本文选自中国工程院院刊《Engineering》年第5期
作者：GarrettJ.Marshall,ColinP.Mahony,MatthewJ.Rhodes,SteveR.Daniewicz,NicholasTsolas,ScottM.Thompson
来源：ThermalManagementofVehicleCabins,ExternalSurfaces,andOnboardElectronics:AnOverview[J].Engineering,
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编者按
对车辆进行有效的热管理需要新的改良系统和方法，以减少车辆内部和周围热量的产生和转移,确保适当的车辆温度水平可以提高车辆的燃油经济性、行驶里程、可靠性、使用寿命、乘客舒适度和安全性。
中国工程院院刊《Engineering》刊发的《车辆舱室、外表面和机载电子设备的热管理概述》中，总结了汽车热管理技术和建模的最新进展，重点研究了3个关键领域：汽车舱室、电子设备和外部部件。具体来看，有关舱室的主题包括减少热负荷和改善暖通空调系统的方法，以及窗户玻璃/着色和车辆表面处理方面的改善；关于电子设备的热管理，包括电池和绝缘栅双极晶体管，以及采用热管、散热器、射流冲击、强制对流和相变材料的主动和被动降温方法；在考虑阻力/摩擦力和环境影响的情况下，回顾了建立和增强车辆外部部件传热模型的工作。随着汽车热管理领域成熟技术的实施和对未来解决方案的进一步研究和开发，有望为制造商和消费者，乃至整个社会带来巨大的收益。
一、引言
对车辆进行有效的热管理需要新的改良系统和方法，以减少车辆内部和周围热量的产生和转移。这可以直接或间接地实现，并对许多基本的车辆属性产生重大影响，包括燃油经济性、安全性、行驶里程、可靠性和乘客的整体舒适性。这些影响大多会产生二次影响，例如，改善驾驶员的舒适性也有助于通过增强警惕性来提高安全性，而更好的部件热管理可以提高电子可靠性。在*事应用中，热管理也是战场上反侦察的一个重要因素。
在过去几十年里，为了改善汽车热管理的各个方面，许多技术和工程上的进步开始出现。由于许多激励因素，这一领域变得越来越重要，包括新车特性、消费者需求、社会对燃料消耗及其*治和环境影响的担忧、*府法规、汽车尺寸的缩小，以及电动、自动驾驶和无人驾驶汽车的兴起。
本文对汽车热管理方法和技术的最新研究和工程创新进行了调查和总结。它分为三个主要部分，每个部分专注于汽车的一个核心领域，其中热管理发挥着重要作用。
第一部分是检验舱室，舱室是热量积累的主要来源，尤其是在温暖的天气。这部分着眼于减少热量摄入的方法，以及改善气候控制和通风系统，对燃油经济性有重大影响。
第二部分讨论了电子元件的发热和散热。特别要注意的是，电动汽车会遇到独特的热挑战，而传统的燃料汽车通常不会遇到这种问题。
第三部分研究了除一般的天气和地形因素之外，各种车辆外部部件（包括格栅、制动器和轮胎、排气系统和车身空气动力学）的热影响。
二、舱室
舱室由结构部件组成，这些部件将内部温度控制环境与外部环境分隔开来。就这方面而言，舱室是确保乘客整体舒适度的重点，它不仅提供了一个令人愉快的驾驶体验的环境，而且确保舱室内的热条件有利于改善驾驶习惯。Danca等详细讨论了乘客舒适度的测量和改善。
