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比亞迪-針對純電動車型的冷卻模塊開發(fā)
2021-11-22 16:31:59· 來源：電動學堂 作者：楊勤超等
文章來源：比亞迪汽車工業(yè)有限公司1純電動汽車冷卻散熱的特點與需求純電動汽車的冷卻散熱需求與燃油車有很大差異，燃油車使用的汽油發(fā)動機的最高熱效率約40%，而
文章來源：比亞迪汽車工業(yè)有限公司
1純電動汽車冷卻散熱的特點與需求
純電動汽車的冷卻散熱需求與燃油車有很大差異，燃油車使用的汽油發(fā)動機的最高熱效率約40%，而純電動汽車所采用的電機電控的熱效率普遍在90%~95%區(qū)間，電驅動總成的生熱量遠低于燃油車。但純電動汽車的冷卻散熱有自己獨特的需求，也面臨一些新的挑戰(zhàn)：
1)發(fā)動機的水溫在高熱負荷工況時可達100~120℃，而電機電控中的電子元器件使用壽命受高溫影響很大，一般冷卻水溫要求在60~70℃。散熱器一般布置在冷凝器后面，在外界40℃的環(huán)境下開空調時，經過冷凝器加熱的氣流可以達到60~70℃。對燃油車而言，發(fā)動機散熱器的冷卻液側和冷卻氣流側的溫差（下文簡稱液氣溫差）仍然有40~50℃，而純電動汽車散熱器的液氣溫差會小于10℃，甚至零溫差，散熱困難。
2)充電時間長一直是純電動汽車軟肋之一。近幾年，采用超大功率充電成為趨勢，當前市場上已出現200kW以上的充電功率，電池包在超大電流充電時的生熱量大大增加，早期采用循環(huán)冷卻液將電池包的熱量傳遞到前端散熱器內進行空氣對流換熱的方法已不能滿足電池包散熱要求。采用空調冷媒對電池包進行冷卻成為主流技術，這部分熱量最終轉移到冷凝器上散走，導致怠速充電時冷凝器的熱負荷大大增加。在高溫環(huán)境下，超大功率充電和空調制冷同時開啟時（下文簡稱“雙開”工況），冷凝器的熱負荷遠高于燃油車。而原地充電時沒有迎面風，冷凝器散熱條件差，成為純電動汽車冷卻散熱的重大挑戰(zhàn)。
3)為了提高充電功率，充電電壓也在提高，車輛需配置“升壓”系統(tǒng)來實現充電樁與電池包之間的電壓轉換，這個過程中也會產生熱量，需要通過冷卻系統(tǒng)散走。圖1為不同充電功率，在日光曝曬下開空調和“升壓”系統(tǒng)同時工作時，冷卻模塊的綜合熱負荷;隨著直流充電功率增加，冷卻模塊熱負荷呈線性上升趨勢。
4)純電動汽車對能耗和風阻要求更高，前艙格柵的進氣面積遠小于燃油車，對冷卻散熱不利。
5)純電動車由于沒有發(fā)動機噪聲的掩蓋，怠速時冷卻風扇的噪聲凸顯出來，因此電動汽車對怠速風扇噪聲的要求更嚴格。
綜上所述，針對純電動車型冷卻散熱的特點及需求，非常有必要開發(fā)專用的冷卻模塊，來滿足整車熱管理性能需求，同時兼顧風阻、NVH等其它性能的需求。
2現狀及問題
2.1行業(yè)現狀
當前在售的純電動車型大部分沿用與傳統(tǒng)燃油車型架構相同的冷卻模塊，將冷凝器與散熱器一前一后布置（下文簡稱“散熱器后置方案”），如圖2~3所示。
采用這種布置結構，從前格柵進入的冷卻氣流先經過冷凝器加熱，再冷卻散熱器。如前文所述，純電動車在“雙開”工況下，從冷凝器出來的風溫即可達到60~70℃，比散熱器內的冷卻液溫度還高，氣側不僅沒有散熱，反而出現“風加熱水”現象，如圖4所示。
要解決“雙開”工況下電驅動總成水溫高的問題，往往只能通過降低冷凝器的出風溫度來實現。對于冷凝器的傳熱過程，列式如下：
Qevp表示蒸發(fā)器傳遞給冷媒的熱量，即乘員艙制冷量
Qbat表示電池包傳給冷媒的熱量
Wcmp表示壓縮機消耗電功率
Qloss表示空調系統(tǒng)沿程熱損失（如管路熱損失等）
