整车热管理系统研究PPT课件
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汽车热管理技术体系
汽车热管理技术体系
首先，发动机冷却是热管理技术中的重要环节。
发动机在工作
时会产生大量的热量，如果不能及时有效地散发掉，就会导致发动
机过热，甚至损坏。
因此，汽车采用水冷却系统或者空气冷却系统
来对发动机进行冷却，保证发动机在适宜的工作温度范围内运行。
其次，发动机预热技术也是热管理技术体系中的重要组成部分。
在寒冷地区或者低温环境下，发动机启动时需要经过一定时间的预
热才能正常运行，因此汽车采用预热装置来提高发动机的工作温度，减少启动时的磨损和排放的有害气体。
此外，车内空调系统也是热管理技术体系中的重要组成部分。
车内空调系统可以控制车内空气的温度和湿度，为驾驶员和乘客创
造舒适的驾乘环境。
同时，空调系统也可以影响发动机的工作温度
和燃油效率，因此在热管理技术体系中占据重要地位。
最后，底盘散热技术也是汽车热管理技术体系中不可或缺的一环。
汽车在行驶过程中会产生大量的热量，底盘散热系统通过散热片、散热风扇等设备来有效散发底盘和制动系统产生的热量，以保
证汽车的制动性能和安全性。
总的来说，汽车热管理技术体系涉及到发动机冷却、发动机预热、车内空调、底盘散热等多个方面，通过这些技术手段来有效控
制和调节汽车各部件的温度，保证汽车的正常运行和提高燃油效率。
这些技术的运用不仅提高了汽车的性能和可靠性，也提升了驾乘舒
适度和安全性。
车辆热管理系统研究进展
系统 、空 调系 统 、燃 烧 系统 、传动 系统 、电器 附 件
图 １ 车 辆 热 管 理 系 统
２ 车 辆 热 管 理 系统 目前 存 在 的 问题
作为 车辆 热管理 系统 的核 心部件 ，大部分 发 动 机冷 却系统 仍 属于传 统 的被动 系统 ，只 能有 限地调 节发 动机 和车辆 的热 分 布状态 ，不 能精 确控制 循环 冷却 液量 和冷却 空气 流量 ，不 能使 发动 机各部 件 工 作在 最佳 温度 范 围内 。如 传统 的冷却 水 泵和 风扇 均
传 动 系 统
发 动 机 舱
电 器 附
件
１ 车 辆 热 管 理 系统概 述
车辆 热管 理系统 （ 见图 １ ）是 从 系统 集 成 和 整 体角 度 出发 ，统筹热 量 与热管 理对 象 、整车之 间 的 关系 ，采 用综 合控制 和 系统管 理 的方法 ，将 车辆 的 各个 系统 或部 件 （ 如冷却 系统 、润 滑系 统 、进 排气
随着对车辆节能和环保 的要求越来越 高 ，以及 电 动车辆 的研究与开发 ，世界车辆工业 发达 国家均 十分 重视车辆热管理技术 的研究 ，将其作 为车辆发展研 究 计 划的主要研究 内容之一 。车辆热 管理系统工作性 能
的优劣 ，直接影响着车辆动力 系统 的整体性 能 ，开发
辆 承 载能力 、降低 车 辆维护 费用 ，以及提 高车 辆可 靠 性 、能源 利用 效率 和环境 适应 能力 。 车 辆 热 管 理 系 统
统集 成 与整体 角度 出发 对热 量传 递过 程进 行优 化及
控制 ，使 得能 量利 用率 较低 。 因此 ，对 车辆 热管 理 系统 的要求 ，一 方 面要使 其 在 发动 机各 种环 境 、各种 工况 下都 能满 足动 力 系 统 的散热 需求 ，保 证发 动机 正常 有效 运转 ；另 一方
图 １ 车 辆 热 管 理 系 统
２ 车 辆 热 管 理 系统 目前 存 在 的 问题
作为 车辆 热管理 系统 的核 心部件 ，大部分 发 动 机冷 却系统 仍 属于传 统 的被动 系统 ，只 能有 限地调 节发 动机 和车辆 的热 分 布状态 ，不 能精 确控制 循环 冷却 液量 和冷却 空气 流量 ，不 能使 发动 机各部 件 工 作在 最佳 温度 范 围内 。如 传统 的冷却 水 泵和 风扇 均
传 动 系 统
发 动 机 舱
电 器 附
件
１ 车 辆 热 管 理 系统概 述
车辆 热管 理系统 （ 见图 １ ）是 从 系统 集 成 和 整 体角 度 出发 ，统筹热 量 与热管 理对 象 、整车之 间 的 关系 ，采 用综 合控制 和 系统管 理 的方法 ，将 车辆 的 各个 系统 或部 件 （ 如冷却 系统 、润 滑系 统 、进 排气
