電動(dòng)汽車?yán)鋮s器開(kāi)發(fā)

一、項(xiàng)目背景

為了進(jìn)一步的減少污染以及改善歐洲市場(chǎng)上汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，歐洲環(huán)境署在2014年4月24號(hào)宣布了針對(duì)歐洲汽車工業(yè)的最新的二氧化碳排放法規(guī)。

2015以及2021年的目標(biāo)相對(duì)于2007年分別要減少18%和40%。如果換算成油耗，2015年的二氧化碳排放限值相當(dāng)于每百公里5.6升汽油或者4.9升柴油。

2021年的二氧化碳排放限值相當(dāng)于每百公里4.1升汽油或者3.6升柴油。美國(guó)新能源法，要求美國(guó)汽車行業(yè)在2020年前，把汽車燃油效率提高40％。按照中國(guó)的法規(guī)CAFC，2015應(yīng)當(dāng)達(dá)到的目標(biāo)是每百公里6.9升燃油，計(jì)劃在2020年達(dá)到每百公里5升燃油。

發(fā)展混合動(dòng)力與純電動(dòng)等新能源汽車被認(rèn)為是解決未來(lái)減少二氧化碳排放及提升燃油經(jīng)濟(jì)性的重要途徑。目前，國(guó)內(nèi)外的新能源汽車的銷量也在不斷攀升。2017年，全球電動(dòng)汽車銷量達(dá)到了122萬(wàn)輛，較2016年的77萬(wàn)輛增長(zhǎng)了58%。

動(dòng)力電池作為純電動(dòng)與混合動(dòng)力汽車關(guān)鍵部件，其技術(shù)發(fā)展一直影響著新能源汽車的發(fā)展，目前為止，鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率小、無(wú)記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，在電動(dòng)車和混合動(dòng)力車上得到了大規(guī)模的應(yīng)用。

鋰電池的最佳工作溫度范圍為20～30℃。低溫時(shí)電池容量較低，影響其使用性能。高溫時(shí)電池循環(huán)壽命大大縮短，溫度過(guò)高時(shí)還會(huì)產(chǎn)生安全問(wèn)題。再者，鋰離子電池在低于0℃充電時(shí)也存在著安全隱患。對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電芯及電池模組的一致性是至關(guān)重要的。而電池在使用過(guò)程中不可避免的要產(chǎn)生熱量從而導(dǎo)致電池溫度升高。由于電芯或電池模組的位置不同，散熱情況不同，從而導(dǎo)致其溫度不同。溫度的不同又反過(guò)來(lái)導(dǎo)致電芯及模組的性能不一致。

對(duì)電池包進(jìn)行熱管理，使其盡量能在最佳工作范圍工作，提高其一致性，延長(zhǎng)其使用壽命，避免安全問(wèn)題等等，都是非常必要的。因?yàn)殡姵卦诓煌瑴囟认碌臒岷穆剩慨a(chǎn)生1kW·h的電能所消耗的熱量）是不一樣的，這是由于電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)與溫度是密切相關(guān)的。

如果電池在絕熱或者高溫等熱傳遞不充分的內(nèi)部環(huán)境中運(yùn)行，電池溫度將會(huì)顯著上升，從而導(dǎo)致電池組內(nèi)部形成“熱點(diǎn)”，最終可能產(chǎn)生熱失控。而電池一致性一旦出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)于整個(gè)電池組的壽命將會(huì)產(chǎn)生很大的影響。采用“冷卻液”對(duì)電池進(jìn)行冷卻的方式，較風(fēng)冷方式，能更好地提高電池組內(nèi)的溫度一致性。而最終的熱量是通過(guò)電池冷卻器（電池冷卻器）傳遞到空調(diào)制冷劑，最終通過(guò)冷凝器散失到環(huán)境中去。

一個(gè)典型的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻器主要包含Chiller、電池水冷板、低溫水箱。



圖1.1 典型電池液冷系統(tǒng)

二、項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容和技術(shù)方案

針對(duì)純電動(dòng)車和插電增程式電動(dòng)車的熱管理系統(tǒng)和部件，研發(fā)對(duì)象主要包括電池冷卻板、chiller冷卻器、以及低溫散熱器。研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

1、針對(duì)關(guān)鍵冷卻換熱器部件，建立基本的開(kāi)發(fā)能力

電池冷卻板主要有口琴管與沖壓板兩種結(jié)構(gòu)形式，其性能模擬主要依靠CFD的方法，對(duì)水冷板流體建模，來(lái)模擬冷卻液在水冷板內(nèi)的流場(chǎng)，去除流動(dòng)死角，優(yōu)化流量分配，優(yōu)化局部阻力損失，以達(dá)到性能與阻力的最優(yōu)化。

也可通過(guò)水冷板與電池包的整體建模，流固耦合，對(duì)整個(gè)電池模組及冷卻系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的傳熱模擬，實(shí)現(xiàn)電池模組溫度分布的最優(yōu)化。

