汽車熱管理技術(shù)分析與研究

李宇洲

長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)動機性能決定，所配備的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，其運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及性能要求，需對熱管理技術(shù)進行分析。

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)由進氣中冷回路、發(fā)動機冷卻回路、空調(diào)系統(tǒng)回路及暖風芯體回路構(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行溫度。傳統(tǒng)汽車以發(fā)動機為核心驅(qū)動，受到發(fā)動機屬性的影響，汽車系統(tǒng)中超30%的熱量需要由發(fā)動機冷卻回路釋放，避免發(fā)動機在高負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)下過熱。發(fā)動機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)動機運行溫度在90℃上下。

進氣中冷回路與增壓發(fā)動機相匹配，完成增壓空氣冷卻處理，以提高進氣密度帶來更大的進氣量。該回路還可發(fā)揮發(fā)動機防爆震的作用，回路中進氣冷溫度一般不超過55℃。空調(diào)系統(tǒng)回路負責汽車內(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，利用暖風芯體回路循環(huán)發(fā)動機冷卻回路中的余熱對汽車內(nèi)進行供暖。

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，如風扇系統(tǒng)功率消耗達到發(fā)動機功率的10%左右。另外，空調(diào)系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機與汽車內(nèi)部的熱量循環(huán)，但無法對冷卻液、冷卻空氣量進行精準控制，很難將整車結(jié)構(gòu)中每一元件的運行溫度均調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)。

2.2 電動汽車

電動汽車以電機取代發(fā)動機，其熱管理系統(tǒng)由電機回路、電池回路、空調(diào)系統(tǒng)回路及暖風芯體回路構(gòu)成。電動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，電機回路的合理運行溫度不應(yīng)超過80℃，而電池回路的合理運行溫度應(yīng)在20～35℃。通常情況下，空調(diào)系統(tǒng)回路負責汽車內(nèi)部制冷，但也可對電池回路進行冷卻。發(fā)動機被取代后，寒冷天氣無法獲取發(fā)動機余熱進行供暖，而采用暖風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。因此電動汽車在冬季行駛時，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 電控風扇

電控風扇的動力源為電動機或液壓泵馬達，以智能方式進行控制，輸入PWM信號實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速。ECU采集溫度傳感器的水溫、進氣溫度、空調(diào)開啟等信號，調(diào)節(jié)風扇運行方案，以維持發(fā)動機等零件的最佳工作溫度。在達到發(fā)動機散熱要求的前提下，智能控制的風扇系統(tǒng)還具備噪音低、能耗低等優(yōu)勢。

3.2 智能溫控進氣格柵

智能溫控進氣格柵包括水溫傳感器、控制元件、電動格柵等結(jié)構(gòu)。其中，水溫傳感器負責實時采集發(fā)動機溫度信息，控制元件結(jié)合發(fā)動機溫度信息調(diào)整電動格柵的進氣角度。

現(xiàn)有的智能溫控進氣格柵依照控制精度不同可分為單級、多級和無級三種類型。當發(fā)動機溫度較低時，進氣格柵關(guān)閉，降低汽車風阻系數(shù)并縮短發(fā)動機升溫時間，發(fā)揮節(jié)能降耗、減輕磨損、優(yōu)化性能等作用[1]。當發(fā)動機溫度過高時，進氣格柵開啟并根據(jù)采集到的溫度信號調(diào)整進氣角度，盡可能的多進入自然風對發(fā)動機進行冷卻。

3.3 余熱回收

余熱回收技術(shù)具備突出的節(jié)能優(yōu)勢，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。已有機朗肯底循環(huán)技術(shù)為例，該技術(shù)利用有機工質(zhì)，在換熱器完成內(nèi)燃機余熱吸收，以加溫、加壓蒸汽的方式儲存，蒸汽膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn)化為機械能或電能。但該技術(shù)的有機工質(zhì)無法用于高溫廢氣的余熱回收，此時可使用溫差發(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)動機分流冷卻

