汽车热管理系统原理与实践 分析,设计,开发与验证-第一讲：热管理系统概述

机舱，底 盘热管理 动力总 成热管 理
零件1 零件2 零件3 零件1 零件2 零件3 零件1 零件2 零件3
模块分 析 模块分 析 模块分 析 整 车 分 析 整 车 验 证
……
空调、采 暖
热管理性能开发流程
1、竞品性 能测试； 2、环境温 度，辐射 强度，运 行，储运 工况确认， 3、热管理 系统方案 确定。
历史回顾
1940
历史回顾
历史回顾
1958 Lincoln
历史回顾
• • • • • 1986 Taurus 热管理“成熟” HVAC成“标配” 系统设计成型 （计算，台架， 环境舱试验）
历史回顾
Max Jakob
历史回顾
• Max Jakob (Born in Ludwigshafen, Germany，July 20, 1879 – January 4, 1955)，German physicist in thermal science;
41.2 44.2 49.0 49.8 51.2 50.7 47.7 43.7 37.9 (106.2) (111.6) (120.2) (121.6) (124.2) (123.3) (117.9) (110.7) (100.2)
19.5 (67.1)
21.8 (71.2)
26.9 (80.4)
33.9 (93)
目标验 收： 热可靠； 热舒适； 热安全。
竞品分 析
目标设 定
目标分解
目标检 查
系统优化
目标验 收
热管理性能开发流程
智能型整车热管理器 TMM
智能型整车能量 EMM
2014
2015
2016
2017
2020
热管理性能计算流程
• • • • • • • • • 热负荷计算 油，水，增压空气限制，热保护零件 材料温度限值 热管理框架图 空气侧零部件选型设计 流体侧零部件选型设计 制冷剂测零部件选型设计 风扇，水泵，压缩机选型设计 NVH 机舱，底盘热保护，乘员舱通风设计
• 实现温控以保持动力系统，乘员系统 在最佳的温度范围内工作，以达到经 济型，安全性和驾驶舒适性； • 采用系统化、模块化设计方法，将零 部件，子系统进行设计集成、制造集 成，组合为一个有效的实体整车环境 控制系统（ECS）。
主要开发内容
仿真分析 输入 ICE油耗 结构验证
新能源续 航里程
热管理 研发
汽车热管理实体系统包括： 动力总成热管理集成 • ICEs （内燃发动机，变速箱）； • 混动、电动 （电池，电机，电控装置）。 暖空通HVAC热管理集成 • 空调制冷； • 采暖； • 除霜，除雾。 机舱隔热，导风热管理集成； 底盘隔热热管理集成。
历史回顾
Chevy Volt： Battery Fire 2011
工况5（4档）
4955
173.04
369.8972
0.77317
主要开发内容
发动机机油 变速箱油 冷却液 增压空气进燃烧室 ATB （air-to-boil)最高 许用环境温度
*参考值，视材料而定
150°C* 135°C* 110°C* 75°C* 48°C*
主要开发内容
主要开发内容
主要开发内容
热管理系统概述
你是否知道“汽车热管理系统”被认为是在 汽车历史上一项最具创新性的技术之一，排 位在防抱死制动系统（ABS），空气动力学 和柴油发动机的前面？ （英国的公共服务电视台第4频道）
热管理系统概述
什么是汽车热管理？
∆������ = ������ ∆������ ≧ ������ T
热管理系统概述
环境温度
极端高温区 极端高温区 极端高温区
确定极限设计工况
主要开发ห้องสมุดไป่ตู้容
工况 1 2 3 4 5 转速 工况1 工况2 工况3 工况4 750 3013 3325 2598 IDLE first gear & climbing 9% second gear & climbing 6% high speed max speed 转矩 29.90 72.68 88.59 151.92 燃油消耗率 362.60 273.52 272.86 277.59 车速 0 33 55 130 176 空燃比 1.00330 0.99838 0.99818 0.98112
主要开发内容
主要开发内容
主要开发内容
• • • • • 重量 体积 NVH 耗能 价格
基本数学方程
基本数学方程
基本数学方程
换热方程
Q=UATm
此处，
1 1 1 1 1 UA ( 0hA)h ( 0hsA)h KAw ( 0hA)c ( 0hsA)c
Q=Qmax @min UA-1 and min P
40.9 45.5 46.7 46.9 43.7 (105.6) (113.9) (116.1) (116.4) (110.7)
36.6 (97.9)
27.8 (82)
21.9 (71.4)
34.3 (93.7)
麦加
利雅得
全球基本气候图
麦加
热管理性能开发流程
热管理性能开发流程
整车 热、 冷环 境， 客户 需求
• His many years of teaching, consulting, and writing resulted in contributions to the literature of the profession; nearly 500 books, articles, reviews and discussions，Elements of Heat Transfer and Insulation (1942) and Heat Transfer (1956);
设计关健
基本数学方程
全球基本气候图
环境温度，辐射强度，运行，储运工况
运行工况 储运
全球气候 类型
日循环
热-干 热-湿 恒定高湿 变高湿
环境温度 太阳辐射 相对湿度 相对湿度 温度 （ºC) 2 （ºC) （W/m ) （ %） （ %） 32-49 31-41 24 26-35 0-1120 0-1080 不计 0-970 3-8 59-88 95-100 74-100 33-71 33-71 27 30-63 1-7 14-80 95-100 19-75
