车辆冷却应用的热总线设计与分析
Shervin Shoai Naini, Junkui (Allen) Huang, Richard Miller, and John R. Wagner
克莱姆森大学
Denise Rizzo and Scott Shurin
美国陆军TARDEC
Katherine Sebeck
TARDEC
摘 要
设计具有低功耗的高效冷却系统在汽车工程界备受关注。为避免超过组件的温度限制，必须消除由于地面车辆的推进系统和车载电子设备产生的热量。此外，适当的热管理不仅将改善系统的耐用性和效率，同时还会提供灵活，模块化和轻量化的结构。传统的冷却系统是有效的，但是它们通常需要高能耗，这为范式转变提供了动力。这项研究将检验使用“热母线”的地面车辆冷却系统中的被动排热途径的集成。潜在的解决方案包括具有高热特性和轻质特性的热管和复合纤维，以将热量从热源传递到周围环境。最初的研究方案的重点是将热管集成到热总线中，以将热量从热负荷（例如内燃机，电动机，电池组，电力电子设备等）传递到热交换器。使用数学U形脉动热管模型来数字地描述基于热总线的热管的热行为。它与用于将能量从负载传递到总线的“支架”模型和换热器到环境的模型结合在一起。仿真结果表明，散热率显著受到热管长度，直径和热负荷与母线之间温差的影响。这种在主动/被动冷却系统中基于热管的热母线集成将在以后的工作中进行演示。
引文：Shoai Naini, S., Huang, J., Miller, R., Wagner, J. et al., 'A Thermal Bus for Vehicle Cooling Applications - Design and Analysis,' SAE Int. J. Commer. Veh. 10(1):2017, doi:10.4271/2017-01-026
1.介绍
混合动力总成通过内燃机，电动机，发电机，电池组和车载电子装置的运行产生热量。一个需要着重考虑的因素是冷却这些组件以将温度保持在规定范围内。对燃油消耗目标的强调使得必须集中精力降低这些器件的功率，包括军用车辆的冷却系统[1，2，3，4]。 如图1所示，存在多种热管理策略。最常见的冷却系统设计是一种带有风扇，恒温阀，泵，软管和发动机缸体水套的乙二醇液体循环散热器。对于较低的热负荷，气冷发动机和组件可能是可选择的。而一种新颖的设计则融合了可根据工作条件选择的被动散热和主动散热功能。
车辆推进系统温度的监视和控制可以帮助确保任务的可行性。在建议的机油温度范围为90°C至100°C的情况下，发动机零件的摩擦损失随润滑剂和冷却液温度的变化而变化[5]。如果温度保持不当，电池组的性能将会降低。同样，电气组件必须在其额定温度范围内运行。在以前的研究中，已经针对不同的运行条件研究了冷却系统的架构及其能耗。 Park和Jung [6]研究了三种不同冷却系统设计的热行为，以确定功耗因素。 Bayraktar [7]整合了计算流体动力学来研究冷却系统的热行为。 Tao和Wagner [3,8,9]采用非线性控制理论来调节发动机中机电执行器的运行计划。 Wang等[1,10]建立了数学模型，通过调节执行器（例如风扇，泵和智能阀）的运行来优化基于对流的传热。散热器风扇在发动机冷却系统中消耗的功率最大[2]。
节能高效的被动排热途径集成与地面车辆的主动冷却系统的并联还没有得到充分研究。在传统的冷却系统中存在一个创新的机会，不仅可以实现一种可适应不断增加的热负荷的灵活设计，而且还可以提供“静音哨兵”操作模式。它包含的高导热材料/设备（例如热管，复合纤维，合金等）可以为智能架构中的被动散热提供潜在的解决方案，以将热量从热负荷传递到周围环境。在本研究中，术语“被动排热途径”是指不需要车辆供能的热量传递模式。混合式被动-主动冷却系统设计的起点将是引入热管。环路热管已被认为是具有高有效热导率的两相无源装置，能够相对于重力以任何方向传递热量[11]。热管用于各种热管理应用中，以提高热导率和温度分布均匀性。对于地面车辆而言，热管已用于控制部件和车厢的温度。 Rao等[12]实现了一种基于电动汽车热管的热管理系统来调节锂离子电池的温度。 El-Sharkawy [13]使用热管来控制催化转化器的温度。 Hendricks [14]引入了热管来冷却客舱并减少空调系统的运行时间表。最后，Burban等人[15]研究了在各种驾驶条件下，脉动热管就不同匝数和工质而言在车辆冷却系统中的性能表现。
a.
b.
c.
