。采用石墨泡沫制作賽車發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率為588kW、車速為290km/h、水溫在99.4℃時(shí)，對(duì)風(fēng)扇的需求降低為原來的2.3%，散熱優(yōu)化效果非常顯著[2]。石墨泡沫材料的散熱器較一般散熱器體積更小，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)外殼高度并降低風(fēng)阻。同時(shí)還可優(yōu)化駕駛員視野，提高汽車駕駛安全性。

4.2 熱管理系統(tǒng)應(yīng)用案例

以奧迪Q7熱管理系統(tǒng)為例。其熱管理系統(tǒng)由空調(diào)系統(tǒng)回路、高低溫回路組成。

低溫回路包括電機(jī)和電池回路，使用閥門對(duì)電池回路和電機(jī)回路進(jìn)行控制。該型號(hào)汽車安裝熱泵空調(diào)系統(tǒng)，分為空調(diào)制冷和熱泵制熱模式。其中，空調(diào)制冷模式將冷媒壓縮，利用膨脹閥將其引入到蒸發(fā)器，對(duì)汽車內(nèi)部進(jìn)行制冷。熱泵制熱模式將壓縮冷媒，利用膨脹閥將其引入到低溫回路中吸熱，再將熱量傳輸至暖風(fēng)芯體回路進(jìn)行供熱。

高溫回路在傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的暖風(fēng)芯體回路當(dāng)中添加冷卻器及高壓PTC，在汽車運(yùn)行過程中，優(yōu)先利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水進(jìn)行供熱。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止后，再利用高壓PTC進(jìn)行加熱。

電池回路與電機(jī)回路采用串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合的控制模式。在串聯(lián)狀態(tài)下，使用電機(jī)回路中余熱進(jìn)行供熱，并通過電機(jī)回路中的散熱器散熱。在并聯(lián)狀態(tài)下，電池回路單獨(dú)運(yùn)行調(diào)節(jié)電池溫度，并利用Chiller散熱，此時(shí)電機(jī)回路可獨(dú)立使用低溫散熱器散熱[3]。

空調(diào)系統(tǒng)回路與低溫回路相結(jié)合，回收低溫回路中余熱。空調(diào)系統(tǒng)與高溫回路相結(jié)合，降低汽車內(nèi)部供熱能耗。電機(jī)回路與電池回路間由閥門控制，可充分利用電池回路完成汽車內(nèi)部供熱或制冷，降低汽車能耗。

再以純電動(dòng)車特斯拉Model 3為例，其采用了多個(gè)電磁換向閥、電控風(fēng)扇、電控水泵，來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度的防凍液的管理，實(shí)現(xiàn)了電池的加熱與冷卻，乘員艙空調(diào)的高效管理，從而達(dá)成了較理想的續(xù)航里程。

5 結(jié)論

隨著可持續(xù)發(fā)展理念及新能源汽車研究的深入，將有更多電動(dòng)汽車投入到社會(huì)生產(chǎn)生活當(dāng)中，對(duì)汽車熱管理系統(tǒng)性能提出更高要求。除合理運(yùn)用管理技術(shù)外，可從智能化控制、新材料應(yīng)用、內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面入手對(duì)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新，提高熱管理成效，降低汽車耗能并提高其動(dòng)力性能。