随着对车辆节能和环保 的要求越来越 高 ，以及 电 动车辆 的研究与开发 ，世界车辆工业 发达 国家均 十分 重视车辆热管理技术 的研究 ，将其作 为车辆发展研 究 计 划的主要研究 内容之一 。车辆热 管理系统工作性 能
的优劣 ，直接影响着车辆动力 系统 的整体性 能 ，开发
辆 承 载能力 、降低 车 辆维护 费用 ，以及提 高车 辆可 靠 性 、能源 利用 效率 和环境 适应 能力 。 车 辆 热 管 理 系 统
统集 成 与整体 角度 出发 对热 量传 递过 程进 行优 化及
控制 ，使 得能 量利 用率 较低 。 因此 ，对 车辆 热管 理 系统 的要求 ，一 方 面要使 其 在 发动 机各 种环 境 、各种 工况 下都 能满 足动 力 系 统 的散热 需求 ，保 证发 动机 正常 有效 运转 ；另 一方
现代汽车热管理系统
重要性
随着汽车技术的不断发展，热管理系 统对于提高汽车性能、降低能耗、延 长使用寿命等方面具有重要意义。
热管理系统的基本组成
01
02
03
冷却系统
包括散热器、水泵、节温 器等部件，用于控制发动 机温度，保持发动机正常 运转。
加热系统
包括暖风水箱、加热器芯 等部件，用于提供车内温 暖，提高乘员舒适性。
维护和更换。
轻量化设计
采用轻质材料和结构优化，降低热 管理系统的重量，提高车辆燃油经 济性和动力性能。
集成化设计
将热管理系统与其他汽车系统集成 ，如空调、发动机冷却、电池热管 理等，实现系统间的协同优化。
先进的热管理材料
高导热材料
智能材料
采用高导热性能的材料，如石墨烯、 碳纳米管等，提高热传递效率。
加热系统
加热系统的作用
加热系统的作用是为乘客提供舒适的车内温度， 同时为挡风玻璃除霜除雾。
加热系统的组成
加热系统通常包括加热器、通风风扇和温度控制 面板等组件。
加热系统的效率
现代汽车的加热系统通常采用高效能材料和设计 ，以提高加热速度和效率。
空调系统
空调系统的作用
空调系统的作用是控制车内的温度、湿度和气流，为乘客提供舒 适的环境。
通风系统
包括风扇、空调等部件， 用于将外部新鲜空气引入 车内，同时将车内热空气 排出。
热管理系统的功能与目标
功能
现代汽车热管理系统具备多种功能，如温度调节、湿度控制、气流组织等，以 满足不同部件和乘员的需求。
目标
热管理系统的目标是实现高效、节能、环保和舒适，以提高汽车的整体性能和 乘员的满意度。
02
预测控制
基于预测模型对未来状态进行预 测，提前调整热管理系统的运行 参数，提高控制精度和响应速度 。
随着汽车技术的不断发展，热管理系 统对于提高汽车性能、降低能耗、延 长使用寿命等方面具有重要意义。
热管理系统的基本组成
01
02
03
冷却系统
包括散热器、水泵、节温 器等部件，用于控制发动 机温度，保持发动机正常 运转。
加热系统
包括暖风水箱、加热器芯 等部件，用于提供车内温 暖，提高乘员舒适性。
维护和更换。
轻量化设计
采用轻质材料和结构优化，降低热 管理系统的重量，提高车辆燃油经 济性和动力性能。
集成化设计
将热管理系统与其他汽车系统集成 ，如空调、发动机冷却、电池热管 理等，实现系统间的协同优化。
先进的热管理材料
高导热材料
智能材料
采用高导热性能的材料，如石墨烯、 碳纳米管等，提高热传递效率。
加热系统
加热系统的作用
加热系统的作用是为乘客提供舒适的车内温度， 同时为挡风玻璃除霜除雾。
加热系统的组成
加热系统通常包括加热器、通风风扇和温度控制 面板等组件。
加热系统的效率
现代汽车的加热系统通常采用高效能材料和设计 ，以提高加热速度和效率。
空调系统
空调系统的作用
空调系统的作用是控制车内的温度、湿度和气流，为乘客提供舒 适的环境。
通风系统
包括风扇、空调等部件， 用于将外部新鲜空气引入 车内，同时将车内热空气 排出。
热管理系统的功能与目标
功能
现代汽车热管理系统具备多种功能，如温度调节、湿度控制、气流组织等，以 满足不同部件和乘员的需求。
目标
热管理系统的目标是实现高效、节能、环保和舒适，以提高汽车的整体性能和 乘员的满意度。
02
预测控制
基于预测模型对未来状态进行预 测，提前调整热管理系统的运行 参数，提高控制精度和响应速度 。
车辆热管理的研究方法和内容PPT课件
gasoline engine.