图1.冷却策略概述-（a）传统液体系统，（b）强制对流系统，以及（c）主动/被动热母线。
必须有效管理地面车辆在燃烧过程中产生的热量，推进力和机械摩擦，以确保系统的耐用性和性能。需要先进的汽车热管理系统，在最低地消耗地面车辆能量的情况下，避免超过组件的工作温度限制，并提高发动机性能。在本文中，使用带附件支架和带有电风扇的热交换器的基于热管的热总线，研究了地面车辆冷却系统中被动排热路径的集成。本文的其余部分安排如下；第2节介绍了带有支架和热交换器的热总线概念。在第3节中介绍了相应的数学模型来描述动态行为。有代表性的数值结果将在第4节中讨论，以护卫车的驾驶周期为例。结论和术语表分别包含在第5节和附录中。
2.混合冷却系统策略
混合动力地面车辆通常由带有电动机，电动机械组件的内燃机和并联或串联配置的随附电池组组成。动力总成组件产生大量热量，必须通过冷却系统散发热量。在一些情况下，散热可能是适度的，这表明采用了哨兵类型的操作模式或低速高效电动机的推进。对于这种情况，可以将被动式热管理系统设计为满足冷却需求。所提出的先进的冷却系统结构具有与智能主动冷却系统结构相关联的被动冷却散热路径，该智能主动冷却系统结构基于散热需求而运行。公认的是，被动冷却的方式可长时间延缓热负荷，尤其是内燃机的热负荷将不足，从而导致混合动力设计也具有传统的散热器-泵配置。
各个热负荷可以通过称为“支架”的最佳表面积与热母线连接。必须根据每个单独的热负荷发热量，运行条件和形状来设计支架。与周围环境低对流换热的组件可能会受益于较大的支架覆盖面积。具有高导热率和较小热膨胀的支架可在热源之间提供所需的热连接和热总线。支架的外表面将被包裹在低导热率的绝缘材料中，以沿期望方向传递能量。
热总线通过附带的风扇将热量从支架传输到散热器。热总线定义为用于从给定实体传递热量的任何设备，包括被动或主动传热路径。例如，从使用液冷的设备到具有高导热率的无源先进材料的设备。所提出的热总线概念具有计算机控制的液体冷却系统，该系统能够在热负荷部件温度过高时处理高排热需求。图2显示了混合冷却系统的概念，该系统受益于被动冷却系统和主动冷却的并联策略。高导热材料（例如复合纤维，合金，相变材料）以及高导热的无源设备（如热管）将被应用到被动冷却策略中。热量将随着温度梯度在两点之间传递。研究高导热材料为了解其热性能奠定了基础。类似地，热管结构是高效的系统，可以集成到各种各样的冷却应用中，从本质上扩展了它们在实际应用中的能起作用的可能性。
图2.先进的混合冷却系统设计。
高效热交换器与可控电风扇的集成将提高冷却系统的效率。将要一种控制策略通过监视系统温度来操作一个或多个热交换器风扇，并在满足各种操作场景下的每个组件的热需求的同时将功耗降至最低。总体而言，所提出的冷却系统可受益于重量更轻的系统结构，增强的灵活性和可靠性，可静音模式运行，具有高有效导热率以及较小的外部功耗。
3.数学模型
从热负荷到支架到热交换器，已经为热母线系统开发了几种数学模型。这些模型包括用于使U形脉动热管（PHP）的几种模型，以研究各种设计参数（例如初始条件，直径，装料比，温度差和工作流体）对热管的振荡行为和性能的影响[16，17 ]。可以将热管作为支架和/或热总线的两个部分。结果表明，热管直径和温差是影响热管传热速率的有效因素。已经证明，与相变潜热相比，热量主要是由于显热的交换而传递的[16]。 Ma等[18]研究了纳米流体对振荡热管传热速率的影响。他们证明，使用纳米流体作为工作流体会导致振荡热管中蒸发器和冷凝器段之间的温差大大降低。杨等[19]已经研究了热管的轻量化和性能，并强调了在热管中应用轻质材料的一些限制。
对包含热负荷，支架，热母线和翅片式热交换器的降阶被动冷却系统进行了数值计算和分析，以描述整个运行周期内的热行为。 图3a显示了热能流，图3b显示了相应的节点网络。 热负荷的发热量将基于每个热负荷单独设置。 与地面车辆产生的其他热负荷相比，电动马达产生更大量的热量。因此，在这项研究中，我们研究了一个与实际行驶循环相关的带有电子马达的被动冷却系统。
a.