Qcnd_air表示流經冷凝器氣流從冷媒中吸收的熱量
Cp_air表示流經冷凝器氣流的比熱容
mair表示流經冷凝器的氣流質量流量
Tout_air表示流經冷凝器出風溫度
Tin_air表示流經冷凝器進風溫度
根據以上公式，為了降低冷凝器的出風溫度，主要有以下兩種方法：
1）采用更高性能的電子風扇，提高冷卻系統(tǒng)送風量mair，降低流經冷凝器的出風溫度。怠速工況下沒有迎面風，提高冷卻模塊進風量只能依靠加大電子風扇功率和轉速，但這將帶來NVH風扇噪聲加大的問題。
2）降低乘員艙制冷量Qevp或者降低用于電池包冷卻的熱量Qbat，從而減少冷凝器熱負荷，降低流經冷凝器出風溫度。但這將導致乘員艙制冷效果變差或電池包冷卻能力不足。電池包冷卻能力不足，電芯溫度過高時系統(tǒng)策略將限制充電功率以防止電池溫度過高，從而導致充電時間變長。
對市場上幾款主流純電動競品車型，針對“雙開”工況進行了對比測試，試驗在高溫環(huán)境模擬艙內進行，試驗環(huán)境溫度38℃，空調設置為最大制冷模式，陽光輻射強度1000W/m2，充電功率為車輛允許的最大充電功率。試驗結果如圖5所示，可發(fā)現在“雙開”工況下行業(yè)普遍存在散熱器水溫偏高、制冷效果差、充電時間長等問題。各競品多采用犧牲“雙開”工況下的空調制冷效果，以保證盡可能大的充電功率，降低充電時間。
注：因不同車企試驗方法和評價標準不同，充電時間和空調面部溫度不做評價。一般乘員面部溫度24℃~28℃時較舒適，僅做參考。
2.2大數據調研
“雙開”工況與車輛使用的地理區(qū)域、環(huán)境溫度、用戶使用習慣、充電條件等多個因素有關，為研究“雙開”工況在用戶實際使用時出現的頻率，針對比亞迪兩款量產純電動車型進行了大數據調研，其中A車型在華南地區(qū)銷售較多，B車型在全國范圍銷售。通過大數據分析得到兩款車型用戶駕駛的實際環(huán)境溫度分布如圖6~7。在環(huán)境溫度≥35℃時，A車型出現“雙開”工況的比例為0.5%；B車型出現“雙開”工況的比例為0.03%。
綜上可知，高溫條件下的“雙開”工況在用戶實際使用中存在一定比例，此工況需要納入到純電動車型熱管理性能的設計評價體系中。
3可行性方案評估
相對于內燃機，電機的熱效率高，總生熱量小，純電動汽車的散熱器的液氣溫差小。分析某款純電動汽車用的散熱器的散熱特性試驗數據，如圖8所示，發(fā)現在影響散熱器換熱能力的三個主要因素（液氣溫差，氣側流量，液側流量）中，液氣溫差對散熱能力的影響最大，氣側流量和液側流量影響較小。增加散熱器的液氣溫差是提升換熱能力的最有效手段?？紤]在高溫環(huán)境時，冷凝器內介質的平均工作溫度要高于散熱器內介質的工作溫度，因此可以考慮將散熱器置于冷凝器之前。從前格柵進入的冷卻氣流先進入散熱器，提高散熱器液氣溫差。經過散熱器加熱后的氣流再進入冷凝器。但這會導致冷凝器的散熱變差，可將散熱器尺寸減小，減小對冷凝器的遮擋，如圖9所示。為了驗證散熱器前置方案對冷凝器進風量和進氣溫度的影響，分別采用前艙內流場三維仿真和冷卻系統(tǒng)一維仿真方法進行研究。
4仿真驗證
4.1前艙內流場三維仿真分析
前艙內流場仿真中對風扇風量的模擬精度非常重要，前人已經針對仿真軟件中不同的風扇模型，如MRF模型、風扇動量源模型及風扇瞬態(tài)模型進行了大量仿真和對標工作[5,6,7,8]。在本文中采用STAR-CCM+軟件進行仿真，風扇模擬采用行業(yè)普遍應用的MRF模型。該模擬方法在某車型的環(huán)境風洞試驗中進行了仿真對標，采用陣列布置的（8葉片葉輪，測量范圍0.5m/s~30m/s，精度±1.5%）葉輪式風速儀，風速儀的布置位置在冷凝器前，如圖10所示，風速的仿真誤差平均約10%，如圖11~12所示。
