汽车热管理技术分析与研究

李宇洲

摘 要：汽车热管理技术的合理化应用可提高汽车整车能源利用效率，带来更优的节能环保性能，并帮助汽车使用者降低经济成本。随着可持续发展理念的普及，热管理成为汽车设计生产中的重点关注对象。本文分析汽车热管理技术，介绍汽车热管理技术应用情况及主要的热管理技术类型，研究汽车热管理系统设计方案。对汽车热管理技术理论进行总结，供相关人员参考借鉴。

关键词：电动汽车;热管理;电控风扇

1 引言

传统燃油汽车能源利用率主要由发动机性能决定，所配备的热管理系统结构相对简单，其运行能耗占汽车总能耗的比例非常有限。但随着油电混合和纯电动汽车的发展，越来越多的发热元件、智能化技术和零部件加入其中，系统热管理压力增加，其运行也需要消耗更多能源，导致单位能源消耗下，汽车可行驶最大里程降低。为使热管理系统更加匹配于新型汽车的特点及性能要求，需对热管理技术进行分析。

2 汽车热管理技术应用

2.1 燃油汽车

燃油汽车的热管理系统由进气中冷回路、发动机冷却回路、空调系统回路及暖风芯体回路构成，回路与位于汽车前端的散热器相连，释放多余热量以维持回路正常运行温度。传统汽车以发动机为核心驱动，受到发动机属性的影响，汽车系统中超30%的热量需要由发动机冷却回路释放，避免发动机在高负荷运转状态下过热。发动机冷却回路包括冷却管、水箱、水泵、散热器等结构，利用冷却水完成热量传输与循环，稳定发动机运行温度在90℃上下。

进气中冷回路与增压发动机相匹配，完成增压空气冷却处理，以提高进气密度带来更大的进气量。该回路还可发挥发动机防爆震的作用，回路中进气冷温度一般不超过55℃。空调系统回路负责汽车内部制冷与供热，炎热天气，将汽车内多余的热量传输至室外;寒冷天气，利用暖风芯体回路循环发动机冷却回路中的余热对汽车内进行供暖。

传统燃油汽车采用的热管理系统存在内部元件耗能高的问题，如风扇系统功率消耗达到发动机功率的10%左右。另外，空调系统虽然能够实现发动机与汽车内部的热量循环，但无法对冷却液、冷却空气量进行精准控制，很难将整车结构中每一元件的运行温度均调节至最佳状态。

2.2 电动汽车

电动汽车以电机取代发动机，其热管理系统由电机回路、电池回路、空调系统回路及暖风芯体回路构成。电动汽车的冷却回路与燃油汽车相似，但其工作目的及工作条件存在差异。例如，电机回路的合理运行温度不应超过80℃，而电池回路的合理运行温度应在20～35℃。通常情况下，空调系统回路负责汽车内部制冷，但也可对电池回路进行冷却。发动机被取代后，寒冷天气无法获取发动机余热进行供暖，而采用暖风芯体回路的正温度系数热敏电阻（PTC）将电能转化为热能。因此电动汽车在冬季行驶时，单位能耗行驶里程要明显降低。目前行业中提出安装制热性能更优的热泵空调系统，以解决冬季单位能耗下可行驶里程降低的问题。

3 汽车热管理新技术

3.1 电控风扇

电控风扇的动力源为电动机或液压泵马达，以智能方式进行控制，输入PWM信号实现转速的无级调速。ECU采集温度传感器的水温、进气温度、空调开启等信号，调节风扇运行方案，以维持发动机等零件的最佳工作温度。在达到发动机散热要求的前提下，智能控制的风扇系统还具备噪音低、能耗低等优势。

3.2 智能温控进气格栅

智能温控进气格栅包括水温传感器、控制元件、电动格栅等结构。其中，水温传感器负责实时采集发动机温度信息，控制元件结合发动机温度信息调整电动格栅的进气角度。

现有的智能温控进气格栅依照控制精度不同可分为单级、多级和无级三种类型。当发动机温度较低时，进气格栅关闭，降低汽车风阻系数并缩短发动机升温时间，发挥节能降耗、减轻磨损、优化性能等作用[1]。当发动机温度过高时，进气格栅开启并根据采集到的温度信号调整进气角度，尽可能的多进入自然风对发动机进行冷却。

3.3 余热回收

余热回收技术具备突出的节能优势，将冷却系统中的余热回收，可用于汽车内部供暖，提高热能使用效率。现有汽车排气热能回收技术包括电压技术、温差发电技术、朗肯底循环技术等。已有机朗肯底循环技术为例，该技术利用有机工质，在换热器完成内燃机余热吸收，以加温、加压蒸汽的方式储存，蒸汽膨胀做功，将热能转化为机械能或电能。但该技术的有机工质无法用于高温废气的余热回收，此时可使用温差发电技术，将两种技术相结合，更充分回收废气中余热。

