车辆冷却系统发展趋势

车辆冷却系统发展趋势夏立峰2013.11目录-2-一．传统燃油车辆热管理技术二．节能与新能源车辆热管理技术一．传统燃油车辆热管理技术二．节能与新能源车辆热管理技术目录3主要研究工作车辆（发动机）热系统热状态变化规律研究冷却介质传热、流动特性研究冷却回路传热、流动研究高效热交换器技术研究高效水泵、风扇技术研究隔热与废热回收利用冷却系统集成设计分析与试验技术冷却系统智能控制技术一、传统燃油车辆热管理技术4基础工作：了解系统的热平衡状况（以发动机为例）追求经济性绝热发动机高温冷却一、传统燃油车辆热管理技术5对流散热机油散热冷却液散热排气散热发动机有效功基础工作：掌握系统流动传热规律（以发动机及其舱室为例）发动机多缸CFD分析汽车发动机舱热管理分析发动机舱速度矢量图从CAE/CFD的技术发展上讲，大规模复杂模型（数亿网格）生成的自动化、高速化，及其超级并行计算（数百CPU以上），结构、流体、热、电磁场、声学等多学科耦合解析是趋势一、传统燃油车辆热管理技术6商用软件：KULIGT-COOL先进理念：整车系统集成设计分析一、传统燃油车辆热管理技术7统一冷却介质的冷却系统利用一种冷却介质（发动机冷却液）来冷却车辆中需要冷却的所有流体，如增压空气，制冷剂，油、废气、燃料等。径流式紧凑冷却系统试验发现比传统轴流式冷却系统性能优异，散热性能提高42％，噪声降低6dB，功率消耗降低30％。德尔福公司提出的CFRM模块，即冷凝器，风扇，水箱顺序排列模块比传统的CRFM结构（冷凝器，水箱，风扇顺序排列模块）性能更加优异。JohnsonElectric公司(2003)开发了一种冷却风扇模块，把风扇、电机、控制电路等封装在一起，可以编程精确控制发动机、散热器、发动机舱室的温度。先进理念：模块化设计一、传统燃油车辆热管理技术8液态氦：1998年，英国布里斯托尔大学航天系，开发的微型汽车散热器只有一个火柴盒大小，体积为普通汽车散热器的1‰，散热能力却与后者不相上下。由细微的不锈钢管组成，中间装有液态氦。高温冷却介质：醇类纳米流体冷却介质：2001年，美国ValvolineOilCompany，ArgonneNationalLaboratory---减少传热工质用量，减少泵功率。发动机机内传热变量泵和电控阀使核态沸腾冷却成为可能，冷却液流量从传统的对流冷却方式的2.0~2.6L/min·kW降到1.0L/min·kW，显著减少泵送功耗。先进技术：强化传热新型冷却介质开发一、传统燃油车辆热管理技术9热交换器的强化传热先进技术：强化传热一、传统燃油车辆热管理技术通过把换热器材料变得更薄、增加单位面积上的翅片数和面积、采用切口散热表面、表面粗糙化处理，延展表面等增加散热能力。被动强化传热技术通过流体诱导传热元件振动来提高换热系数复合强化传热技术通过改善流体速度场与温度梯度场的协同程度来提高对流换热系数和换热器的传热性能－－场协同理论。主动强化传热技术利用石墨发泡材料（GraphiteFoams)制造换热器，该材料的传热系数比铝大，而比重小得多。高效紧凑型热交换器技术10•机油冷却器：–不锈钢油冷器→铝油冷器•EGR冷却器：两级冷却–EGR冷却器的高温部分设计成单回路顺流以避免沸腾–EGR冷却器的低温部分设计成逆流•空空中冷器–乘用车中冷器•全铝制•压力1.5Bar→2.5Bar–铜硬钎中冷器•能经受260℃•高可靠性•水箱–芯子减薄：10毫米厚，重量减轻25%–水室材料：从塑料回到金属材料，考虑可回收–植物提取的树脂散热器水室–铝散热器取代铜散热器–装配式向钎焊式转变风扇、水泵等零部件的可调可控、电动是趋势乘用车普及采用电子风扇，其效率高达80％左右；商用车采用温控液力驱动风扇、电磁离合器风扇等。传感器（控制系统的信号）各相关系统部件温度传感器、车速传感器、气缸垫片温度传感器。