舱室热管理设计的主要目标是在实现高水平乘客舒适性的同时，最大限度地减小汽车的能源消耗。汽车的暖通空调（heating,ventilation,andair-conditioning,HVAC）系统对汽车的发动机和电池有大量的动力需求，这可能导致燃油经济性下降。Orofino等进行的一项研究涉及一组不同尺寸和HVAC系统的汽车，平均燃油经济性为41mile/gal（milespergallon,MPG；1MPG≈2.35L·km–1），说明空调（airconditioner,AC）运行时油耗会增加23%~41%。减少油耗不仅可以降低车主的汽油成本，而且可以通过减少有害物排放对环境产生积极的影响。
（一）热负荷减少
在过去的几十年里，人们开发了许多技术在保障乘客舒适性的同时降低空调负载和燃料消耗。这些工作主要集中在寻找减少车辆在长时间暴露在阳光下时热吸收量的方法（被称作热浸现象）。所探讨的方法包括：独立冷却车舱局部、实施自动气候控制（automaticclimatecontrol,ACC）算法、管理空气质量，以及改进电动汽车（electricvehicle,EV）HVAC系统。下面将讨论这些方法。
在热浸的过程中，汽车舱室温度会升高，直到达到一个平衡点。在热浸过程中获得的热量和平衡温度受车窗和挡风玻璃对阳光的透射率、仪表板和内部部件的吸收性能以及车辆外壳温度的影响。在冬天或更冷的月份，热浸是有益的，因为它利用可再生的太阳能加热汽车的内部。然而，在季节性较热的月份，热浸产生的热量必通过空调或通风系统排除，从而大大增加了辅助负荷。美国国家可再生能源实验室（USNationalRenewableEnergyLaboratory,NREL）的研究人员称，在夏季将凯迪拉克STS的热浸负荷降低30%，最多可以减少26%的空调燃料使用量。
1.玻璃遮光
玻璃遮光是指为了减少辐射加热影响而以某种方式改变玻璃的一整套技术。虽然汽车玻璃遮光不是一个特别新的技术，但人们仍然开发了各种方法来更有效地在减少热量获取的同时保持良好的可见性。年NREL测试了一项技术Sungate?EP，这是一种用于汽车表面的太阳能反射玻璃。实验人员在7~9月对两辆凯迪拉克STS进行了热浸，并记录了实验车辆和对照车辆在24h内的热负荷。实验车辆的平均空气温度和座椅温度分别降低了7.1℃和8.7℃，挡风玻璃和仪表板温度分别降低了19.3℃和14.6℃。考虑到透过玻璃的太阳辐射是车辆热负荷的最大贡献者，这些显著的温度下降可以归因于玻璃只传输了总太阳能的33%。
NREL随后使用一辆改装的年版丰田普锐斯进行了测试，这是一款插电式混合动力汽车（plug-inhybridelectricvehicle,PHEV），配备了5kW·h的Hymotion锂离子储能系统（energystoragesystem,SS）。在测功机上对汽车进行了多个驱动循环的模拟和测试后，研究人员得出结论，在前挡风玻璃和后挡风玻璃上安装反光玻璃可以降低压缩机功率，足以将燃油经济性提高8%（从38.4MPG提高到41.6MPG）。Ozeki等在中型电动汽车上对标准车用玻璃和红外（infrared,IR）切割型玻璃进行了类似的比较，后者具有更高的太阳光还原率。模拟气候室夏季工况结果表明，采用红外切割型玻璃后，热负荷降低了20%。
车窗表面玻璃目前保持一个恒定的透射率，但最好是可变的透射率；换句话说，在寒冷的天气里，为舱室提供免费的被动式太阳能加热最好有较高的透射率，在炎热的天气里具有较低的透射率以减少热浸和舱内温度，同时将燃料消耗的损失降至最低。
