热管理技术在未来车辆发展中的应用展望

王嘉炜，　买靖东，　张佳卉

(中国北方车辆研究所，北京 100072)



热管理技术在未来车辆发展中的应用展望

王嘉炜，买靖东，张佳卉

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

探讨了热管理技术在国内外发展的现状和趋势，结合新一代车辆中以高功率密度推进系统、变海拔工况和全电车辆为代表的技术需求，分析了目前热管理系统中面临的技术瓶颈和挑战，提出了从热管理技术出发建立全工况设计、流场匹配、分布式冷却的设计理念.

匹配分布式冷却系统;热管理；全工况设计流场

热管理技术，是近年来热度很高的一项综合性技术.这一概念最早由美国在1979年针对载人空间站的需要而提出[1]，用于解决环境控制、生命保障等复杂系统加热、散热的需求，并满足轻量化和能量优化的需求.随着近年来的发展，车辆工程的设计理论体系也引入了热管理的概念，尤其在车辆行业得到了广泛的应用.它包括以下几个层面的含义：

1) 热管理的研究载体是热能，是对系统热量的收集、运输和排散进行统一的调配和综合利用，与传统意义上的冷却系统不同，它更关注如何提高热量的综合利用率，而不是简单地排向外界，从而达到节省燃油、降低排放的目的，这对汽车行业具有极为重要的意义；

2) 热管理的行为主体是管理，是通过温度控制系统来实现的，采用被动控制及主动控制等手段使各系统和部件工作在设计工况要求的温度范围之内，从而达到最佳的工作性能，对系统中热流的控制是热管理的核心环节；

3) 热管理的研究对象是系统，是站在更高的层次上从系统集成和整体角度出发，统筹热量与整车之间的关系，以热量为纽带使各系统各部件形成一个高效耦合的整体，追求系统在动力性、燃油经济性、环境适应性、可靠性、安全防护、乘员舒适性、环境保护等多个维度下综合性能的提升.

热管理是一项集系统集成优化、热动力学分析、过程控制、协同设计分析于一体的综合性技术，需要设计者突破原有的思维局限，从宏观全局的角度来分析问题.随着新一代新型车辆发展中关于“热”的一系列问题的逐步凸显，对热管理技术的深入研究也越显迫切，本研究正是从此出发探讨有关热管理技术的一些设计思想理念上的问题.

1　国内外现状

国外热管理技术相关的研究工作起步较早，20世纪80年代，国际上一些著名的汽车公司就开始将热管理的理念融入汽车的研发中[2-3]，其研究方向主要集中在有智能化的热管理控制系统、结构和布局优化改进、新型的热管理材料等方面，研究对象经历了从单独的发动机冷却系统部件到发动机全系统乃至整车3个过程.未来，车辆动力系统中大多将采用智能化控制的热管理系统，实现车辆冷却系统温度的精确控制.与此同时，混合动力车辆和全电车辆逐渐成为行业发展的主流趋势，热管理技术更在其中凸显出重要的作用，在美国陆军机动车研发和设计中心的技术体系中，已经将热管理技术和能量管理技术并列组成了能量和热量管理技术，与主动力、辅助动力以及能量存储共同组成地面车辆动力和能量系统，在这个技术体系中，热管理技术是贯穿各个系统、使其形成有机、高效集成的关键所在.在国际空间站上[1]，则采用了更为高端的热管理技术，通过与热控系统的技术手段相结合，构建了一个以热公用回路为基础的热管理系统，它通过一个以泵驱动的两个单相氨回路可完成各系统各个模块的热量收集、传输和排散，它不但有效解决了各系统的复杂的热控制问题，而且真正实现了对热能的综合利用和分配，同时减少了推进舱电加热的功率负荷和辐射器的热负荷，成为名副其实的热管理系统.