案例：VALEO公司的THEMIS系统DANA公司的智能冷却系统一、传统燃油车辆热管理技术先进技术：电控零部件12DANA公司的智能冷却系统一、传统燃油车辆热管理技术13智能冷却系统减排成效（Valeo公司数据）一、传统燃油车辆热管理技术14智能冷却系统节能成效（Valeo公司数据）一、传统燃油车辆热管理技术15智能冷却系统提高发动机运行可靠性（Valeo公司数据）一、传统燃油车辆热管理技术16智能冷却系统•Dana提出两种方案：–智能冷却：电动泵取代常规的机械油泵，节省2-5%的燃料，•电动水泵•电子风扇–智能润滑：节省2%的燃料。•电动油泵•“智能-密封垫”•Visteon开发的精密冷却系统–节省5%油耗，减少碳氢化合物–通过电控模块集成到冷却元件上以提高冷/热系统的性能。–核心是软件，控制冷却液体，控制风扇、水泵的速度和冷却液进而有效控制发动机温度、油耗和热量。可以实现三种操作模式：启动、慢速、加度。–更有效的利用燃料及热能。包括降低燃料消耗及废气排放，并提高座舱舒适度。一．传统燃油车辆热管理技术二．节能与新能源车辆热管理技术目录18二、节能与新能源车辆热管理技术电驱动汽车的类别19无论混合动力汽车（HEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）、纯电动汽车（BEV）、燃料电池汽车（FCEV）的热管理系统具有共性问题，比如：动力电池的热管理驱动电机的热管理电力电子及控制系统(PowerControlUnit)的热管理空调系统HEV和PHEV中传统内燃机热管理和FCEV中的燃料电池堆热管理总体趋势：模块化、系统化、智能化二、节能与新能源车辆热管理技术20输出功率[%]冷却液热损失[%]废气热损失[%]冷却液温度[℃]汽油机25%30%40%100柴油机39.8%38.718.1100电力电子PowerElectronics90%10%NA65电动机/发电机ElectricMachine90%10%NA65动力电池充放电效率有最佳温度范围燃料电池PEMFC43-58%约50%少量55-75，温差小于10发动机/电机/电力电子控制装置的热负荷：效率及冷却介质温度估值热负荷估算二、节能与新能源车辆热管理技术21二、节能与新能源车辆热管理技术控制器热管理：元器件性能稳定性、寿命22•基于DSP的多功能全数字控制电路小型化与EMC技术•叠层母排与电解电容/膜电容模块化结构设计技术•电力电子集成控制器的高换热系数的热管理技术•电力电子集成模块多参量（电气参数、温度场）实验测试方法2004Priuscoolingloopandheatflowforthehybridsubsystems电机热管理：效率，性能稳定性（可靠性），使用寿命定子冷却器二、节能与新能源车辆热管理技术23温度高于40℃时会导致电池寿命大大减小低温时电池可使用电能很少低温时充电会使得电池老化加速….性能、安全性、可靠性、耐用性20电池热管理CycleLifeexpectancyforLi-Ionbatteriesasfunctionofpowerfade(Koehler,2010)(A.Pesaran–NREL,2003)LifespanofLi-Ioncellsasafunctionofthestoragetemperature(60%SOC)二、节能与新能源车辆热管理技术24电池组热管理系统要求具有五项主要功能电池温度的准确测量和监控电池组温度过高时的有效散热低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作有害气体产生时的有效通风保证电池组温度场的均匀分布二、节能与新能源车辆热管理技术25冷却要求：锂电池的最大温度40℃每个单元内的温差5-10℃单元间的温差5℃集成空调技术二、节能与新能源车辆热管理技术26电池冷却器•将电池中产生的热量传递到汽车温度控制系统，延长电池寿命•采用铝钎焊技术，有助于保持温度控制和电池冷却剂的清洁，可使用电介质冷却剂•专用铝合金具有优异的材料强度并有助于减轻重量•紧凑式设计提供了封装的灵活性BEV、HEV电池冷却器电池深冷器水冷电池冷却系统第二水路循环冷却优点：电池年度平均能量效率高；电池模块结构紧凑；冷却效果优异；能集成电池加热组件，解决了在环境温度很低的情况下，加热电池的问题。