3.4 发动机分流冷却

发动机分流冷却采用不同冷却回路，对气缸缸盖及缸体进行冷却，使用冷却水泵对以上回路中的冷却水流量进行调节。发动机分流冷却的优势在于能够使发动机各部分的运行温度达到最佳状态，提升冷却效果，同时降低發动机热能排放并减轻磨损。

3.5 电控水泵

传统发动机散热系统的动力装置是机械水泵，靠皮带传动，因此它消耗了发动机的部分输出功率，且发动机转速越高，水泵的输出流量也就随之升高，往往超出了实际需求值。电控水泵的工作原理与电控风扇类似，也是依靠PWM信号控制实现无级变速。控制单元采集水温、水流量等各传感器参数，按预置的策略发出PWM信号，实现热管理的精准控制。

4 汽车热管理系统设计

4.1 热管理系统设计现状

从当前的研究形势上看，汽车热管理系统的优化设计主要从智能化控制、新材料应用、内部结构优化等方面展开。

4.1.1 智能化控制

当前，汽车系统中水泵、风扇等部件均可实现智能化控制，配合传感器及控制单元，依照发动机运行温度情况，针对性调整冷却介质流量，在充分满足发动机冷却需求的同时，降低冷却耗能。1992年，国外学者研发出将水泵、风扇、节温器等相结合的电控发动机冷却系统，根据发动机部件温度调整冷却液流量，其节能效果在5%左右。之后在该冷却系统的基础上，又开发出一种能够根据汽车运行条件及发动机运行负荷进行温度调节的系统，提高发动机冷却及排放性能，最高可节约5%的燃油。在我国，有学者对由液压马达驱动水泵及风扇的发动机冷却系统进行研究，采用单片机对电磁比例溢流阀流量进行调整，根据冷却水温度信号，自动调节水泵及风扇的运行状态。以热管理新技术为代表，智能化控制的热管理系统得到充分的研究和应用，目前的制约因素仅为成本。

4.1.2 新材料应用

汽车热管理系统用材相对单一，一般以铜铝等材料制作散热器，以乙二醇与水的混合物作为冷却介质。传统冷却介质冷却效果与汽车冷却需求之前的矛盾越发明显，有学者提出采用纳米流体代替原本的冷却介质，已成为当前热管理系统新材料研究的主要方向。另有实验对石墨泡沫材料进行研究，试图取代金属散热材料。采用石墨泡沫制作赛车发动机散热器，当发动机功率为588kW、车速为290km/h、水温在99.4℃时，对风扇的需求降低为原来的2.3%，散热优化效果非常显著[2]。石墨泡沫材料的散热器较一般散热器体积更小，可降低发动机外壳高度并降低风阻。同时还可优化驾驶员视野，提高汽车驾驶安全性。

4.2 热管理系统应用案例

以奥迪Q7热管理系统为例。其热管理系统由空调系统回路、高低温回路组成。

低温回路包括电机和电池回路，使用阀门对电池回路和电机回路进行控制。该型号汽车安装热泵空调系统，分为空调制冷和热泵制热模式。其中，空调制冷模式将冷媒压缩，利用膨胀阀将其引入到蒸发器，对汽车内部进行制冷。热泵制热模式将压缩冷媒，利用膨胀阀将其引入到低温回路中吸热，再将热量传输至暖风芯体回路进行供热。

高温回路在传统热管理系统的暖风芯体回路当中添加冷却器及高压PTC，在汽车运行过程中，优先利用发动机冷却水进行供热。当发动机停止后，再利用高压PTC进行加热。

电池回路与电机回路采用串联与并联结合的控制模式。在串联状态下，使用电机回路中余热进行供热，并通过电机回路中的散热器散热。在并联状态下，电池回路单独运行调节电池温度，并利用Chiller散热，此时电机回路可独立使用低温散热器散热[3]。

空调系统回路与低温回路相结合，回收低温回路中余热。空调系统与高温回路相结合，降低汽车内部供热能耗。电机回路与电池回路间由阀门控制，可充分利用电池回路完成汽车内部供热或制冷，降低汽车能耗。

再以纯电动车特斯拉Model 3为例，其采用了多个电磁换向阀、电控风扇、电控水泵，来实现对不同温度的防冻液的管理，实现了电池的加热与冷却，乘员舱空调的高效管理，从而达成了较理想的续航里程。

5 结论

隨着可持续发展理念及新能源汽车研究的深入，将有更多电动汽车投入到社会生产生活当中，对汽车热管理系统性能提出更高要求。除合理运用管理技术外，可从智能化控制、新材料应用、内部结构优化等方面入手对热管理系统进行创新，提高热管理成效，降低汽车耗能并提高其动力性能。

参考文献：

[1]胡志林，张昶，杨钫，等.基于整车能量管理的电动汽车热管理技术发展趋势[J].汽车文摘，2019（05）：1-5.

[2]刘宁，赵丹伟.换电运营电动汽车动力电池热管理技术分析[J].汽车工程师，2019（03）：31-34.

[3]陈元梁.热管理技术车载测试系统开发[D].浙江大学，2018.