混合动力汽车热管理系统优化研究.pdf

汽车与设计192023.6混合动力汽车热管理系统优化研究杨晓荣 余春丛（江铃汽车股份有限公司 江西 南昌 330001）摘要：混合动力汽车是一种集纯电动汽车和传统燃油汽车优势于一体的新型汽车，具有高效节能、减少污染等优点。混合动力汽车热管理系统是为了有效控制和调节热量的传递和分布，以提高整车性能和能源利用效率而设计的。该系统主要包括发动机冷却系统、动力电池冷却系统、传动系统冷却系统及车内热管理系统等。在混合动力汽车中，由于同时存在内燃机和电动机，所以热管理系统设计较为复杂，而且在运行过程中面临一系列的问题，比如热效率低、能量利用率不高等。该文探讨混合动力汽车热管理系统优化方法，以提高其热效率和能量利用率。关键词：混合动力汽车；热管理系统；动力电池作者简介：杨晓荣，江铃汽车股份有限公司工程师，研究方向为汽车热管理；余春丛，江铃汽车股份有限公司工程师，研究方向为汽车热管理。在混合动力汽车初期发展阶段，热管理系统侧重于对内燃机的冷却，以使内燃机在合适的温度范围内运行。在这个阶段，混合动力汽车热管理系统设计和传统燃油汽车相似，主要包括冷却液、散热器和风扇等组件。随着混合动力汽车和纯电动汽车的发展，电池热管理成为一个重要的问题1。电池的性能和使用寿命在很大程度上取决于其工作温度，因此研究者开始探讨冷却电池的方法，包括空气冷却、液体冷却和相变材料冷却等，以更好地控制电池的温度。随着混合动力汽车结构复杂性增加，技术人员加大对集成热管理系统的研究力度，即用一个系统管理汽车所有部件的热负荷，包括内燃机、电池、电力电子器件和乘客舱，并开发了许多复杂的热管理策略和控制算法，以优化能源使用和提高汽车性能。近年来，智能热管理系统在混合动力汽车中得到应用。其使用传感器和控制算法预测热负荷，并自动调整热管理策略。该系统还可以利用互联网和车联网（V2X）技术获取关于天气、交通和驾驶行为的实时信息，从而进一步优化热管理效果。1 混合动力汽车热管理系统构成混合动力汽车的热管理系统包括多个互相关联的子系统。第一，内燃机冷却系统负责管理内燃机的温度，以使其在最佳的工作温度范围内运行，通常涉及冷却液、水泵、散热器和风扇等组件。内燃机部分的热能可以被回收，用于加热乘客舱或预热电池。第二，电池热管理系统负责控制电池的温度，以延长电池的使用寿命。在控制电池温度的过程中，可能涉及空气冷却、液体冷却或者更复杂的冷却方法，比如热电偶冷却、相变材料冷却等。第三，电力电子器件也需要进行有效的冷却，如变频器和控制器，否则它们在高温下可能会失效或性能下降。通常，可采用散热片、风扇或者液体冷却等方法对电力电子器件进行散热。第四，空调系统负责调节乘客舱的温度，以提供舒适的驾驶和乘坐环境。这一过程主要涉及空调压缩机、蒸发器、散热器和风扇等组件。一些高级的混合动力汽车热管理系统还包括热能回收系统，其可以将废热转换为可用能源，用于加热乘客舱或预热电池。热管理系统使用传感器监测各部分的温度和工作状态，然后使用控制算法调整冷却策略，以达到最佳的热管理效果。其具体的构成可能会因不同的汽车型号和设计而有所不同，但混合动力汽车的热管理原理基本上都是以上述 4 个系统为基础的2。2 混合动力汽车热管理系统运行中存在问题及解决措施混合动力汽车的热管理系统是确保车辆正常运行和提高燃油经济性的关键部分。然而，由于混合动力汽车具有内燃机和电动机两种动力来源，所以其热管理系统面临一些问题。2.1效率和能量损失问题及解决措施混合动力汽车热管理系统中的散热器、冷却循环系统及热交换器等部件会导致能量损失。由于混汽车与设计20汽车测试报告合动力汽车同时具备内燃机和电动机，两个动力系统的热管理需求不同，使得热能的分配和控制变得较为复杂，并且不合理的热管理系统设计可能导致能量浪费和效率降低。为了降低能量损失并提高系统工作效率，可以优化热能流动路径，通过减小冷却液的流动阻力和最短化热传递路径降低能量损失。例如，可使用优化设计的散热器和热交换器，减少热能在传输过程中的损失。