缺点：系统复杂，多了很多部件，如水泵，阀，低温水箱，成本增加。深冷器，冷却器整体电池冷却板•将热量从方形蓄电池表面传递给子冷却剂冷却回路。•冷却板与方形锂电池交错连接。•涂层为整个电池组提供电气绝缘。•高精度的冲压板使冷却器的装配高度小于1毫米。•流道设计使整个冷却板和电池组的温度变化降至最低。•与冷却器匹配形成完整的热管理系统。HEV&EV整体电池冷却板电子冷却板•高导电铝钎焊结构能在整个基板上提供恒定和均匀的温度，而基板由一个整体式乙二醇冷却剂回路进行冷却。•采用钎焊使安装更简单。•大块基板简化了电子元件的安装；并可预先按规格进行钻孔。•专门设计用于逆变器的电子元件冷却。电子冷却板电机定子冷却器•为定子线圈提供直接冷却并防止起动发电机组件过热，甚至发动机频繁启动也安然无恙•结构紧凑、重量轻、全铝封装•独特的内表面在冷却剂流速较低的情况下仍可使热传递达到最大化定子冷却器特殊形状冷却器的设计和制造技术发动机ECU冷却器•特殊的液冷基板直接与发动机控制电脑连接以确保电子元件不会过热•为之提供燃料柴油以用作基板的间歇性冷却剂•重量轻、灵活的设计可安装在各款汽车上使用•可将冷却系统固定在汽车设计允许的地方发动机ECU冷却器子冷却回路水箱•可提供比主水箱更低的冷却温度•设计用于流速型电动水泵，但其安装配置和尺寸适合任何汽车•有水与乙二醇两种冷却剂选择•全铝设计非常适合用于混合动力汽车•标准尺寸使市场推广速度更快和加工成本低子冷却回路水箱燃料电池堆换热零部件ModineFCEVThermalManagement•总冷却模块–高性能电池堆冷却器–框架结构及风扇–冷却液罐和管–集成式驾驶舱通风系统•标准的车用换热器–满足燃料电池清洁标准燃料电池堆换热零部件燃料电池堆中换热器部件•阴极空气冷却装置–空空冷却器–液（水）空冷却器–集成式消声器和谐振器•氢气和水预热器、蒸发器与混合器–管式的–微通道式的•水管理装置–阴极冷凝器–雾化加湿器–水分离器回热器燃料电池热管理系统零部件1.发电机2.进气3.压缩机4.空气换热器5.助燃室6.涡轮增压器7.回热器8.废气9.换热器10.废气出口11.出水12.进水①要保证电池不超过40℃，冷却空气来自何处？②要保证冷却均匀，冷却空气如何流动，电池如何布置？1）电池模块空气冷却系统二、节能与新能源车辆热管理技术3728电池冷却案例TOYOTAPRIUSⅡ镍氢电池组--乘员舱空气冷却二、节能与新能源车辆热管理技术38在该散热模式下，冷空气从左侧吹入从右侧吹出。空气在流动过程中不断地被加热，所以右侧的冷却效果比左侧要差。电池箱内电池组温度从左到右依次升高。电池模块串行通风示意图应用：第一代丰田Prius第一代本田Insight风冷电池模块结构BEV：NissanLeaf二、节能与新能源车辆热管理技术39并行通风方式可以使得空气流量在电池模块间更均匀地分布。需要对进排气通道、电池布置位置进行很好的设计。其楔形的进排气通道使得不同模块间缝隙上下的压力差基本保持一致，确保吹过不同电池模块的空气流量的一致性，从而保证了电池组温度场分布的一致性电池模块并行通风示意图应用：丰田PriusTHSII，THSIII风冷电池模块结构二、节能与新能源车辆热管理技术40c.基于制冷剂的直接冷却优点:电池的冷却器和空调主系统并联在一起，结构简单，只需要两条制冷剂的管道；电池内部温度分布均匀；冷却效果好缺点：空调系统服务两个对象，调节比较复杂——空调不工作时，难以冷却电池；难以集成加热组件，在冬天可能导致电池效率低下2）基于制冷剂的电池直接冷却系统二、节能与新能源车辆热管理技术4131锂电池直接冷却剂冷却案例-MBS400最大扭矩二、节能与新能源车辆热管理技术4226电池冷却案例商用车中的热系统(Ackerl-ECS,2010)乘客舱空调系统修改二次回路冷却高温时空调回路