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基于模型的汽车热管理系统设计与优化

2024-10-09 08:45:39·  来源：AutoAero  
　

摘    要   


更严格的联邦排放法规和燃油经济性要求促使汽车行业向更复杂的车辆热管理系统发展，以最佳地利用废热并最小化整体功耗。随着所有新技术和要求的出现，如何正确设计、优化和控制车辆热和冷却系统成为汽车工程师面临的巨大挑战。在这一背景下，基于模型的方法已经成为设计新型热管理系统架构和评估最佳系统解决方案的关键步骤。本文将探讨如何利用分析和经验数据开发基于模型的车辆热系统仿真工具，并详细说明这些工具是如何被应用于新型热管理系统架构的评估与开发之中。

01  前    言 

车辆热管理系统扮演着双重关键角色：加热与冷却。设计一个高效的热管理系统的目的在于精准调控车辆的动力总成和传动系统温度，确保其运行在最佳状态，以实现最高效率。加热功能在车辆启动初期或寒冷气候条件下，它不仅确保了车内的舒适度，还迅速提升了动力总成的温度，有效降低了发动机与传动系统因摩擦造成的能量损失。而冷却功能在高温环境下尤为显著，尤其是在车辆拖曳拖车爬坡时，冷却系统通过排除发动机产生的过量热量，防止了过热、沸腾和流体温度的剧烈波动，从而保护发动机不受损害，并延长了车辆的使用寿命。典型的车辆热管理系统需要管理三种模式：寒冷条件下的加热模式，当流体温度接近热状态时切换到冷却模式，以及加热和冷却之间的过渡模式。因此，车辆热管理系统的设计具有以下三个目标：

  • 能够在高负荷和高环境温度下进行冷却。

  • 在寒冷环境中主动并迅速升温，以获得最佳的动力总成效率。

  • 优化热控制，以实现最佳的气动阻力，防止发动机爆震，提高油品耐用性，并在正常驾驶条件下最小化功耗。

02 车辆热管理系统及其演变

传统上，车辆冷却系统只关注冷却功能，系统被设计为使用如石蜡式恒温器和ON/OFF类型的冷却风扇等设备对冷却液温度进行反应性或被动控制。燃油经济性通常不考虑或不是优先考虑的。现代热管理系统可能包括各种新技术，如主动格栅百叶窗（AGS）、可变冷却液流量控制装置、变速控制冷却风扇、主动加热装置用于发动机油和传动油，以及最优的软件控制策略，以最佳地利用废热并最小化整体功耗。随着这些新设备和技术的出现，如何正确设计和控制车辆热和冷却系统成为汽车工程师面临的巨大挑战。图1显示了一个近期的车辆热管理系统，适用于汽油或柴油发动机。根据动力总成或车辆架构，它可能具有较少或更多的热特性。新的热特性包括但不限于：

主动格栅百叶窗（AGS）

AGS是一种前端格栅开口调节装置，其叶片角度旋转由步进电机执行器激活，这将增加或减少拉力冷却空气流量，并增加或减少车辆阻力系数（Cd）。AGS可以是全开/全关状态的装置，或具有5到10个位置的可变开口。它可以覆盖整个上格栅或下格栅，或仅覆盖部分格栅。这一切都取决于车辆设计和阻力系数评估。AGS装置及其对热管理的影响已由El-Sharkawy详细讨论。

可变冷却液控制阀

蜡式恒温器多年来一直被广泛用于冷却系统，以控制冷却液的流动和调节其温度。这种装置的缺点是响应时间和滞后性。它对冷却液温度有被动或反应性控制。近年来，热系统开始使用冷却液控制阀来主动控制冷却液流动和温度。已开发出用于生产用途的电磁驱动球阀或旋转阀。

电动或可变水泵

传统发动机有一个机械水泵，通过皮带和滑轮由发动机驱动，具有一定的速度比。泵速是发动机速度的函数。为了满足高负荷-低转速冷却液流动要求，滑轮比必须大于1或高达1.3或1.5，这将在高速条件下消耗过多功率。近年来，为了满足对冷却液流量的精确控制和提升燃油效率的需求，市场上已经推出了多种类型的可变水泵。这些水泵包括可调节流量的泵、可调整速度的泵，以及可切换工作模式的泵，它们都能够根据实际需求调整工作状态，从而有效降低能耗。以BorgWarner公司开发的双模式水泵为例，据称该产品能够提升汽车的整体燃油经济性高达2.15%。

主动发动机机油热装置

鉴于低温环境下发动机机油的粘度较高，发动机的摩擦力可能是其在完全热态时的两倍。因此，美国环保署（EPA）为配备主动发动机机油加热系统的汽车提供了燃油经济性和二氧化碳排放的优惠信用。通过在热管理系统中集成发动机机油加热器，可以迅速提升发动机机油的温度，有效减少发动机的摩擦损失，进而提高燃油效率并降低CO2排放。

主动传动热装置

主动快速加热传动油也将有助于在寒冷环境条件下提高传动效率。在40°C和80°C油温下进行的台架测试显示，在FTP城市驾驶速度和负载范围内，效率差异为2%至4%。可以在系统中放置一个传动油加热器，以提高传动效率。Laboe 讨论了主动传动油加热装置在热系统中对燃油经济性的改善。

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