电致变色（electrochromic,EC）玻璃是一种可以通过外加电流来控制透射率的技术。年，Jaksic和Salahifar确定电致变色挡风玻璃太阳能传输量是标准的透明挡风玻璃的2/5。结果表明，客舱内热浸温度降低，乘客舒适度提高，HVAC系统负荷降低。由于需要电流来驱动透射率的变化，所以必须有电源。提供电源的一种方法是将玻璃连接到汽车的电池上。然而，一个更有吸引力的方法是使用光电致变色技术，其中玻璃窗使用普通的染料敏化太阳能电池收集太阳能，以为其变色提供动力。Cannavale等在年建造并测试了第一个工作的光电致变色器件。该设备分别在不到2s和5s的时间内对光强的增加和减少做出了响应，而当暴露在1.4kW·m–2的太阳光强度下时，只允许25%的辐射传输。这一结果与使用Sungate?EP获得的降低33%负载的结果相比是很好的。该数据未对太阳光强度进行量化，但是在车辆处于直射阳光下时进行了数据收集。
2.表面改性
研究人员还试图通过降低汽车表面的热量吸收来降低车内温度。在NREL年夏季研究保温温度的实验中，将日光反射涂层与对照涂层进行了对比试验。凯迪拉克STS（对照组）用普通底漆喷涂，而在改装车辆上使用了一层红外反射颜料。两辆车都喷涂了相同的透明涂层。在日光灯下进行比较时，具有反射涂层（吸收率为0.82）的面板表面在平衡状态下比对照面板表面（吸收率为0.89）的温度低9~10℃。但是，值得注意的是，由于屋顶隔热和其他各种现有的传热路径（尤其是通过窗户），面板温度降低的百分比并没有转化为舱内空气温度的等效降低。例如，年，研究者测试了一种反射率较低的涂层，该涂层与基线相比使车顶外部温度降低了6.7℃，但车厢内的空气温度总体降低了不到1℃。在年的实验中，这辆经过改装车辆的基线灰色涂料的吸收率为0.78，覆膜车顶的吸收率为0.55。
如上所述，在年的比较中，反射型和非反射型车顶的反射率差最大为0.23。Levinson等在年证明，将太阳总反射率ρ提高0.50可以降低呼吸的空气温度（即车辆内靠近驾驶员口腔的空气温度）5~6℃。为了进一步评估降低程度，他们在年7月对两辆年本田思域4DRGX紧凑型轿车[一辆黑色（ρ=0.05）和一辆白色（ρ=0.60）]进行了热浸。该小组使用了NREL开发的工具ADVISOR来评估他们实验所节省的燃料和排放。据估计，白色汽车需要的空调设备比黑色汽车小13%，并能在30min内将车厢降温至25℃。对于一个典型的冷色外壳（ρ=0.35），假设空调能力和发动机辅助负载与外壳颜色呈线性比例关系，这种能力降低导致增加0.24MPG的燃油经济性（1.1%）。据估计，主要排放量将从减少0.37%到减少2.0%。
在美国，长途汽车在空载状态下每年消耗近2×gal（1gal≈3.79L）的燃料，其中，8.38×gal在休息期间消耗在卧铺驾驶室中，以满足乘客的舒适性。NREL的研究人员证明，空载油耗可以通过绝缘包装来降低。在舱室墙壁和结构通道内添加绝缘材料后，舱室内的冷负荷减少了34%，可以使用电池驱动的电力空调装置进行管理。值得注意的是，由于车身颜色较浅，在舱室外表面上添加反光涂料并不能显著降低热负荷，尽管深色的车可能会从这种涂料中获益更多。
3.通风
适当地为停放的车辆通风可以在热浸时降低车内温度。在一次测试中，NREL在一辆凯迪拉克STS的天窗上安装了6个太阳能风扇阵列。结果表明，将空气抽离车辆比将空气推入车辆更有效，可使空气温度降低5~6℃，约为最大降幅的26%。
除了通风天窗，NREL还对年吉普大切诺基的交替通风配置进行了测试。一些配置包括来自仪表板通风口或天窗风扇的强制对流，而其他配置是被动的，只需要打开天窗和添加地板通风口。本研究结果如图1所示。通风地板显著增加了自然对流；然而，研究人员指出，防止废气、灰尘和动物进入车内的问题有待解决。
图1通风技术研究结果。箭头表示与不通风的基准舱内温度（45℃）相比，温度下降了，而环境温度为30℃。有标识的是需要电源的，而没有标识的是无源的。转载自参考文献，获得国家可再生能源实验室许可，?