1、目标车型总体布置 方案规划；2、关键风 险点预案制定； 3、一维三维仿真； 4、子系统，模块设计； 5、供应商选定。
目标检查： 1、系统设计方 案是否与规划一 致； 2、热管理性能 满足整车要求； 3、重点风险点 是否有预案； 4、历史问题排 查； 5、台架试验。
性能验证： 环境舱模 拟测试验 证；路试 整改。
主要开发内容
热: >50°C；1120W/m 冷：<-46°C
2
主要开发内容
动力 总成 热管 理
机舱 隔热， 导风 热管 理
汽车热管理
暖空 通 HVAC 热管 理 底盘 隔热 热管 理
主要开发内容
汽车热管理系统研发（VTMS R&D ）是：
• 平衡热能量在动力总成、电子电器、 机舱、乘员舱之间的传递；
汽车热管理系统原理与实践
一、热管理系统概述
分析，设计，开发与验证
汽车热管理系统概述 • 汽车热管理系统一百年历史回顾 • 热管理的主要开发内容（或性能设定项目） • 热管理基本数学方程 • 全球基本气候图 • 汽车热管理性能开发流程及设计标准 • 汽车热管理分析流程（包括1D及3D分析） • 案例项目一：空调制冷负荷，降温时间计 算 • 讨论答疑
热
基本
基本热
基本冷 冷 极冷
30-43
-21--33 -37--46 -51
0-1120
不计 不计 不计
14-44
趋于饱和 趋于饱和 趋于饱和
30-63
-25--33 -37--46 -51
5-44
趋于饱和 趋于饱和 趋于饱和
冷 极冷
全球基本气候图
全球基本气候图
科威特属热带沙漠型气候。夏季漫长，常刮西风，干燥，气温45℃，最 高52℃，沥青路面80℃；紫外线、紫外线B和红外线水平60%。冬季短暂， 最低气温可低至0℃，常刮南风，降雨量108毫米。春夏季多见沙尘暴。
历史回顾
radiation convection
STS107, 2001.5
protection conduction
历史回顾
protection
历史回顾
“自然热管理” （1903年Parkard）
历史回顾
“自然热管理”
历史回顾
• 1902年，美国工程师，威利斯开利 （ Willis Carrier）发明了沿用至今的 冷媒空调技术； • 1939年，通用的凯迪拉克推出了第一 款内置空调； • 1953年，为克莱斯勒在后备箱装了一 个系统，使用被称为R22制冷剂。
• The Max Jakob Memorial Award, the highest honor in the field of heat transfer, was established in 1961 by the ASME in honor of Jakob.
历史回顾
The Max Jakob Memorial Awardees • 1961 Ernst R. G. Eckert, United States • 1977 D. Brian Spalding, United Kingdom • 1981 Chang-Lin Tien, United States • 1982 Simon Ostrach, United States • 1992 William M. Kays, United States • 1996 Robert Siegel, United States • 1997 John R. Howell, United States • 1998 Alexander I. Leontiev, Russia • 1999 Adrian Bejan, United States • 2000 Vedat Arpaci, United States • 2006 Kwang-Tzu Yang, United States • 2007 Wen-Jei Yang, United States • 2008 Suhas Patankar, United States
空调舒适 性
策略验证
主要开发内容
主要开发内容
主要开发内容
ICE 热管理能量
ICE 能量
ICE 排放
ICE 动力能量
主要开发内容
• • • • •
阳光 人体 温差 电器 车身
主要开发内容
主要开发内容
新能源
主要开发内容
试验要求 档位 行驶速度/ 发动机转速 坡度 设计工况 怠速工况 设计要求 怠速转速 0% 设计要求 设计要求 （适用于极 端高温区域） 停走工况 设计要求 根据车定 0% 设计要求 设计要求 （适用于 域） 爬坡工况 设计要求 根据车定 设计要求 设计要求 设计要求 （适用于 域） 高速工况 设计要求 根据车定 0% 设计要求 设计要求 （适用于 域）
Month Record high °C (°F) Averag e high °C (°F) Jan 29.8 (85.6) Feb 35.8 (96.4) Mar Apr Climate data for Kuwait City May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 30.5 (86.9) Year 51.2 (124.2)
主要开发内容
PMV（Predicted Mean Vote） Factors in Human Comfort： • Metabolic rate (met): The energy generated from the human body • Clothing insulation: The amount of thermal insulation the person is wearing • Air temperature: Temperature of the air surrounding the occupant • Radiant temperature: The weighted average of all the temperatures from surfaces surrounding an occupant • Air velocity: Rate of air movement given distance over time • Relative humidity: Percentage of water vapor in the air