同时，可改进热交换器设计，提高其表面积和热传导效率，以最大限度地提高热能的传递效果。2.2温度控制与稳定性问题及解决措施混合动力汽车的热管理系统需要确保内燃机、电动机、电池系统等部件的温度处于合理范围内。过高的温度可能导致部件损坏或缩短其使用寿命，而过低的温度可能影响部件性能和车辆驱动力。因此，需要通过合理的冷却和加热策略控制热管理系统，以确保各个组件在适宜的温度范围内运行。为了实现温度的精确控制和稳定性，可根据内燃机和电动机的实际工作状态，调整冷却液的流量，以将温度保持在合理范围内。可以使用电子控制单元（ECU）监测和调节冷却液流量，智能控制风扇的转速和启停。例如，可根据传感器的反馈信号，当温度过高时启动风扇，当温度恢复正常时关闭风扇，以减少能量损耗。还可以综合考虑内燃机、电动机和电池系统等组件的热管理需求，实现热管理系统的整体控制和协调。2.3冷启动问题及解决措施在低温环境下，混合动力汽车的冷启动是一个挑战。冷启动时，内燃机和电池系统都需要适当的温度来实现正常运行。对此，热管理系统需要提供有效的加热措施，以确保车辆能够在低温环境下快速启动和达到最佳工作状态。在发动机启动前，可利用辅助加热器对冷却液加热，以提高发动机冷启动时的温度。这可以减少启动时的能量损失，并提高发动机的效率和可靠性。通过电池加热系统预热电池，可以提高电池的性能和可用性，降低电池内阻，提高电池的输出功率，从而促进电池在低温环境下的正常工作。2.4热能回收与利用问题及解决措施混合动力汽车的热管理系统具有回收和利用废热的潜力。例如，通过废热回收系统可以将发动机冷却液中的热能转化为电能，以供电池充电或为电动机提供动力。然而，热能回收和利用的效率会受到热交换器和能量转换系统的影响。针对热能回收与利用问题，可以安装废热回收装置，将发动机冷却液中的热能转化为电能或其他形式的能量，通过热交换器和发电机，将废热转化为可用能量，以供电池充电或为电动机提供动力。还可以使用智能化的热能管理系统，根据车辆运行状态和负载需求，灵活地分配和利用废热来优化整个系统的能量利用效率。2.5故障检测与安全控制问题及解决措施混合动力汽车的热管理系统需要具备故障检测和安全控制功能，以确保系统的可靠性和安全性。例如，热管理系统需要能够检测到冷却液泄漏、散热器堵塞或冷却系统故障等问题，并采取相应的措施，避免相关部件进一步遭到损坏或危险情况的发生。可以安装温度、压力和流量传感器等监测设备实时监测热管理系统的关键参数，根据传感器的反馈信号，检测冷却液泄漏、冷却系统堵塞等故障情况。同时，可开发和应用故障诊断算法，对传感器数据进行处理和分析，识别和定位热管理系统的故障。当检测到故障时，可以采取相应的措施，比如报警、限制功率输出或自动切换备用系统。3 混合动力汽车热管理系统优化为了提高能量利用效率、降低能量损失、确保热管理系统稳定性和延长组件使用寿命，需对混合动力汽车热管理系统进行优化。具体而言，可从散热系统、冷却系统、热回收系统、热管理系统智能化等方面入手。3.1散热系统优化混合动力汽车的散热系统需要保证发动机和电动机的散热效果，以及电池组和电子设备的散热效果。可以通过改进散热器结构和材料、优化风道设计、增加风扇数量等方式提高散热效率，减少温度过高引起的故障和损坏。散热器是混合动力汽车热管理系统中最重要的部件之一。优化散热器设计，可以增加其散热面积、改善冷却风道的通风效果，并提高散热器材料的导热性能，从而提高热量的散发效率。同时，风扇系统对于散热效果至关重要。因此，可对风扇设计进行改进，例如采用可变速风扇或电子控制风扇，并根据不同负荷和温度条件调整风扇的转速和运行模式，以提高散热效率和降低能耗。此外，选择合适的冷却介质可以对散热系统的效率产生重要影响，能提高散热性能和减少对环境的影响。汽车与设计212023.6混合动力汽车的热管理系统需要与其他系统进行协同工作，比如发动机控制系统、电动机控制系统等，通过整体协同优化，可以实现更精确的温度控制、热量分配和能量利用，提高整车的性能和能效。