電動汽車?yán)鋮s器開發(fā)

一、項目背景

為了進一步的減少污染以及改善歐洲市場上汽車燃油經(jīng)濟性，歐洲環(huán)境署在2014年4月24號宣布了針對歐洲汽車工業(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。美國新能源法，要求美國汽車行業(yè)在2020年前，把汽車燃油效率提高40％。按照中國的法規(guī)CAFC，2015應(yīng)當(dāng)達到的目標(biāo)是每百公里6.9升燃油，計劃在2020年達到每百公里5升燃油。

發(fā)展混合動力與純電動等新能源汽車被認(rèn)為是解決未來減少二氧化碳排放及提升燃油經(jīng)濟性的重要途徑。目前，國內(nèi)外的新能源汽車的銷量也在不斷攀升。2017年，全球電動汽車銷量達到了122萬輛，較2016年的77萬輛增長了58%。

動力電池作為純電動與混合動力汽車關(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、自放電率小、無記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等特點，在電動車和混合動力車上得到了大規(guī)模的應(yīng)用。

鋰電池的最佳工作溫度范圍為20～30℃。低溫時電池容量較低，影響其使用性能。高溫時電池循環(huán)壽命大大縮短，溫度過高時還會產(chǎn)生安全問題。再者，鋰離子電池在低于0℃充電時也存在著安全隱患。對動力電池系統(tǒng)來說，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。溫度的不同又反過來導(dǎo)致電芯及模組的性能不一致。

對電池包進行熱管理，使其盡量能在最佳工作范圍工作，提高其一致性，延長其使用壽命，避免安全問題等等，都是非常必要的。因為電池在不同溫度下的熱耗率（每產(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)境中運行，電池溫度將會顯著上升，從而導(dǎo)致電池組內(nèi)部形成“熱點”，最終可能產(chǎn)生熱失控。而電池一致性一旦出現(xiàn)問題，對于整個電池組的壽命將會產(chǎn)生很大的影響。采用“冷卻液”對電池進行冷卻的方式，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電池冷卻器（電池冷卻器）傳遞到空調(diào)制冷劑，最終通過冷凝器散失到環(huán)境中去。

一個典型的電池?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、項目主要研究內(nèi)容和技術(shù)方案

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

1、針對關(guān)鍵冷卻換熱器部件，建立基本的開發(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，對水冷板流體建模，來模擬冷卻液在水冷板內(nèi)的流場，去除流動死角，優(yōu)化流量分配，優(yōu)化局部阻力損失，以達到性能與阻力的最優(yōu)化。

也可通過水冷板與電池包的整體建模，流固耦合，對整個電池模組及冷卻系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的傳熱模擬，實現(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，特別是對于耐壓能力相對較弱的沖壓板式的結(jié)構(gòu)形式，因此，方案設(shè)計階段充分憑借FEA的手段，對水冷板表面施加流體壓力，有效評估設(shè)計方案的承壓水平，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(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。對芯片或翅片的模擬分析，主要通過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)庫后，并對經(jīng)驗公式模型進行性能修正，可以實現(xiàn)Chiller性能的快速計算，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性能計算過程。



圖2.1 Chiller性能計算過程

設(shè)計開發(fā)階段，Chiller可靠性的評判主要在于安裝支架承受振動后的強度問題，通過FEA分析，可以得到產(chǎn)品的模態(tài)或諧響應(yīng)結(jié)果，有效評估產(chǎn)品支架強度，避免后期實際運行的失效。

低溫水箱與發(fā)動機高溫水箱具有相似的結(jié)構(gòu)，因此完全可以在開發(fā)過程中運用高溫水箱的開發(fā)經(jīng)驗與手段，再配合特殊工況的性能驗證，基本上就能滿足低溫水箱的開發(fā)。



圖2.2 基于Kuli的低溫水箱水路系統(tǒng)建模

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

針對電動汽車?yán)鋮s器，目前可在銀輪內(nèi)部完成大部分的DV測試項目。同時該技術(shù)規(guī)范來自于客戶的一般技術(shù)要求，依據(jù)此規(guī)范所開發(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到產(chǎn)品終檢的一整套設(shè)備，整個生產(chǎn)線預(yù)計產(chǎn)能50萬套/年。



圖2.3工藝過程

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

1、項目的關(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)計制造；
關(guān)鍵部件生產(chǎn)商；
熱管理系統(tǒng)設(shè)計和集成優(yōu)化；
車用環(huán)境分析與控制。

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

四、項目效益及應(yīng)用推廣前景

目前水冷板已爭取到了廣汽、上汽、寧德時代等主機廠及電池生產(chǎn)企業(yè)的大部分項目，預(yù)計產(chǎn)值可達到1億元/年。
Chiller已爭取到了吉利、廣汽、比亞迪等主機廠的多數(shù)項目，并實現(xiàn)了部分項目的小批量生產(chǎn)，預(yù)計產(chǎn)值可達到5000萬元/年。
低溫散熱器也爭取到了廣汽、上汽、吉利等客戶的大量項目。

同時這些冷卻器產(chǎn)品目前還在積極爭取的項目非常多，隨著電動汽車的快速發(fā)展，各大主機客戶對于電動汽車平臺的不斷拓展與開發(fā)，產(chǎn)量不斷擴大，相信在未來3~5年內(nèi)，電動汽車?yán)鋮s器業(yè)務(wù)還將迎來很大的增長，預(yù)計未來3~5年內(nèi)將達到3~5億元/年的銷售規(guī)模，市場前景非常廣闊。