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图3.在（潜在混合）冷却系统中集成了支架，热母线和热交换器-（a）系统架构和（b）温度节点网络。
3.1.支架结构
热负载支架用于将热量从热负载有效地传递到热母线（在这种情况下为脉动热管的蒸发段）。 具有高导热率的金属被广泛用作将热量从热负荷传递到热管蒸发部分的介质。嵌入热管的铜底座被广泛用于传递微电子的热量。基于热管的托架可以操作以将热量从热负载散发到热母线。支架的配置取决于热负荷的结构。在当前的模拟中假设该支架是理想的，因此可以将其视为简单的热阻，从而：
（1）
其中Rcra是支架的热阻，Xcra是支架的厚度，Acra 是垂直于热流方向的表面积， Kcra 是支架的热导率。选择支架的整个系统温度作为输出，以便：
（2）
其中TBI是热母线输入温度。
3.2.热总线
热总线由多个与热负荷热接触的U型脉动热管组成。脉动热管中部分填充有工作流体。根据预期的热负荷的额定工作温度范围（在此情况下为电动机）指定工作流体。一旦热负荷产生热量，蒸发器区域内的蒸汽压力就会迅速增加。蒸气塞和液体塞之间的压力差将蒸气保持在一端，并使液体流向管道的另一端。液体部分冷凝器向环境或热交换器释放潜热。蒸汽始终在分流管处暴露于液体中，在分流管处，由于蒸发器和冷凝器部分之间的温差，蒸汽不断冷凝或液体持续蒸发。热管冷凝器部分始终暴露在周围环境中或连接到外部散热器。在开发的数值模型中，基于热管的热总线连接到了一个热交换器。图4显示了脉动热管的示意图，其中Lh是蒸发器长度，Lc是冷凝器长度。由于部分填充，管中既有液体也有蒸气。图4b中所示的直管显示了冷凝器，蒸发器和脉动热管模型的总长度。
出于实际考虑，之后将脉动热管模型[12]用于每个单个热管。该模型的摘要如下所示，更多细节可以在引用中找到。为了当前的研究目的，仅开发了基于热管的热总线模型（而将来的工作可以将热管结合到支架和/或热交换器中）。
a.
b.
图4. U形脉动热管的示意图-（a）U形脉动热管，以及（b）液塞的控制体积。
建立U型脉动热管的数学模型需要六个基本假设来简化问题：
A.1: 蒸气遵循理想的气体定律。
A.2: 液体不可压缩。
A.3: 液体和蒸气之间的质量传递很少,不会影响液体的总质量。
A.4: 蒸发和冷凝传热系数为常数。
A.5: 液体只有在蒸发器部分中时才发生蒸发，而蒸气只有在冷凝器部分中时才发生冷凝。
A.6: 热管是理想绝缘的。
一旦热源产生热量，工作流体就会积聚在液体冷凝器段中，同时蒸汽占据蒸发器段的体积，如图4a所示。 由于液体是不可压缩的，并且液体和蒸气部分之间的质量传递被认为是微不足道的，所以可以认为液体块是管中的颗粒。由于在冷凝器部分和蒸发器部分之间的温度差而产生的压力差，蒸气从两个蒸气侧向液体部分施加力（图4b中的黄色阵列所示）。其他影响流体运动的力还有作用在壳体上的切应力和如果管子的朝向是垂直的而受到的重力。液体的动量方程式基于牛顿第二定律表示：
（3）
其中rho;1 表示液体的密度，Lp 是液体的长度，pv1和s pv2 分别表示蒸气的左手侧和右手侧的压力。Delta;pb 项对应于弯头处的压力损失。热管的横截面积用A表示，d是管的直径。
由于管道弯曲而产生的剪切应力和压力损失为表示如下：
（4）
（5）
其中xi;是压力损失系数，ve 表示的是液体粘度。
等式（3）可以重新排列为等式（6）：
（6）
将热力学第一定律应用于蒸汽塞的能量方程式，可得出以下方程式：
（7）
（8）
求解等式（7）（8）关于等式（9）
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