热管理电控系统.docx

车辆热管理中电控系统的研究现状引言：车辆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。发动机热管理系统研发的关键技术之一是热管理系统与发动机运行的匹配技术以及系统优化控制策略的选择问题。热管理系统效率很大程度上依赖于系统优化控制策略，控制对象包括水泵转速、电控节温器阀门开度以及冷却风扇转速等。可以根据汽车发动机实际工作和试验情况，依据系统优化原则来制定智能化电控热管理系统控制策略，使发动机在不同工况下均工作在最佳温度范围。实验室研究情况：我们实验室主要从事车辆热管理系统方面的研究，随着车辆传动方式的不断变化（机械、液压、电传动，以及它们的复合形式），车辆的功率流和热流传递也发生了很大的改变，因此针对不同的传递方式，设计出相对应的热管理控制策略是非常重要的。另外，随着车辆控制智能化的进程不断加深，通过控制实现可调节、精调节，充分利用车辆运行过程中损失掉的热能，是实现节能减排的必要手段。我们实验室在车辆一体化热管理中也引入了越来越多的电控技术，并做了许多的研究工作。目前的主要研究领域集中在冷却系统这一块，通过研究部件的传热规律设计相应的高低温循环水路，借助电控技术实现风扇与循环水泵之间以及它们与发动机和控制模块之间的最佳匹配，从而使发动机和控制模块等工作在一个最佳的温度范围内。另外借助测试技术（温度、压力、转速），我们分析了电传动履带车辆冷却系统部件热耦合关系，以及不同工况下的热平衡时的传热规律，建立了冷却系统故障与热容、热阻的对应关系，可用于电传动履带车辆冷却系统的故障诊断中。现阶段国内外车辆热管理电控知识的研究主要在以下几个方面：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，根据车辆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。1.1电控水泵电控水泵电控水泵由电机驱动可以对流量进行独立控制电控水泵由于不用曲轴驱动安装位置比较灵活，可以优化水泵水力特性设计，减少压力损失同时，采用电控水泵，在发动机停机后仍可以工作，这样就避免了当车辆高负荷运转停机后，发动机缸体内温度过高的现象。Cho等【1】用电控水泵取代传统机械水泵，利用试验和模拟对比分析发现通过控制水泵转速并提高电控水泵效率，功率消耗降低量超过87，对提高发动机性能和燃料经济性潜力很大。张钊等【2】建立了发动机电控冷却系统性能分析平台，对汽车发动机电控冷却系统的运行控制优化进行了研究，电控冷却系统采用电子部件，解除水泵与主轴间的耦合关系。 通过精确控制水泵转速，有效提高了冷却系统效能，降低了冷却系统功耗。法雷奥公司【3】开发了themis电子调节系统，该系统是通过对水泵流量和冷却空气流量来进行控制和调节的。由于水泵的转速独立于发动机的转速，可以根据水温的实际变化需求来调整水泵转速，减少了不必要的传热损失和机械损失，提高了发动机的效率。1.2 电控风扇电控风扇一般由电动机或液压马达直接驱动，采用智能控制模式，根据温度传感器采集的温度信号（如水温和进气温度），自动调整风扇的转速，使发动机工作在最佳温度。在满足整机散热要求的前提下，有效降低风扇的功率消耗和噪声，最终达到节能降噪的目的。韩国现代车辆公司【4】生产的某型轿车，对散热器和冷凝器的冷却风扇分别进行电控，对冷却液温度和空调冷凝器温度进行多级联合控制，结果风扇功率消耗减少90，节省燃油10。丰田公司【5】则开发了采用电液比例技术控制发动机冷却风扇系统其冷却风扇转速独立于发动机的转速，能够根据发动机的实际需求对风扇进行调节，能保证在任何车速下发动机都有良好的冷却空气流量，具有能耗低，噪音低，布置灵活多变等优点。苏忆【6】设计了以AT89C5LCMOSS单片机为控制核心的微控制系统，实现了电控风扇对冷却系统水温的精确调节，保证了汽车在预热，过热及正常运转等各种工况下的可靠工作。甄胜祥等【7】针对工程机械在高原地区工作热负荷过大的问题，应用独立液压马达驱动风扇热平衡控制技术对某高原型挖掘机进行了改进，有效地减少了发动机磨损，提高了工程机械的可靠性和经济性，延长了使用寿命。1.3 电控节温器电控节温器节温器是车辆冷却系统中控制冷却液流动路径的关键部位，与传统的节温器相比 电控节温器流动阻力小，感应时间短，反应速度快，且其阀门开度可任意调节。当发动机高速，高负荷运转时，电控节温器可以更快地降低冷却液温度，使得发动机得到快速冷却。中低负荷时，可以提高冷却液温度，从而减小该负荷下的传热损失与摩擦损失，进一步优化燃烧。另外，电控节温器稳定的工作性能和较高的调节精度可以保证发动机工作平稳，有利于延长发动机的使用寿命。郭新民等【8】对汽车智能化可控式冷却系统的开发进行了较多研究， 他们开发出能够对节温器实现多元联合控制的智能冷却系统，该系统可以精确，自动地调节发动机冷却液的温度，使发动机在各个不同工况下都能在最合适的温度范围内工作，提高了发动机的工作可靠性和经济性。1.4可控润滑系统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。Zoz研制了发动机润滑系统流动与传热模型，给出预测润滑油箱温度的模型【9】；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【10】。Masahiko Makino等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【11】，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。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，而电控冷却系统能有效地提高发动机的冷却液温度和热效率，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研究电控冷却系统对发动机启动和排放性能的影响【12】，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。