9
风扇的性能
• 吸风风扇：有利于空气更均匀的流过CPK • 吹风风扇：有利于更多空气流过CPK ,但由于产生的二次流的能力损失，降低
空气流量；在12.5cm内，吹风方式有更好的性能；在大于12.5cm，吹风方式 性能降低 • 如果风扇与冷却模块间距小于120mm，吹风方式有利。 • 对吹风方式而言，风扇和冷却模块理想距离为50mm；
• 最新的冷却系统发展方向（VALEO公司)：
1. Nucleate boiling engine cooling: 发动机内部冷却液沸腾冷却系统(REROM) 2. THEMIS™ system： 智能化电子冷却系统（电子控制阀控制条件冷却液的温
度和流量） 3. CoolMaster™：电子水阀 代替传统的 节温器或电子控制阀 4. UltimateCooling™：
WCAC, WCDS
8
Recommendations :
• THEMIS™ or CoolMaster™ could be used if the fuel consumption and pollutions reduction
are really the main target. Also it’s very good for the medium and high vehicle range equipped
engine.
• UltimateCooling™ is a good system in order to reduce the packaging of cooling module at
the front end. It’s an ideal system for high vehicle ange equipped with the turbo diesel or turbo
特斯拉热管理介绍ppt课件
Tesla MODEL X
MODEL X
➢ 电池加热、乘员舱加热原理：PTC加热及电机回路余热加热的方式对电池包和乘员舱加热。共有两种加热 方式，完全依靠PTC加热和电机余热利用的加热方式，途中绿色线条即为单独PTC加热的路径，即：水泵电池包-PTC-暖风水箱-四通阀-水泵-chiller-水泵。另外一种加热方式则依靠四通阀的控制来实现，即：电 机回路-三通-三通阀-四通阀-四通阀-水泵-chiller-水泵-电池包-PTC-暖风水箱-四通阀-副水箱-电机回路。
特斯拉热管理介绍
MODEL S
➢ 总架构
Tesla MODEL S
Tesla MODEL S
MODEL S
➢ 电池冷却：chiller-三通-水泵-三通-PTC-电池包-三通-三通-四通阀-水泵-三通阀-chiller ➢ 电池加热：水泵-三通-PTC-电池包-三通-三通-四通阀-水泵-三通阀-三通-水泵
Tesla MODEL X
MODEL X
➢ 电驱及电控冷却：电机、电控存在三种冷却方式①电机回路不经过散热器的小循环冷却；②电机回路经 过电池包的小循环冷却；③电机回路经过散热器的大循环冷却，不经过电池包。
MODEL 3
➢ 结构
1. A/C Compressor 压缩机 2. Cabin heater 加热PTC 3. HV Battery Pack 动力电池 4. HV Battery Pack service panel 集成 式高压盒 5. Rear Drive unit 后电机 6. HV cabling 高压线束 7. Charge port 充电口
MODEL X
➢ 电池冷却：车辆行驶或充电时，电池温度上升，BMS会根据预先设定的程序发送指令让压缩机工作，并 调节通向chiller的膨胀阀，同时电池包回路的水泵会运转，冷却液在chiller内部与冷媒进行热交换，冷却液 温度降低，然后经水泵-电池包-PTC-暖风水箱-四通阀-水泵-chiller，完成一个循环。
车辆热管理的研究方法和内容 30页PPT文档
10
Recommendations :
• THEMIS™ or CoolMaster™ could be used if the fuel consumption and pollutions reduction
are really the main target. Also it’s very good for the medium and high vehicle range equipped
with the gasoline engine.