基于某款純電動A級轎車模型進行前艙內流場仿真，分別對采用“散熱器前置”方案和“散熱器后置”方案的冷卻模塊的進風量進行仿真，其中“散熱器前置”方案中散熱器芯體尺寸按照芯體比傳統(tǒng)方案減小一半進行CFD仿真分析對比，后續(xù)基于一維冷卻系統(tǒng)仿真模型精細化匹配分析散熱器前置后的芯體尺寸需求。
從進氣格柵到冷卻模塊之間的進氣通道采用傳統(tǒng)的密封方案，即在上下左右均設計獨立的拼接式的導流板，如圖13~14所示。結果發(fā)現采用“散熱器前置”方案可顯著提高冷凝器的通風量，如圖15所示。
雖然散熱器前置后，會部分遮擋冷凝器，但由于散熱器減小，冷卻模塊由原來的兩層換熱器變?yōu)橐粚影?，整個模塊的流動阻力降低，冷凝器的通風量反而上升。
純電動汽車對風阻的要求通常更高，為減少前艙內流阻力，進氣格柵的開口面積明顯小于燃油車，通常只在前保險杠下部設計進氣格柵，只有冷卻模塊下部正對迎風氣流，從而導致冷卻模塊表面的風速均勻性要低于燃油車。而風速均勻性的降低會使冷卻模塊的通風量降低，因此如何提高散熱器和冷凝器表面的風速均勻性也很重要。采用密封效果更好的全密封導流罩是一種很有效的措施，它可以減少前格柵冷卻氣流的泄漏，提高氣流經過冷卻模塊的利用率。如圖16和圖18所示，該導流罩采用一體密封成型，密封效果優(yōu)于傳統(tǒng)的拼接式導流板。同時本文也考慮了將冷卻模塊傾斜布置的方案（簡稱“散熱器前置+全密封罩+傾斜”方案，如圖17），圖19為不同方案的冷卻模塊進風量。圖20~23為車速0km/h、140km/h，冷卻風扇全開時冷卻模塊傾斜方案對模塊風速均勻度的影響。
綜上可知：
1）采用散熱器前置方案的冷凝器進風量，比散熱器后置方案增加4%~8%，其中車速0km/h時（對應“雙開”工況）進風量增加比例可達6%。在不增加風扇功率的前提下可有效提升冷凝器的進風量。
2）采用“散熱器前置+全密封罩”方案，可以減少從前格柵到冷卻模塊之間流道的氣流泄漏，冷凝器進風量可增加約17%。
3）采用“散熱器前置+全密封罩+傾斜布置”方案，冷凝器表面風速均勻性提升明顯，冷凝器進風量可增加20.5%~22.6%。
4.2冷卻系統(tǒng)一維仿真分析
采用AMEsim軟件搭建電動力總成冷卻系統(tǒng)和空調系統(tǒng)的一維模型，研究不同冷卻模塊布置方案對空調能耗的影響。因為研究重點在于不同冷卻模塊布置形式對散熱器散熱、冷凝器散熱和壓縮機功耗的影響，為了提高仿真效率減少不必要的變量，本次仿真模型中未建立電池包內部詳細的冷卻系統(tǒng)模型，僅建立電池包板式換熱器模型用以模擬電池包熱負荷傳遞到空調冷媒系統(tǒng)的傳熱模型，如圖24。
在一維仿真模型中考慮環(huán)境溫度、車速、動力總成熱負荷等變量，綜合評估不同整車負荷下的整車熱管理性能表現。首先為了確定散熱器前置對芯體尺寸的實際需求，利用一維仿真驗證了不同散熱器芯體尺寸下電驅動總成水溫，如圖25。綜合考慮減小前置散熱器的尺寸對冷凝器的遮擋效應，“雙開”工況電驅動總成水溫，以及高速大負荷時電驅動總成的散熱需求，最終選定前置散熱器的芯體尺寸減小1/2的方案。
為了驗證散熱器前置后對空調系統(tǒng)散熱能力影響，選取大負荷高速爬坡工況（環(huán)境溫度43℃，車速80km/h，爬坡度5%，陽光輻照強度1000W/m2），對不同冷卻方案進行一維仿真對比分析。
高速爬坡工況對電驅動總成輸出功率需求較大，導致散熱器散熱負荷需求較大，因此分析高速爬坡工況下不同冷卻模塊方案對空調系統(tǒng)壓縮機能耗影響，具備較高的對比性和代表性。