2测试技术热管理系统需要采集大量的参数，如温度、压力、转速及行驶速度等。先进的测试手段、 高精度的传感器以及合理地布置测点是准确测试车辆工作参数的基础。Berneburg等研究将激光多普勒测速仪和其他测量技术应用于发动机舱内空气速度分布的测量【13】。VALEO发动机冷却试验室在散热器两侧合理布置测点，有效地在环境气候风洞中实现对车载散热器两侧的冷却水和空气的流速、温度和压力等的测量【14】。Scott设计了一种直径仅为26mm的半球形传感器，用于直接测量车辆底盘的局部传热系数【15】。Victor Reinz公司在发动机气缸衬垫中嵌入温度传感器，与传统装在缸盖水套中的传感器相比，离燃烧室更近，对温度变化的测量更加可靠和快捷【16】。Martin Liess等设计了新型测温计，运用相应的补偿算法减小热量传递的“滞后效应”引起的测量误差【17】。Alaa研究热电偶在温度测量中的温度响应及其影响因素，给出了理论分析结果和实验结果【18】。3控制技术控制系统把各运行部件、传感器、微处理器和执行机构等组织起来，根据行车状况、环境气候和冷却介质温度等参数，实现各部件的多元联合控制，自动调节，保证发动机和整车处于最佳工作状态，减少传热损失和功率损耗。Matthieu Chanfreau对汽车冷却系统进行建模分析和实验，并应用42/14V双电压控制系统【19】。Wagner集总参数模型法来分析冷却系统，建立了智能节温器、变速泵和变速风扇的数学模型，设计了非线性控制器来实现对冷却介质流速的控制，实验表明在各种工况下，控制器能很好的实现对系统的控制【20】。Salah等设计了由伺服电机控制的冷却系统，用基于Lyapunov的非线性控制技术来控制冷却液温度，仿真和试验结果表明，设计的4种控制策略都能很好实现对冷却液温度的控制，最大稳态偏差范围在1.1% 以内【21】。结语：随着对车辆节能环保的要求越来越高，各汽车厂商十分重视车辆热管理技术的研究。现阶段的研究主要是侧重于系统部件和子系统的热管理，在一定程度上提高了部件的性能，并在实际应用中产生效益。但是对整车的热管理集成研究比较少，部件和子系统的实际工作性能，很大程度上取决于整个车辆热管理系统的集成方式。针对国内外的研究现状，车辆热管理进一步的研究可以做以下方面的工作：1）深入研究车辆的流动与传热机理，掌握热流传递规律；2）对车辆的热对象特性进行研究，找出在不同工况下，热对象的最佳工作温度值，明确控制依据；3）设计相应的控制策略，合理组织热流流动，优化热量分布，优化车辆的结构。参考文献：1 Cho H,jung D H,etal,Application of Controllable Electric coolant Punp for Fuel Economy And Cooling Performance Improving-C.SAE paper 2004-61056.2 张钊等发动机电控冷却系统性能仿真研究J汽车工程2005.3 卢广峰,郭新民,孙运柱等.汽车发动机冷却系统的发展与现状J.农机化研究.20024 王帅.内燃机电子节温器的设计开发与试验验证D.浙江大学 20115 陈萍,陈鲁训.丰田轿车控制发动机冷却风扇转速的新方法J.汽车与配件19966 苏忆.汽车发动机冷却系统智能控制技术研究D.南京理工大学2006.7 甄胜祥,李理,徐广辉.高原型工程机械散热系统的改进与应用J.工程机械.2009.8 翟丽,郭新民.汽车发动机冷却系统的智能控制J.汽车机器2001.9 Zoz S,Strepek S,Wiseman M,et al. Engine Lubrication System Model Sump Oi1 Temperature PredictionJ. SAE, 2001(1).10 童宝宏，桂长林，陈华，等. 发动机润滑系统的研究与进展J. 车用发动机.2007.11 Masahiko Makino, Nobuaki Ogawa. Automotive Air-conditioning Electrically Driven CompressorJ. SAE, 2003(1).12 Ky u ng-Wook Choi,Ki Bum Kim. Ef fe ct of New Cool i ng System in a Diesel Engine on Engine Performance and Emission CharacteristicsJ. SAE, 2009(1).13 H.Berneburg, A.Cogotti. Development and Use of LDV and Other Airfow Measurement Techniques as a Basis for the Improvement of Numerical Simulation of Engine Compartment Air FlowsJ. SAE International-Vehicle Thermal Management,1993.14 Ngy Srun AP.A.Simple Engine Cool ing System Simulat ion ModelJ.SAE.1999.15 Scott P. Dudley, Robert E.Barry.The Measurement of Underhood and Underbody Velocities with the H-MeterJ. SAE, 1999(1).16 Kevni Joat.Victor Reinz adds sensors to gasketJ. AEI focus on electronics.2003.17 Martin Liess,Martin Hausner.Thermal Management in Pyrometer Module for Automot ive Appl icat ions J.Proce edings of Internetion