• REROM could be a good system in order to reduce fuel consumption, pollution and system
cost. It’s very beneficial for low vehicle range equipped with small gasoline and small diesel
Radiator
Thermostate
Engine
带有蓄水的冷却系统 (blue outline indicates rubber hoses). 用蓝色标出的是橡皮软管
27
28
29
谢谢！
30
度和流量） 3. CoolMaster™：电子水阀 代替传统的 节温器或电子控制阀 4. UltimateCooling™：
3REROM 系统There are two coolant architectures for nucleate boiling engine cooling: • partially filled coolant architecture: there is coolant in the cylinder bloc and the cylinder head and all the rest of the coolant circuit remains empty. This coolant architecture was adopted and studied by two car manufacturers (Nissan and BMW).
Recommendations :
• THEMIS™ or CoolMaster™ could be used if the fuel consumption and pollutions reduction
are really the main target. Also it’s very good for the medium and high vehicle range equipped
with the gasoline engine.
• REROM could be a good system in order to reduce fuel consumption, pollution and system
cost. It’s very beneficial for low vehicle range equipped with small gasoline and small diesel
Radiator
Thermostate
Engine
带有蓄水的冷却系统 (blue outline indicates rubber hoses). 用蓝色标出的是橡皮软管
27
28
29
谢谢！
30
度和流量） 3. CoolMaster™：电子水阀 代替传统的 节温器或电子控制阀 4. UltimateCooling™：
3REROM 系统There are two coolant architectures for nucleate boiling engine cooling: • partially filled coolant architecture: there is coolant in the cylinder bloc and the cylinder head and all the rest of the coolant circuit remains empty. This coolant architecture was adopted and studied by two car manufacturers (Nissan and BMW).
新能源整车热管理（三）：电池系统热管理
新能源整车热管理（三）：电池系统热管理动力电池作为新能源汽车的主要动力源，其对新能源汽车的重要性不言而喻。
在实际的车辆使用过程中，电池会的面临的使用工况复杂多变。
为了提高续航里程，车辆需要在一定的空间内布置尽可能多的电芯，因此车辆上电池包的空间非常有限。
电池在车辆运行过程中产生大量的热量且随着时间的累积在相对狭小的空间内内积聚。
由于电池包内电芯的密集堆放，也在一定程度上造成中间区域散热相对更困难，加剧了电芯间的温度不一致，其结果会降低电池的充放电效率，影响电池的功率；严重时还会导致热失控，影响系统的安全性和寿命。
动力电池的温度对其性能、寿命、安全性影响很大。
在低温下，锂离子电池会出现内阻增大、容量变小的现象，极端情况更会导致电解液冻结、电池无法放电等情况，电池系统低温性能受到很大影响，造成电动汽车动力输出性能衰减和续驶里程减少。