Saidur等试图改善目前的太阳能动力停放式汽车通风机的性能。通风机安装在一辆金属灰色的尼桑Sunny轿车的后车窗上，由汽车电池和一块安装在车顶上的50W太阳能电池板提供动力。采用更大的电机和风扇系统，将通风机的流量从20CFM提高到.5CFM（ft3·min–1；1CFM≈0.m3·min–1），并在上午11点至下午4点之间采集数据。总的来说，与未改良的通风机相比，温度降低了11%。太阳能电池板在晴天为通风机提供31.2W的能量，剩余的能量用于给汽车电池充电。在阴天，当汽车电池是唯一的电源时，通风机可以工作7.2h。
（二）分区和个性化降温
分区降温可能是减少车辆空调需求研究最多的方法之一。它不仅可以让车辆乘客根据个人的舒适需求来调整设置，还可以更好地对HVAC系统进行整体能源管理。
1.分区降温
通过冷却与乘客接触的最大表面积（即座椅）可以实现更好的独立温度控制。降温座椅（“座椅调节”）这一方法并不新颖，但该技术正在不断优化。年，座椅气候控制的一种常见方法是使用嵌入在座椅中的风扇将被热电装置降温的机舱空气推向或拉离乘客。工程师们设计了增强系统，使空调空气能够通过与座椅通风系统直接相连的管道系统，而不是使用未经调节的机舱空气。空气可以通过Peltier元件被进一步降温或加热。Peltier效应可以被认为是一种反向的Seebeck效应。在Peltier装置中，电力用于在设备两侧之间产生温差。乘客可被来自模块热侧或冷侧的定向空气加热或降温。用增强系统进行的人体测试表明，达到舒适的时间缩短到4.5min，比使用热电设备的时间减少了2.5min，比使用HVAC风冷座椅的时间减少了1min。座位调节的另一种方法是使用非对称降温方案。Velivelli等将沿腰部支撑的主动冷却与只有座垫中有的通风相结合。根据基于人体舒适度的模型，对降温装置的功率和放置进行了优化，并在1℃的实验温度范围内验证了预测温度。
除了座椅调节，热电装置最近还被测试用于逆流、空气-空气和空气-液体空调系统。这样的系统可以降低发动机负荷，并且可以为新的由环境保护局（EnvironmentalProtectionAgency,EPA）管制的制冷剂提供更便宜、更不易燃的解决方案。尽管尚未在车辆环境中进行测试，但已经进行了模拟，这些模拟为热电空调系统提供了优化方法。
为了进一步改善分区降温，可以将通风口对准舱室乘客的不同身体部位，特别是脸部、胸部和腰部。测试优化提供的热舒适性的结果证实：该系统比基准全舱降温系统能更有效地降温。基准测试（无点降温）要求参与者对在车内时不同身体部位的舒适度进行评价。评分范围从非常不舒适（–4）到非常舒适（4）。在基准实验中，参与者的平均舒适度为（–1），但是当进行点降温时，参与者能够自己控制温度设置，参与者的平均舒适度上升到1.75~2。参与者一致认为在瞬态条件下使用点降温的降温速度更快。为了优化该系统，研究人员决定使用低流速来降温，以避免眼睛干燥并克服“暖额头”的不适。由于颈部是一个比较敏感的区域，一些参与者反对颈部或脸颊降温；然而，这些部位的低流量可以在热浸降温期间使用，以更快地改善瞬态舒适性，且可在稳态条件下关闭。Ghosh等的模拟实验表明，与座椅降温装置配合使用时，针对这些部位的喷嘴可以最有效地给乘客降温。
年，Kaushik等模拟了另一种局部/分区降温系统产生的热感和舒适性。他们的模型以稳态条件为基础，包括人体生理模型（基于50%的男性）和人体热舒适模型。测试数据收集自不同年龄和性别的大学生，他们在稳态车舱温度下对舒适度和感觉进行了评分。图2比较了几种不同降温方式下的预测结果和实测结果。总体而言，结果表明，基于所研究的29℃稳态温度，微冷/加热策略可以在潜在较低的空调负荷下提供足够的热舒适。Ito等近期的研究为了验证其热平衡模型，以实际车辆为研究对象，对人体进行了分段，并考虑了血流的传热。改进的热舒适模型提供了一种更有效的方法来设计客舱/空调架构和技术，以在各种瞬态/非均匀条件下满足乘客舒适感。
图2对三种微冷方式的热舒适性和热感仿真结果进行了比较
分区降温对乘客舒适度的影响已经得到广泛研究。然而，最近的工作集中在量化其对原动机[如内燃机和（或）电池]的影响。Wang等使用测试数据来设计、测试和模拟一个系统，该系统可以很容易地安装在现有车辆上，实现其商业用途。电池驱动系统与废热交换器、控制装置和泵一起被放置在后备箱中。节能的结论基于采用标准和分区降温配置的别克拉克罗斯（LaCrosse）汽车上获得的稳态环境隧道测试数据。根据这些数据，研究人员估计空调压缩机可以节省29%的电能。为了节省更多的电能，部分分区降温系统可以在车辆未完全占用时关闭。
2.个性化降温
