汽车热管理系统及其研究进展

136 北京，2009年10月 A P C 联合学术年会论文集

基金项目：国家“八六三”计划节能与新能源汽车重大专项项目（2008AA11A121）

作者简介：邓义斌，男，1979.10，广西壮族自治区鹿寨县人，华中科技大学博士生，主要研究方向为热流控制与管理；dengyb_whut@

汽车热管理系统及其研究进展

邓义斌1,2 ，黄荣华1 ，王兆文1 ，程 伟3

(1． 华中科技大学能源与动力工程学院 湖北武汉 430074，2．武汉理工大学能源与动力工程学院 湖北武汉 430063，3．东风商用车研发中心 湖北武汉 430056 )

摘 要：汽车热管理技术是汽车提高经济性和动力性、保证关键部件安全运行和车辆行驶安全的重要途径。介绍了汽车热管理的内涵和研究内容；报告了汽车热管理的发展现状与相应的仿真和试验研究方法；阐述了进行汽车热管理集成研究的重要性；指出只有深入研究系统的流动与传热机理，综合利用废热，从整车热管理集成的高度来进行优化匹配设计，才能发挥汽车热管理系统的最大优势。

关键词：汽车 热管理 节能 传热 发动机

中图法分类号：TK407 文献标识码：A

Development in the Study of Vehicle Thermal Management System

Deng Yibin 1,2 Huang Ronghua 1 Wang Zhaowen 1 Cheng Wei 31. School of Energy & Power Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430070, China

2. School of Energy & Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China

3. Dongfeng Motor Corporation, Wuhan 430056, China

Abstract: Thermal management has become a significant approach to improve the economy and dynamic of vehicle, to ensure the safety of vital assembly and automobile driving. This paper, firstly, introduced concepts and the main research contents of vehicle thermal management, then summarized the development of vehicle thermal management and simulation and experimental research methods corresponding to it. Finally, it pointed out that by the investigation on thermal management system integration with vehicle body, the actual performance of vehicle can be advanced.

Key words: vehicle; thermal manageme nt; energy conservation; energy conservation; engine

1 汽车热管理的内涵

运用热力学原理提高整个系统或装置的能量利

用率，减少废热损失、提高系统的稳定性和可靠性的相关技术，从整体的角度来管理热量称为热管理。热管理是从被动地控制温度到主动地管理能量的思想转变，是提高热力系统设计整体性的重要研究方法。热管理的概念提出多年，已在汽车、集成电路、高能激光器、飞机、大型航天器和空间站中应用。

汽车热管理是在能源危机的出现、日益严格的汽车排放法规以及人们对汽车舒适性高要求的背景下应运而生的[1-5]。汽车热管理是从系统集成和整体角度，统筹热管理系统与热管理对象、整车的关系，采用综合控制和系统管理的方法，将各个系统或部件如冷却系统、润滑系统、空调系统等集成一个有效的热管理系统，控制和优化汽车的热量传递过程，

保证各关键部件和系统安全高效运行，完善的管理

并合理利用热能，降低废热排放，提高能源利用效率，减少环境污染。热管理在汽车节能、环保和安全等方面具有突出的战略地位，热管理技术成为汽车节能、提高经济性和保障安全性的重要措施。

2 汽车热管理的研究内容与研究现状

汽车热管理的主要研究内容包括热管理对象热特性研究、热管理系统集成以及热能综合利用等；广泛意义上包括对所有车载热源系统进行综合管理与优化，其中车载热源系统包括发动机的冷却系统、润滑系统、进排气系统和发动机机舱空气流动系统以及驾驶室的空调暖风系统等等，综合考虑空气侧与车载热源系统之间热量传递过程。涉及到冷却介质、热交换器、风扇、泵、底盘空气流动、传感器与执行机构、材料与加工、整车空气动力学、安全

北京，2009年10月 邓义斌等：汽车热管理系统及其研究进展 137

性、可靠性、环保性及系统建模仿真等方面的研究。现阶段主要从以下几个方面进行汽车热管理研究：2.１按需求控制系统各部件运行参数

机械驱动式冷却水泵和冷却风扇使冷却介质流量取决于发动机转速，无法按需求调节冷却介质的流速以及通过散热器的空气流速，从而难以使发动机在最佳的温度下工作，导致燃料经济性和发动机性能不佳。将冷却介质流速与发动机转速解耦，用电控比例流量阀代替蜡式节温器，根据汽车的运行工况来动态调整冷却量，实现电控化和智能化是冷却系统优化的重要部分。