在一維軟件中分析“散熱器前置方案”配合不同的導流密封方案及傾斜布置方案對空調系統(tǒng)能耗影響，仿真結果顯示：高速爬坡工況下采用“散熱器前置+傳統(tǒng)導流密封”方案壓縮機能耗僅略微增加0.1%，而采用“散熱器前置+全密封”和“散熱器前置+全密封+傾斜”方案壓縮機能耗分別可降低3%和5%，如圖26。這主要得益于“全密封”對導流冷卻模塊導流密封性能提升和“傾斜布置”對冷卻模塊進風風速均勻性提升兩個方面，最終實現冷凝器進風量顯著提高，如圖19。
為了全面驗證“散熱器前置”、“全密封罩”及“傾斜”方案對電驅動總成散熱影響，基于“雙開”工況、低速爬坡、高速爬坡和高速工況，分別在一維冷卻系統(tǒng)匹配模型中進行仿真分析，評估結果如圖27~28。
采用“散熱器前置+全密封罩+傾斜”方案的電驅動總成散熱器，雖然進風量比“散熱器后置方案”在不同的整車工況下進風量會損失50%~70%，但進風溫度同時可降低15℃~20℃，在水溫最高的“雙開”工況，水溫可降低19.6℃，在其它大負荷行車工況水溫可降低4~8℃。
綜上，采用“散熱器前置”方案不僅避免了“雙開”工況出現“風加熱水”的問題，對空調能耗也基本無影響。而采用“散熱器前置+全密封罩”方案在不同的熱負荷工況下可顯著改善空調能耗3%~5%，如可進一步傾斜布置，空調能耗可降低5%~10%。
5實車驗證
5.1試驗方案
冷卻模塊傾斜布置對前艙總布置空間的要求較高，改車難度大，下文試驗部分僅針對散熱器前置和全密封導流罩方案，在實車上更換冷卻模塊進行試驗。驗證方案及內容如圖29所示。
注：
a)高溫能耗試驗方法參照EV-TEST試驗方法；
b)空調降溫性能試驗方法參見《QC/T658-2009汽車空調制冷系統(tǒng)性能道路試驗方法》；
c)熱平衡性能試驗方法采用企業(yè)標準。
d)○代表對應方案進行此項性能試驗
e)●代表對應方案未進行此項性能試驗
為了提高對比試驗的有效性，減小變差，針對單一方案的驗證均保證以下對比因素：
1)使用同一車輛
2)同一環(huán)境艙
3)相同的測試傳感器
4)車輛試驗前進行充分保溫，保證乘員艙、電池包起始溫度一致
5)兩輪對比試驗間隔時間盡可能短
5.2“散熱器前置”方案
（1）整車熱平衡性能
為了評估“散熱器前置”方案的電驅動總成的散熱能力，首先進行整車熱平衡性能試驗，試驗工況包括高速、高速爬坡、中速爬坡、低速爬坡、急加速減速及“雙開”工況，同時為了驗證“散熱器前置”方案對不同環(huán)境溫度市場的適用性，同時針對中國市場和中東市場進行了試驗對比，如圖30。在散熱器與冷凝器之間，以及未被散熱器遮擋的冷凝器前各布置3個T型熱電偶，用于測量冷凝器前的進風溫度，如圖31。分析數據可知：
1)在行車熱平衡工況下，“散熱器前置”方案中冷凝器局部（散熱器遮擋部分）進氣溫度上升1.5℃~2℃，電驅動總成水溫變化+2℃~-3℃，如圖32~33。
2)“雙開”工況，“散熱器前置”方案電驅動總成水溫可降低10℃~20℃，如圖33。
3)行車熱平衡工況下壓縮機能耗增加0.2%~0.4%，如圖34。
“散熱器前置”方案在高速行駛和高速爬坡工況，水溫略高于“散熱器后置”方案，這主要和電驅動總成生熱量相對于其它工況更大，而散熱器尺寸較小有關，但水溫均在要求范圍以內，可以滿足全球最嚴酷的中東市場環(huán)境溫度要求。在“雙開工況”，電驅動總成水溫明顯更低，可解決“散熱器后置”方案中東市場電驅動總成水溫報警問題，同時對改善乘員艙制冷及電池冷卻效果有幫助，如圖33~35。
（2）整車空調降溫性能
在整車環(huán)境模擬艙內進行整車降溫性能試驗，利用HIOKI功率分析儀（PW6001，功率測量精度±0.05%）采集壓縮機輸入端電壓、電流。從降溫效果及空調系統(tǒng)能耗兩個方面對“散熱器前置”方案進行試驗對比分析，評價子指標主要包括：降溫速率、行車維溫、怠速維溫及壓縮機能耗等，通過試驗對比分析結論如下：