国内车辆热管理技术的起步较晚，大部分研究工作还是围绕冷却系统展开的[4-6]，近年来，随着电控技术和传动技术的发展，电控水泵、温控冷却风扇、电控节温器等主动控制技术得到了广泛的应用，初步实现了冷却系统的电控化和智能化，能够有效控制车辆的冷却强度，使之与车辆的工况相适应，从而提升发动机的综合性能和环境适应能力；与此同时，研究者开始关注车辆的能量转换以及冷却介质(空气、冷却液、润滑油等)的流动传热等过程与各子系统之间的影响和内在联系，研究流动传热特性对发动机、燃料电池等系统的工作特性的影响，构建完整的热管理系统模型，并通过计算机仿真和台架试验进行对比验证，热管理技术逐步发展成为车辆设计体系中的一项成熟的关键技术.在我国车辆行业，热管理技术的发展还相对滞后，十一五以来虽然也开展了相关的研究工作，但还停留在理论计算和方案验证阶段，距离实车工程化还有很长的路要走；相比于国外，我们最大的差距还是各系统各自为战，设计者没有以热管理的理念为支撑去指导设计，因而系统的集成设计、匹配优化都存在较多的问题.

2　目前的瓶颈与挑战

新一代车辆要求具备全地域机动、高信息化水平等综合能力.这对动力装置和与之相匹配的动力辅助系统提出了更高的要求，如果没有跨代级的设计理论和设计方法支撑，是难以真正实现跨代级的技术发展，当然也无法实现车辆的跨代发展.本研究针对车辆跨代带来的一系列问题开展如下讨论.

2.1高功率密度推进系统

根据新一代车辆的需求，要保障车辆在高机动性的前提下，满足对车载设备的超值持续或间歇功率需求，动力装置的功率密度必须大幅提升，这将是一个巨大的挑战.对于冷却系统而言，将必须在动力舱容积压缩34%的前提下，以同样的功耗水平带走超出原有水平10%的散热量.这就会产生如下问题：其一，冷却系统的空间将更加紧凑，冷却空气在狭窄复杂的流道中将产生更大的流动损失，必须采用更大功率的风扇来克服沿程流动阻力损失，从而使整车的动力性受到影响；其二，紧凑空间下流场畸变程度加大，使得散热器的换热能力大大降低，必须采用足够的冗余设计来确保系统的散热能力，而空间和功耗的限制使得冗余设计难以实现；其三，现有技术水平下有限空间内散热能力的提升途径主要是加大散热器翅片密度和提升冷却风扇转速，这会大大降低系统的可靠性和可维护性.由此可见，高紧凑性和高散热效能之间矛盾是未来热管理系统必须面对和解决的问题.

2.2变海拔工况

随着我国对新一代车辆全地域机动能力需求的提出，要求陆地机动平台在高海拔区域具备足够的机动性能，变海拔问题也已成为车辆行业所面临的另一项艰巨挑战.高原环境下，大气压力、气温、密度会随着海拔变化而变化[7]，从而引发发动机过热、功率不足、排放恶化和增压器超速等一系列问题，在这种环境下，柴油机气缸内充气量减少，过量空气系数下降，燃烧状况恶化，后燃现象严重，系统的热负荷增加，排气温度升高，热量分配相比平原地区有了较大变化.对于冷却系统而言，冷却介质——空气的密度随海拔的升高而降低，相应地同等风扇转速下冷却空气的质量流量也随之降低，冷却系统的散热能力也相应下降，但此时系统的热负荷与平原地区还有较大差异，如冷却系统的散热储备能力不足或者系统匹配不当，将发生过热的现象.变海拔工况下的热管理问题已经成为影响车辆高原机动性的一项瓶颈技术.