热管理系统可以通过热回收技术将废热转化为有用的能量，用于供暖或发电。通过优化热回收系统设计，可以最大限度地利用废热资源，提高整体能源利用效率。此外，利用系统仿真和优化工具对热管理系统进行全面的建模、分析和优化，并模拟不同工况和参数的影响，制定最佳的系统配置和工作策略，可以实现最优的散热效果和提升能耗性能。3.2冷却系统优化混合动力汽车的冷却系统包括发动机冷却、电动机冷却、电池组冷却等。可以通过改进水泵、增加冷却面积、优化冷却液流动路径等方式提高冷却效率，延长各部件的使用寿命。使用具有更好热传导性能的复合材料的散热器，可以更有效地传导热量，从而提高散热效率。同时，使用传感器和控制算法，可以实时调整散热系统的工作状态，以适应车辆的实际工况。例如，当混合动力汽车在高速行驶时，可以提高散热系统的工作强度；而在低速行驶或停车时，可以降低散热系统的工作强度，从而节省能源。利用热回收系统，可以将发动机的废热转化为有用能源，并用于加热乘客舱或电池预热，以提高电池的工作效率。通过优化散热器的设计，比如改善气流动态特性或增加散热面积，可以提高散热效率，控制发动机和电池的工作温度，从而提高能源利用效率。3.3热回收系统优化热回收系统在混合动力汽车中非常重要。通过优化热回收系统，可以提高能源利用效率，减少尾气排放，并提高车辆的整体性能。使用高效的废热回收技术，如有机朗肯循环（ORC）系统或热电发电机（TEG），可以将更多的废热转换为有用的电能或热能。在多级热回收系统中，从发动机中排出的废热首先被用于高温回收，然后余热被用于低温回收。同时，可使用传感器和算法，根据车辆的实际工况实时调整热回收系统的工作状态。例如，当发动机温度过高时，可以增加废热回收的强度；而在电池需要预热时，可以将废热用于电池预热。此外，可使用热储存设备，以在需要时释放储存的热能，在启动发动机时或在低温环境中预热电池。而且将热回收系统与其他系统（如空调系统或电池冷却系统）集成，可以共享热源和降低热负荷，从而提高整体的能源利用效率。3.4热管理系统智能化混合动力汽车的热管理系统智能化是实现车辆能效优化和性能提升的重要途径。在混合动力汽车的发动机、电池组、电机等关键部位，需要安装高精度的温度、压力和流量传感器，以实时监测这些部件的工作状态和热负荷，为智能化热管理提供数据支持。同时，要根据传感器收集的数据，开发和优化热管理控制算法，实现对热管理系统的实时控制和调整。例如，当电池温度过高时，可以通过算法自动调整冷却系统的工作状态，降低电池温度；当发动机温度过低时，可以通过算法自动调整热回收系统的工作状态，使发动机温度升高。通过使用机器学习算法和人工智能技术，可以根据历史数据和实时数据预测车辆的热负荷和热管理需求，从而更准确地控制热管理系统。例如，应用机器学习算法，可以预测特定驾驶条件下电池的温度变化，从而提前调整冷却系统的工作状态，将车辆的工况数据上传到云端，利用大数据分析技术对这些数据进行深度分析，从而更深入地了解车辆的热管理需求，为优化热管理控制策略提供依据。混合动力汽车热管理系统的优化是多方面的，需要从散热、冷却、加热、热回收和智能化等多个方面入手，以提高燃料利用效率和延长车辆续航里程，提升车辆性能和市场竞争力。混合动力汽车的热管理系统优化是一项复杂的任务，需要综合考虑多个因素并进行系统优化，根据具体的车型和应用场景，结合实际需求制定相应的优化策略。4 结束语在优化混合动力汽车热管理系统时，需要从散热系统、冷却系统等方面入手，通过开展合理的系统设计、制定智能控制策略和应用故障检测技术，提高混合动力汽车热管理系统的性能、效率和可靠性，推动混合动力汽车的发展和应用，实现新能源汽车行业的良性发展。参考文献：1 李峰.插电式混合动力汽车热管理系统开发及其控制算法研究 D .长春:吉林大学,2 0 1 6.2 赵国柱,李亮,招晓荷,等.混合动力汽车用锂电池热管理系统 J .储能科学与技术,2 0 1 8(6):1 1 4 6-1 1 5 1.