在低温工况下对新能源车辆进行充电时，一般BMS先将电池加热到适宜的温度再进行充电的操作。
如果处理不当，会导致瞬间的电压过充，造成内部短路，进一步有可能会发生冒烟、起火甚至爆炸的情况。
电动汽车电池系统低温充电安全问题在很大程度上制约了电动汽车在寒冷地区的推广。
电池热管理是BMS中的重要功能之一，主要是为了让电池组能够始终保持在一个合适的温度范围内进行工作，从而来维持电池组最佳的工作状态。
电池的热管理主要包括冷却、加热以及温度均衡等功能。
冷却和加热功能，主要是针对外部环境温度对电池可能造成的影响来进行相应的调整。
温度均衡则是用来减小电池组内部的温度差异，防止某一部分电池过热造成的快速衰减。
如表1所示，通常我们期望电池在20~35℃的温度范围内工作，这样能实现车辆最佳的功率输出和输入、最大的可用能量，以及最长的循环寿命。
表1 动力电池温度特性一般来说，动力电池的冷却模式主要分为风冷、液冷和直冷三大类。
风冷模式是利用自然风或者乘客舱内的制冷风流经电池的表面达到换热冷却的效果。
液冷一般使用独立的冷却液管路用来加热或冷却动力电池，目前此种方式是冷却的主流，如特斯拉和volt均采用此种冷却方式。
整车热系统集成
热量产生速率
热量被空气带 着速率
热量在零件集 聚的速率
3. 整车热管理
零件温度VS运行工况
• 环境条件
• 整车负荷 • 车速 • 风扇状态 • 时间长度
3. 整车热管理
考核工况
大量数据采集确定本地区的驾驶工况
3. 整车热管理
发动机
• 最大热源
• 机油或水温过高会导致发动机过热 • 关注发动机高负荷怠速熄火后，缺乏空气流动带来的 对周边零件的影响；涡轮增压发动机尤甚
风阻系数 横截面积 滚阻系数 车重 坡度 车重
发动机功率 = 动力 + 传递损失 + 附件损失
风阻系数 横截面积 滚阻系数 车重 坡度 车重
2. 动力总成冷却系统
冷却系统设计
动力总成功率扭矩 变速箱速比/换挡图 整车负荷/阻力 整车 工作 点
冷却系 统能力
发动机台架数据 涡轮增压器散热 变速箱散热
3. 整车热管理
发动机排气系统（370-700℃）
• 常规行驶工况，约三分之一的能量通过排气系统
• 主要的辐射源 • 关注与周边零件的距离
3. 整车热管理
前段冷却模块（~100°C）
• 冷凝器，中冷器，油冷器和水箱的部分热量，随空气进入发动
机舱 • 冷却模块带走动力总成和空调系统的热量，但热空气可能会导 致发动机舱内电池、电子模块等温度超标
• 材料：尼龙，PP • 压头VS风阻：高低负荷，日欧压头差别
2. 动力总成冷却系统
冷却系统耦合设计
2. 动力总成冷却系统
带中冷器的冷却模块结构
2. 动力总成冷却系统
冷却系统控制
压缩机切断控制
• 冷却要求 水温过高 • 保护要求
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117
4. 优化匹配计算分析
118
2
3
** 与热管理相关的车辆子系统
4
** 汽车热管理开发过程
5
** 热管理模拟的各个部分
6
** 目前在用软件
Kuli： 特点： -- 整车和发动机开发中心开发的软件，实用 -- 整体考虑整车、发动机、冷却系统（散热器、热交换器、
风扇）零部件，可以在热管理平台上优化各系统和零部件 -- 技术支持：Magna中国技术中心
24
** 冷却空气流动模型
25
** 冷却空气侧计算网络
26
** 一款柴油机轿车空气侧模型
27
** Audi A8 V8 TDI空气侧冷却系统示意图
28
** 空气侧和传热模型
29
（2）数据测量（试验台）
30
** 结构阻力曲线测量试验台
31
** 结构阻力特征线测量数据模式
32
** 面积阻力的阻力特性曲线
49
** 空调循环示意图
50
** 空调循环过程
51
** 空调和车辆冷却模型
52
** 冷却系统和空调的模拟计算模型
53
** 空调系统模型
54
2. 冷却零部件
55
1）散热器（水箱） 热功率特性曲线
（Nesselt数与Reynold数和Prandt数之间的关系）
56
** 散热器工作点与车辆运行工况点的对应关系
63
** 考虑通过风扇功率变化适应发动机运行工况点变动的 模拟计算模型
64
** 粘性风扇
65
** 风扇接合控制策略
66
** 风扇接合控制策略
67
** 耦合器的结合和脱离转速
68
** 粘性耦合器的结合特性
69
** 粘性耦合器和风扇扭矩特性场
70
** 压力与空气流关系
71
** 风扇功率与流率的关系
零部件厂