2.3全电车辆

新一代车辆一个重要的跨代特征就是“电”，电传动装置(高功率密度发电机、电动机、电机控制器)、能量存储装置(动力电池、电容)、电磁悬挂系统、综合电子信息系统等一系列与电有关的系统和部件将全部集成于车辆之中，这使得整车的热源呈现多样化复杂化的趋势.不同的散热需求、不同的热源温度、不同的散热量以及不同的热源位置都给热管理系统的设计带来了巨大的技术困难：其一，热管理系统的控制难度加大，由于变量增加，难以实现全域自适应调节，仅靠原有的调节控制手段无法实现各个热源部件散热量的精确控制，很容易出现局部过热或者过冷的情况；其二，不同的散热需求使得热源温度多样化，尤其加重了换热效率较低的低温环的散热负担，使得系统匹配的难度加大；其三，热源的位置相对分散，会使得系统的管路更加复杂，这会大大降低系统的可靠性和可维护性.全电车辆必须有与之相匹配的热管理系统的支撑，怎样为各个新“客户”提供满意的服务是未来热管理系统必须突破的技术瓶颈.

3　基于热管理设计理念的变革

3.1从单一工况设计走向全工况设计

在原有冷却系统的设计思想中，系统的散热能力要能够满足车辆达到最大热负荷时的散热需求，因此一般都按照发动机的额定功率下的最大热负荷点进行设计，即针对单一工况下的设计.在散热能力最大化这一思想的指导下，面对多热源多温度目标冷却的情况就暴露出了弊端，如果不考虑各热源在不同工况下的散热需求，而简单将各个热源的热负荷的最大峰值进行叠加，得到的总散热量将是一个天文数字，是冷却系统几乎无法实现的.如果按照这个散热量进行散热器和风扇的选型设计，得到的将是一个超出系统实际散热需求的冷却系统，相应地带来的风扇功耗的增加反而会增大系统的负荷、对动力系统产生负面影响.在实际工程设计中，受到各种因素的限制，冷却系统的设计一直在沿用最大热负荷叠加的方式，某种意义上说，这也是我国在该领域难以取得跨越性技术突破的主要原因之一.

从热管理技术的本质上来说，就是要掌握各个热源在全工况下的热特性、其性能与热特性的耦合关系、各热源与系统间的耦合关系，通过对流动传热过程的控制优化来实现全系统综合性能的提升，因此从单一工况设计走向全工况设计是未来热管理系统必须要进行的变革.所谓全工况包括三层含义：其一，热管理系统追求的不是系统在单一工况下的最优性能，而是要同时满足系统各热源在各种工况下的热控需求；其二，除了散热的需求外，热管理系统还需要兼顾润滑系统、空调系统、加温系统，使其摆脱原有相对离散的设计状态，从整体的角度出发，将其纳入全工况的热流匹配控制中去，实现系统热能的有效利用和模块化设计；其三，热管理系统本身是一个响应较慢的一个系统，必须掌握热源在全工况过程中的热特性，而非某一瞬态下的热特性，从时空效应的角度研究其热特性的动态变化规律，实现从传统意义上的热静力学向热动力学的转变，如此建立的理论模型才更加接近真实状态，也才能更好地指导设计.

3.2从流量匹配走向流场匹配

在原有设计体系中，热管理系统的各个部件都是独立设计的，以散热器和冷却风扇为例，首先根据散热量和散热器的形式来确定冷却风量，再根据系统阻力和冷却风量进行风扇的选型，最终实现系统的集成，这就是一种典型的流量匹配的设计模式，其中很多关键的要素都被忽略了，通常设计者会根据经验来确定设计裕度，因此这种冗余化的设计方法最终得到的常常都是超规格的散热器和风扇，无论紧凑性、经济性还是可靠性都无法满足高功率推进系统的要求.在这种设计方法中，散热器和风扇都有同样的一个假设，即均匀来流条件，而忽略了上下游流场的耦合效应.对于经典的吸风式冷却系统，散热器和风扇之间的流场会呈现高度复杂的流动特点，对于散热器而言，散热器各部分的流动速度不均匀，换热能力与理论计算有较大的差异，对于冷却风扇而言，上游的流动畸变使风扇偏离了原来的设计工况，气动效率下降，这种差异会随着系统空间的压缩而加剧.