分区降温可以有效地管理车舱环境，但也可以采用更个性化的方法，并且有可能补充车舱冷却方法。年，Salaun等研究了将相变材料（phase-changematerial,PCM）应用于服装。使用微囊化PCM，它们经过13个热循环后能够储存~J·g–1的热能。每次使用后，PCM必须通过将材料降温回固体来“充电”，以完成一个循环并重新开始。虽然它们可能会在纺织品领域发展，但是某些现象会导致PCM胶囊随时间磨损。
年，麻省理工学院（MassachusettsInstituteofTechnology,MIT）的学生开发了一种称为“Wristify”的个性化降温技术，此后研究了一种更简单的人体气候控制方法。该设备利用Peltier效应以固定的时间间隔为人的手腕降温。这些温度变化每隔1min进行一次，影响整个身体的热舒适性。
当然，应该指出的是，这些解决方案本质上不是针对汽车的。它们也不足以完全取代HVAC系统。然而，如果与车内方法一起使用，它们可以大大降低总能耗。
（三）自动气候控制
自动气候控制（ACC）于年被首次提出，而原始模拟线性控制器的类似衍生产品至今仍在广泛使用。Wang等改进了现有的算法，通过分离瞬态和稳态控制，使路径稳定的状态可调。为了减少对车内温度传感器的依赖，该模型还对热负荷估计中的乘客热惯量进行了显式计算。这种新方法可以在4~6周内对原型车进行校准，并且其图形软件包可以轻松地自动编码并集成到ACC微控制器中。该系统已在北美和亚太地区的车辆中实施了三年，并且在热控制方面的有效性达到或超过了标准系统性能。
Fayazbakhsh和Bahrami设计并模拟了另一种具有优化ACC潜力的空调模型。当该算法与适当的传感器结合到车辆的计算机中时，它们的集总系统算法通过预测和补偿热负荷的变化，使空调的使用更加有效。使用类似的方法，Marcos等开发并检验了一个热模型，可以充分计算传递到车舱中的热量，并估计由HVAC产生的燃料消耗。
Donovan和Manning使用基于模糊逻辑的比例积分（fuzzy-logic-basedproportionalintegral,FPI）控制器对ACC执行了概念验证。模糊逻辑是一种编程逻辑，它允许“真度”，而不是“true”和“false”的固定值。其应用允许模型独立于特定车辆，并限制了所需的存储空间。该系统使用了CO2和红外热成像传感器，以及一个多区域环境中的外部可变位移压缩机（用于温度和湿度管理）。他们的方案能够有效地控制分区环境中的温度和湿度，同时保持安全的CO2水平。
从经典控制理论的角度来看，ACC的另一种方法是在比例积分（proportionalintegral,PI）控制器中加入一个导数项，以实现比传统ACC更精确的比例积分微分（proportionalintegralderivative,PID）控制器。一些工业应用程序使用Chien-Hrones-Reswick（CHR）方法来调整PID增益。Khayyam等将PID控制器与神经网络调谐器（neuralnetworktuner,NNT）相结合，以降低电力消耗，提高汽车的HVAC系统的效率。这种方法在当时并不罕见，因为Zheer-Uddin和Tudoroiu也测试了类似的方案。然而，Khayyam等创建了一个协调的多控制系统（coordinatedmulticontrolsystem,CMCS），包括一个用于控制交流功能的PID控制器和三个用于调节再循环门和设定值的步进控制器。该系统监测空气温度、湿度和CO2浓度，并使用这些输入来协调蒸发器（用于温度管理）、鼓风机（用于流量管理）和通风门（用于CO2浓度管理）。使用美国供暖制冷空调工程师协会（AmericanSocietyofHeating,Refrigerating,andAir-ConditioningEngineers,ASHRAE）标准进行了三次模拟，以设置车舱舒适条件，同时使用东京晴天天气数据和联邦公路驾驶计划（FederalHighwayDrivingSchedule,FHDS）数据模拟真实的驾驶场景。第一个仿真使用手动调整的PID，第二个仿真使用CHR进行调整，第三个仿真使用NNTPID。在给定的条件下，NNT无超调，稳定性高，最大能量降低约14%。
Furse等在年进行的一项研究中收集了来自HyundaiGenesis气候控制系统的真实数据。他们通过智能手机检测了美国客户使用的各种参数，他们发现，如果车舱温度处于35℃（95℉）或以上的热浸条件下，则温度和鼓风机速度是手动控制的。但是，在温和的条件下，ACC的使用频率更高。这些发现表明，ACC在不断改进，对客户越来越有用。
（四）电动汽车空调系统
日益严格的排放标准使得人们对电动汽车的兴趣日益浓厚。电动汽车有限的行驶里程可以通过实施上述技术和方法来减少空调的使用，或通过优化专门为电动汽车设计的HVAC特性来改善。传统内燃机（internal