水冷板的可靠性主要體現(xiàn)在耐壓能力上，特別是對(duì)于耐壓能力相對(duì)較弱的沖壓板式的結(jié)構(gòu)形式，因此，方案設(shè)計(jì)階段充分憑借FEA的手段，對(duì)水冷板表面施加流體壓力，有效評(píng)估設(shè)計(jì)方案的承壓水平，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

Chiller冷卻器目的芯片或翅片是影響性能的關(guān)鍵零部件。對(duì)芯片或翅片的模擬分析，主要通過(guò)CFD的方式，獲得阻力與性能的綜合優(yōu)化方案。

另外，在充分性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，形成公司內(nèi)部的性能數(shù)據(jù)庫(kù)后，并對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式模型進(jìn)行性能修正，可以實(shí)現(xiàn)Chiller性能的快速計(jì)算，產(chǎn)品的快速選型，方法可靠且效率較高，圖2.1所示為基于ε-NTU方法的Chiller性能計(jì)算過(guò)程。



圖2.1 Chiller性能計(jì)算過(guò)程

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，Chiller可靠性的評(píng)判主要在于安裝支架承受振動(dòng)后的強(qiáng)度問(wèn)題，通過(guò)FEA分析，可以得到產(chǎn)品的模態(tài)或諧響應(yīng)結(jié)果，有效評(píng)估產(chǎn)品支架強(qiáng)度，避免后期實(shí)際運(yùn)行的失效。

低溫水箱與發(fā)動(dòng)機(jī)高溫水箱具有相似的結(jié)構(gòu)，因此完全可以在開(kāi)發(fā)過(guò)程中運(yùn)用高溫水箱的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)與手段，再配合特殊工況的性能驗(yàn)證，基本上就能滿足低溫水箱的開(kāi)發(fā)。



圖2.2 基于Kuli的低溫水箱水路系統(tǒng)建模

2、建立測(cè)試能力技術(shù)規(guī)范，并形成相關(guān)部件的試制能力

針對(duì)電動(dòng)汽車?yán)鋮s器，目前可在銀輪內(nèi)部完成大部分的DV測(cè)試項(xiàng)目。同時(shí)該技術(shù)規(guī)范來(lái)自于客戶的一般技術(shù)要求，依據(jù)此規(guī)范所開(kāi)發(fā)的冷卻器產(chǎn)品，可以滿足客戶的應(yīng)用要求。
工藝路線如圖2.3所示，銀輪目前已具備從原材料檢驗(yàn)到產(chǎn)品終檢的一整套設(shè)備，整個(gè)生產(chǎn)線預(yù)計(jì)產(chǎn)能50萬(wàn)套/年。



圖2.3工藝過(guò)程

三、關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及取得的成果

1、項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)包括
關(guān)鍵部件的特性研究；
部件熱管理系統(tǒng)需滿足的要求；
關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)制造；
關(guān)鍵部件生產(chǎn)商；
熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成優(yōu)化；
車用環(huán)境分析與控制。

2、項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)包括
電動(dòng)汽車?yán)鋮s器充分結(jié)合了電動(dòng)汽車熱管理的特性，所開(kāi)發(fā)的水冷板具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、性能好的優(yōu)點(diǎn)；
電池冷卻器在有限空間布局內(nèi)達(dá)到了較高的集成度，產(chǎn)品緊湊性好；
低溫散熱器運(yùn)用了多流程、扁管打凸等技術(shù)手段，有效提升了散熱器的性能。

四、項(xiàng)目效益及應(yīng)用推廣前景

目前水冷板已爭(zhēng)取到了廣汽、上汽、寧德時(shí)代等主機(jī)廠及電池生產(chǎn)企業(yè)的大部分項(xiàng)目，預(yù)計(jì)產(chǎn)值可達(dá)到1億元/年。
Chiller已爭(zhēng)取到了吉利、廣汽、比亞迪等主機(jī)廠的多數(shù)項(xiàng)目，并實(shí)現(xiàn)了部分項(xiàng)目的小批量生產(chǎn)，預(yù)計(jì)產(chǎn)值可達(dá)到5000萬(wàn)元/年。
低溫散熱器也爭(zhēng)取到了廣汽、上汽、吉利等客戶的大量項(xiàng)目。

同時(shí)這些冷卻器產(chǎn)品目前還在積極爭(zhēng)取的項(xiàng)目非常多，隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，各大主機(jī)客戶對(duì)于電動(dòng)汽車平臺(tái)的不斷拓展與開(kāi)發(fā)，產(chǎn)量不斷擴(kuò)大，相信在未來(lái)3~5年內(nèi)，電動(dòng)汽車?yán)鋮s器業(yè)務(wù)還將迎來(lái)很大的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)未來(lái)3~5年內(nèi)將達(dá)到3~5億元/年的銷售規(guī)模，市場(chǎng)前景非常廣闊。