因此，在新一代热管理系统中必须引入流场匹配的概念，在散热器和风扇的初始设计时就充分考虑相互之间的流场耦合效应，调整散热器翅片密度的分布以匹配下游流场的速度分布，采用特殊的叶片形式增加风扇抗流动畸变的能力，优化散热器和风扇间的流道结构以减少流动损失，美国Concepts NREC公司在此方面就已经开展了相关的研究工作.流场匹配所要求的不是单体部件在理想流动条件下的最高性能，而是整个系统集成后所具备的最佳综合性能，因此系统和部件的评价准则和设计方法将发生巨大的变革.

3.3从集成式散热走向分布式散热

正如前文所述，多热源给热管理系统带来的另外一大难题是加剧了系统的复杂程度，热回路上的串联热源增多，一旦其中一个热源的热状态发生变化，就会影响到回路上其他热源的工作状态，这种复杂的耦合关系大大增加了热平衡匹配设计的难度，必须另辟蹊径，对各个热源进行解耦处理；此外，现有的热管理模式会使得动力舱区域的舱体、排烟系统、散热器的排气百叶窗等部件产生强烈红外热辐射，形成典型的红外热特征.有鉴于此，在新一代的热管理系统中，可以尝试采用分布式散热的模式，首先需要在系统中建立一个由泵驱动的热公用回路，通过热公用回路完成高温热源热量的收集和传输，并在车体的不同部位配置换热基站，各个低温热源可与临近的换热基站构成独立的热回路，并与公用回路形成串联布置的散热模块，实现散热效能最大化.换热基站与公用回路可以形成灵活的控制策略，根据不同的热管理需求在各个基站实现相应的换热量.受到整车空间的约束，换热基站必须小型化，因此必须采用高速小型轴流电驱风扇与散热器高效集成后的冷却模块来实现.换热基站的布置不局限于动力舱，可以根据热源的具体位置灵活布置，通过系统控制策略的调整还可以实现对整车红外热特征的主动控制，降低被敌方发现的概率，也可以称之为“热隐身”.以换热基站和热公用回路为主体，就构成了未来的分布式热管理系统，使之成为新一代车辆实现跨代发展的强力支柱.

4　结束语

相比于国外先进发达国家，我们的差距不在于基础理论的落后，不在于工业水平的落后，不在于仿真试验能力的落后，而在于设计理念的落后.通过本研究关于热管理技术的探讨，希望可以引发设计者对设计理念的思考.热管理，管理的不仅是流动传热过程，还要为各热源提供科学的设计依据和边界约束条件.可以预见，未来热管理技术的进步必将带来推进系统跨越式的发展.

[1]候增祺，胡金刚，等. 航天器热控制技术—原理及其应用[M].北京：中国科学技术出版社，2007.

[2]Allen DJ, Lasecki MP．Thermal Management Evolution and Controlled Coolant Flow[C].//SAE Paper 2001-01-1732．

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[5]许翔，凤蕴，董素荣，等. 车辆热管理技术及其应用[J]，军事交通学院学报， 2013，15(1)：43-47.

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Application Prospect of Thermal Management Technology in Development of Future Vehicles

WANG Jia-wei，MAI Jing-dong， ZHANG Jia-hui

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

In this paper, the status and tendency of thermal management technology development at home and abroad are discussed. According to the technical requirement of the new generation vehicles whose characteristics are represented by high power density propulsion system, variable altitude operating condition and full electric driven, the confronted technical challenges of thermal management are analyzed. A novel design idea based on thermal management technology is proposed, which is achieved by full load designing, flow field matching and distributed cooling.

flow field matching distributed cooling system;thermal management；full load design

1009-4687(2016)01-0060-04

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4493.TH.20150923.1043.002.html

2015-07-16；修回稿日期：2015-09-01.

10.16599/j.cnki.1009-4687.20150923.001.

王嘉炜(1980-),男,高级工程师，研究方向为叶轮机械技术.

U270

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