发动机厂
整车厂
整车热管理平台开发和研究
18
** 热管理—不同的冷却系统模型（参数和边界条件）
19
1. 整车设计
1） 冷却空气侧建模 （1）空气侧模型
20
** 乘用车冷却空气流动模型
21
** 冷却空气外流场参数定义和测量
22
** 双隔栅冷却空气外流场参数定义和测量
23
** 空气侧的流动模型（可能布置方式）
41
** 车身模型
42
** 带和不带车厢加热的冷却循环压力损失
43
** 带发动机的加热循环
44
** 带前、后Modul的冷却介质循环
45
** PTC运行特征和模拟计算模型
46
** 热气运行模拟计算模型（HGC）
47
** 热泵循环模拟计算模型
48
3）带空调的空气侧模型
在PKW中，空调对舒适性有很大影响，
同济大学
Flowmaster：
特点：
-- 通用性强，尤其是在管路计算方面
-- 对于整车、发动机、零部件整合不理想
-- 汽车、内燃机专业人员支持力量不够
7
** Kuli软件的功能群
8
** Kuli软件功能和参数（发动机舱）
9
** 软件的应用实例
10
11
12
13
14
15
16
17
** 整车热管理所涉及的专业和部门
91
92
93
2） 动态模型 （1）质量模型
94
** 按照最高车速（250km/h）设计冷却系统时，在低速 全负荷加速时出现短暂的冷却能力不足
状态：通过无级变速箱使得发动机在优化的功率范围内加速
95
** 2-质量发动机模型
96
** 4-质量模型
97
** 发动机模拟计算模型
98
** 发动机模拟计算模型
（由此可以进行散热器工况点优化）
57
2）风扇特性曲线
58
** 测量的和无量纲化阻力特性曲线
59
** 冷却水泵和风扇在全耦合时对油耗的影响
60
** 风扇特性测量试验台
在PKW和LKW中，风扇的耗能是不一样的，PKW可以忽略，但是 在LKW中需要特别重视。
61
** 风扇试验台和数据处理
62
** 风扇运行工况点确定
33
** BorgWarner 冷却系统公司LKW试验台
34
** BorgWarner 冷却系统公司LKW试验台
35
2） 带乘员室环境舒适性的空气侧模型
36
** 带乘员室空气调节的空气流网络
37
** 总模型
38
** 应用于PKW的模拟计算模型
39
** 空气流通通道示意图
40
** 带通风的空气对流模拟计算模型
99
** 发动机5质量热流模型
100
** 瞬态模型
101
** 瞬态模拟模型（1.PM、2.PM（Punktmasse）为质量）
102
103
Байду номын сангаас 104
3） 动态试验
105
** 动态试验
106
** 汽车热管理瞬态模拟图
107
** 车辆瞬态模拟框图
108
** 行驶模拟
109
** 稳态工况和动态工况计算
整车热管理系统研究
1
** 整车热管理
• 车辆热管理系统(VTMS, Vehicle Thermal Management System) -- 整车的流场研究。主要研究发动机舱的冷却系统和驾 驶室（车厢）的人员环境的舒适性。
• 发动机热管理系统（ETMS, Engine Thermal Management System) 主要是以冷却介质流动为基础，研究在提高发动机 的冷却能力的同时，保持发动机良好的动力性、经济性、 排放性能和可靠性。 同时还涉及到发动机冷却系统零部件的设计。
82
1）稳态 （1） 模型
83
** 早期用Flowmaster 软件的模拟模型
84
** 稳态工况商用车冷却系统模拟计算模型
85
** 冷却介质内循环模型
86
** 稳态模拟计算时的液态循环
87
** 流体循环
88
** 模型和数据输入格式
89
** 发动机传热特性场，按照汽车特性场来确定
90
（2）稳态试验
72
图4 风扇与流率的关系
73
** 无量纲的风扇性能
74
** 不同风扇的风扇功率和散热器性能
75
** 发电机效率特性场（高级车专用）
76
** 发电机集成到模拟计算模型中
77
3. 发动机热流
78
** 发动机散热分析
79
** 发动机冷却介质循环
80
** 所应用的发动机热模型示意图
81
** 用冷却水冷却增压空气的NT冷却系统
110
4） 动态模型验证
所有动态模拟计算都需要试验支持
111
** 基本标定的散热特性（测量和模拟计算）
112
** 在突然爬坡14.5%，车速66km/h时温度上升变化情况
113
** 验证—循环加速和刹车，120km/h 后等速行驶
114
** 在负荷跳跃式交变时的冷却水温度变化过程
115
116