文献[6-12]阐述电控冷却系统对发动机性能的影响：(1)根据运行工况动态调整冷却量，避免冷却过度和冷却不足，改善冷却效果；(2)机械驱动式冷却系统的散热设计标准是满足全负荷时散热需求，因而在部分负荷工况下冷却过度导致发动机功率浪费，运用电控冷却系统能有效的提高发动机的工作温度，提高热效率，从而改善燃油经济性；(3)根据运行工况动态调整电控泵和电控风扇的转速，其能耗要低于机械驱动式的冷却系统，即使考虑到电能的转换效率只有机械能效率的一半，燃油经济性仍得到改善；(4)Kyung-Wook Choi等人研究电控冷却系统对发动机起动和排放性能的影响，结果表明较高的冷却介质温度和较低的冷却介质流速时HC和CO排放量减少，但NOx排放量有所增加；在较低的冷却介质流速下能取得较高的暖车效率[12]。

目前冷却系统的电控化已在实际应用中体现出优势。韩国现代汽车公司生产的某型轿车，对散热器冷却风扇和冷凝器冷却风扇分别电控，对冷却液温度和空调冷凝器温度进行多级联合控制，结果减少了风扇功率消耗的90%，节省燃油10%[13]。Johnson Elecrtic公司开发一种散热器冷却风扇模块，把风扇、电机、控制电路等封装在一起，可以通过编程精确控制发动机、散热器、发动机舱室的温度[14]。2006年杨小强对某型推土机的冷却系统进行改造，分离油水散热，冷却水、变矩器油、液压油都采用各自散热器，用电控液压马达驱动冷却风扇系统，成功解决系统过热问题[15]。

机械驱动式油泵的压力润滑系统功耗大，不易调节。设计出可控供油量和供油定时的发动机润滑系统，实现按需分配机油可提高环保性和经济性。2001年，Zoz等人研制了发动机润滑系统流动与传热模型，给出预测滑油箱温度的模型[16]；MAN B&W公司设计了Alpha ACC电子定时气缸注油装置现已在船用柴油机上使用；德国的Schwaderlapp M提出在压力润滑系统采用可调型元件的设想，并运用一种可调型机油泵，取得很好的试验效果[17]。

Masahiko Makino等人开发了应用于汽车空调系统的小型高效的电控压缩机和相应的变换器，与带式传动压缩机相比，效率更高，特别在怠速情况下温度更加稳定[18]。

２.２设计改进废热回收装置，提高废热利用率 热平衡实验显示大多数内燃机仅有30%左右的燃料热量用于做功，而其余的70%作为废热被冷却介质、排气等带走。如何合理有效的利用废热是热管理技术的主要研究内容之一。

（1）利用冷却系统中的热量。N.S.Ap等人对冷却系统进行改进，取消散热器风扇，在暖气风箱增加鼓风机，将冷却液中的废热用于驾驶室供暖；设计的可调暖通装置适用于一年四季各种不同的外部热环境，很大程度上提高废热的利用[19]。

（2）利用排气热量。Peter Diehl等人运用热电转换等相关技术设计排气热回收装置，进行仿真和试验研究，结果表明排气热回收系统可行有效[20-22]。Masayoshi Mori等研究汽车排气废热利用的热电转换技术，实验和计算表明在当前的技术条件下，通过热电转换技术来提高汽车的燃油经济性并不可行，指出要想通过热电转换技术来提高燃油经济性，仅仅通过提高热电转换效率是不够的，还要提高热交换器等相关设备的性能[23]。

（3）热量综合利用。X. Zeng等人运用热泵、暖风循环和暖通空调模块设计构成混合加热系统（hybrid heating system），并比较该系统在不同的运行工况和外部环境下的能效特性及运行模式，为混合加热系统的优化指明方向[24]。V alerie H.分析金属氢化物制冷系统(metal hydride cooling systems)、吸收式热泵(absorption heat pumps)、沸石热泵(zeolite heat pumps)以及热声制冷(thermo acoustic cooling)等发动机废热利用装置的性能、对材料特性的要求、优缺点及研究现状[25]。Yoshiaki Takano等人运用空调系统的一些部件设计了热气加热器(hot gas heater)，改善汽车暖通系统的性能[26]。

２.３改进系统部件设计，改善部件热特性 探明整个系统的热流分布，结合空气侧的流动与传热，对部件的结构和安装方式进行优化，改善系统部件热特性，使系统热量合理分布。

（1）对空调、冷却系统的改进研究。Satomi Muto等人把散热器和压缩机合二为一，形成单个冷