日益严苛的能源危机与排放法规对现代汽车提出了更为苛刻的要求,新一代智能汽车热管理已不仅限于单纯解决发动机散热问题,而是涉及可靠性、动力性、经济性、排放、舒适性等多项性能的重要整车开发技术。整车集成热管理包含发动机冷却、机油冷却、空调制冷、暖通供热、增压中冷、低周热疲劳与热伤害等内容,对于混合动力和纯电动等新能源车型还包括电机冷却、电机控制器冷却与动力电池温控等。集成热管理系统不仅应满足各子热力系统极限工况的设计性能,还需同时兼顾动态温度控制稳定性与整车能耗,最终实现“系统热设计”、“动态热管控”、“能耗热优化”三大热管理核心技术问题的协同解决与统筹管理,综合优化车辆整体性能。本文以整车热管理优化设计为目的,创新性提出IVTM(Integrated Vehicle Thermal Management)技术解决方案,依托多维度数值计算耦合与多目标协同优化控制,将系统设计、方案评价、性能分析、动态控制、协同优化进行集成。通过基于整车全工况的集成热管理协同控制策略,实现兼顾系统设计性能、热管控性能和经济性等多项评价指标的综合改善。根据IVTM方案的主体技术路线,本文开展如下具体研究工作。以ICEV(Internal Combustion Engine Vehicle)发动机冷却和空调为主体研究对象,通过系统及其部件传热、流动、能量转化的理论计算和试验数据,建立集成热管理系统1D数学模型,描述系统热力学状态和流动状态。应用3D CFD仿真计算,研究怠速、爬坡、高速行驶三种典型车辆工况的动力舱气动耦合传热问题。从流动强度、新风进气比重、舱内整体平均温度、气动耦合传热途径四个角度解析整车集成系统耦合传热机理。并提出适用于普遍工况的耦合因子表征方法,与1D系统模型共同构建基于整车分析的1D/3D耦合计算方法。以整车道路试验为依据对1D/3D耦合计算方法进行验证,验证结果表明该方法具有较高的计算准确性与仿真置信度。针对“系统热设计”问题,本文以发动机冷却液温度和乘员舱温度为评价指标对集成系统进行整车热适应工况校核计算,发现低速爬坡为冷却系统热失效工况,怠速为空调系统热失效工况。开展基于集成系统耦合作用影响、换热器进气状态、冷却液流量特性、制冷剂流量特性的热管理系统热流变分析,明确系统热失效主要原因。此外还提出5种动力舱结构改进设计,通过不同结构的集成系统热流变特性对比,量化评价系统热管理设计优化效果。评价结果表明,导流密封方案可降低风扇匹配转速20.36%、降低压缩机匹配排量8.59%,能够同时改善冷却系统与空调系统设计性能,有利于整车热管理多系统、多工况、多指标协同优化。针对“动态热管控”问题,本文提出基于Rule-based、PID、MPC等控制算法的集成系统控制方案,以温度控制稳定性为指标对比分析各控制方案热管控性能。冷却系统风扇单一变量控制分析表明,电控风扇配合机械驱动水泵热管理方式存在低温工况发动机过度冷却问题,系统冷却液流量过大与散热器进气温度过低是导致过度冷却的根本性原因,应采用电控水泵与发动机转速解耦的方案设计加以解决。水泵风扇多变量协同方案控制分析表明,双PID控制系统存在温度跟随波动问题。以水泵转速为变量的控制方案设计具有增益符号不确定性是导致系统控制失稳的根本原因,应采用以系统热平衡状态信息为前馈的复合控制方式加以解决,如MAP+PID控制或MPC控制,从而达到提高多变量协同控制系统稳定性的目的。空调系统控制分析表明,压缩机排量离散控制方案存在乘员舱温度周期性波动问题。缩减准则约束范围虽然可以提高系统稳定性,但难以协调由于压缩机排量频繁切换所导致的NVH、可靠性与经济性等矛盾。而压缩机排量连续控制方案可根据温度反馈精准调控系统制冷剂流量,不仅良好保持压缩机平稳运行,平滑温度波动,还能避免系统过余制冷,有利于整车动态工况的制冷循环综合性能改善。针对“能耗热优化”问题,本文以执行器能耗功率为指标,以NEDC驾驶循环为分析工况,从控制器优化设计和动力舱耦合传热优化两个角度对集成系统经济性进行优化分析。在发动机冷却MPC协同控制的基础上引入系统能耗最低控制约束,构建兼顾温度稳定性与系统经济性的多目标优化控制方案。分析结果表明通过合理协调水泵、风扇功率配比,MPC优化方案可保持系统控制输出位于能耗经济区内,比MPC协同控制方案节能39.82%,比MAP+PID协同控制方案节能20.71%。基于动力舱热结构特性的能耗优化结果表明,配合动力舱结构优化改进,弱化集成系统有害传热交互,可在MPC优化方案基础上进一步提高系统经济性11.58%。空调系统能耗优化分析表明,由于精准调控制冷剂流量避免过余制冷,PID连续控制方案比高带宽节点控制方案节能36.37%,比低带宽节点控制方案节能32.56%。若配合动力舱结构优化改进,可降平均低冷凝器进气温度1.38℃,进一步提高系统经济性12.85%。本文在上述设计、控制、优化研究基础上,应用MPC控制算法提出基于整车全工况的集成热管理协同控制策略。在ICEV集成热管理中补充了怠停启动和热态停机等车辆非常规行驶工况的控制策略,实现同时兼顾控制稳定性、动态响应速度与整车综合能耗的全行驶工况协同热管理。并将IVTM技术方案拓展应用于解决HEV(Hybrid Electrical Vehicle)集成热管理控制策略问题,还针对性提出局部能耗优化方案和全局能耗优化方案。对比结果表明,两种控制策略的温度稳定性和经济性差异主要体现于发动机功率低占比区间内,全局优化方案通过合理协调电机冷却系统空气侧和流体侧换热能力以及能耗配比,具有更佳的系统稳定性和经济性,更适用于复杂的混合动力集成热管理。最后,本文针对热管理模块在整车开发系统工程中的流程定位和设计原则,阐述集成热管理技术的具体应用,并论述IVTM解决方案在整车开发中的重要工程意义。