發(fā)動機分流冷卻采用不同冷卻回路，對氣缸缸蓋及缸體進行冷卻，使用冷卻水泵對以上回路中的冷卻水流量進行調(diào)節(jié)。發(fā)動機分流冷卻的優(yōu)勢在于能夠使發(fā)動機各部分的運行溫度達到最佳狀態(tài)，提升冷卻效果，同時降低發(fā)動機熱能排放并減輕磨損。

3.5 電控水泵

傳統(tǒng)發(fā)動機散熱系統(tǒng)的動力裝置是機械水泵，靠皮帶傳動，因此它消耗了發(fā)動機的部分輸出功率，且發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，水泵的輸出流量也就隨之升高，往往超出了實際需求值。電控水泵的工作原理與電控風扇類似，也是依靠PWM信號控制實現(xiàn)無級變速。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，實現(xiàn)熱管理的精準控制。

4 汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計

4.1 熱管理系統(tǒng)設(shè)計現(xiàn)狀

從當前的研究形勢上看，汽車熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計主要從智能化控制、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

當前，汽車系統(tǒng)中水泵、風扇等部件均可實現(xiàn)智能化控制，配合傳感器及控制單元，依照發(fā)動機運行溫度情況，針對性調(diào)整冷卻介質(zhì)流量，在充分滿足發(fā)動機冷卻需求的同時，降低冷卻耗能。1992年，國外學者研發(fā)出將水泵、風扇、節(jié)溫器等相結(jié)合的電控發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機部件溫度調(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)汽車運行條件及發(fā)動機運行負荷進行溫度調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，提高發(fā)動機冷卻及排放性能，最高可節(jié)約5%的燃油。在我國，有學者對由液壓馬達驅(qū)動水泵及風扇的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行研究，采用單片機對電磁比例溢流閥流量進行調(diào)整，根據(jù)冷卻水溫度信號，自動調(diào)節(jié)水泵及風扇的運行狀態(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)冷卻效果與汽車冷卻需求之前的矛盾越發(fā)明顯，有學者提出采用納米流體代替原本的冷卻介質(zhì)，已成為當前熱管理系統(tǒng)新材料研究的主要方向。另有實驗對石墨泡沫材料進行研究，試圖取代金屬散熱材料。采用石墨泡沫制作賽車發(fā)動機散熱器，當發(fā)動機功率為588kW、車速為290km/h、水溫在99.4℃時，對風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)動機外殼高度并降低風阻。同時還可優(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。

低溫回路包括電機和電池回路，使用閥門對電池回路和電機回路進行控制。該型號汽車安裝熱泵空調(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，對汽車內(nèi)部進行制冷。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芯體回路進行供熱。

高溫回路在傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的暖風芯體回路當中添加冷卻器及高壓PTC，在汽車運行過程中，優(yōu)先利用發(fā)動機冷卻水進行供熱。當發(fā)動機停止后，再利用高壓PTC進行加熱。

電池回路與電機回路采用串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合的控制模式。在串聯(lián)狀態(tài)下，使用電機回路中余熱進行供熱，并通過電機回路中的散熱器散熱。在并聯(lián)狀態(tài)下，電池回路單獨運行調(diào)節(jié)電池溫度，并利用Chiller散熱，此時電機回路可獨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。

再以純電動車特斯拉Model 3為例，其采用了多個電磁換向閥、電控風扇、電控水泵，來實現(xiàn)對不同溫度的防凍液的管理，實現(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，將有更多電動汽車投入到社會生產(chǎn)生活當中，對汽車熱管理系統(tǒng)性能提出更高要求。除合理運用管理技術(shù)外，可從智能化控制、新材料應(yīng)用、內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面入手對熱管理系統(tǒng)進行創(chuàng)新，提高熱管理成效，降低汽車耗能并提高其動力性能。