1)乘員艙內的制冷效果基本相當；如圖36中乘員面部平均溫度的降溫曲線
2)由于兩次試驗電池包冷卻的開啟時間長度和能耗不同，“散熱器前置”方案的壓縮機能耗略低，但這無法表明其與冷卻模塊布置方案的關系；
3)冷凝器前（散熱器遮擋部分）的進風溫度上升＜1℃。
（3）高溫能耗試驗
按照EV-TEST針對電動車高溫續(xù)航測試標準要求，對兩個方案分別進行高溫能耗測試。試驗共行駛10個NEDC循環(huán)（1個NEDC循環(huán)約11km）進行對比測試。
試驗中針對能耗數據采集，通過HIOKI功率分析儀（PW6001，功率測量精度±0.05%）在配電箱輸入、輸出端采集電池包輸出端、壓縮機輸入端、電控輸入端、低壓DC輸出端的電壓、電流進行，如圖37。
試驗車型的電池包冷卻采用液冷方案，即在板式換熱器內先用空調冷媒冷卻電池包的冷卻液，再用冷卻液循環(huán)冷卻電芯。
為了避免試驗過程中可能因電池包冷卻狀態(tài)不一致導致的能耗差異問題，分別增加了一輪屏蔽電池包液冷的對比試驗，試驗顯示“散熱器前置”方案能耗表現更優(yōu)，屏蔽電池冷卻后熱管理系統(tǒng)能耗（包括壓縮機能耗、電子風扇能耗、空調鼓風機能耗、電子水泵能耗）可降低約5%，如圖38。
綜上，“散熱器前置”方案在整車熱平衡性能、整車空調降溫性能和高溫能耗方面存在很大優(yōu)勢，并可滿足中東等高溫市場的散熱需求，空調制冷能力相當，而空調能耗更低。
5.3“全密封罩”方案
繼續(xù)對“全密封罩”方案進行試驗對比驗證，在冷凝器前正對下格柵中間位置和冷凝器上部1/4位置各布置3個測點，如圖39。試驗顯示采用全密封罩對散熱和空調能耗改善明顯：
1)高溫能耗測試中，空調系統(tǒng)能耗降低8%，如圖40；
2)低速爬坡工況，電總成水溫下降6℃，壓縮機功率下降17%；
3)“雙開”工況下，空調制冷效果明顯改善，電池溫度明顯降低，充電時間減少42%，如圖41。這是由于“雙開”工況由于沒有迎面氣流，風扇排出的部分熱風會回到散熱器前，導致“熱回流”，而全密封導流罩可顯著改善熱回流，冷凝器前進風溫度明顯下降，如圖42。
4)
5.4“散熱器前置+全密封罩”的綜合影響
將“散熱器前置”和“全密封罩”進行合并驗證，在散熱器與冷凝器之間布置3個T型熱電偶，用于測量散熱器前置后冷凝器局部進風溫度，如圖43。試驗方案及流程與前面兩輪試驗保持一致。
最終方案驗證結論如下：
1)高溫能耗工況下熱管理系統(tǒng)能耗可降低11.5%，如圖44。
2)“雙開”工況壓縮機功率可降低10%，電驅動總成水溫可降低15℃，如圖45。
3)熱平衡大負荷爬坡工況下，壓縮機能耗可減小7%~7.88%，如圖46。
4)在行車熱平衡工況下，冷凝器局部（散熱器遮擋部分）進氣溫度上升約0.5~1.5℃，如圖47所示。
綜上所述，采用“散熱器前置+全密封方案”不僅解決了“雙開”工況下電驅動總成水溫高問題，同時對于改善高溫熱管理系統(tǒng)能耗有較大幫助。且“散熱器前置后”芯體尺寸可縮小一半，有利于冷卻模塊減重降本。另外，采用“散熱器前置+全密封方案”不需要額外提高電子風扇轉速和功率，不會影響整車NVH性能。
6總結
本文從純電動車車型的熱管理特點和需求出發(fā)，結合用戶大數據信息，識別出純電動車型在”雙開”工況下面臨的嚴峻的散熱挑戰(zhàn)，為了開發(fā)針對純電動車型的冷卻模塊架構，分別利用仿真分析和基于實車的試驗對比，進行充分詳細的論證。最后發(fā)現，“散熱器前置+全密封罩”方案可以很好的適用純電動車型，不僅可以解決“雙開”工況的散熱挑戰(zhàn)，同時有利于降低高溫熱管理系統(tǒng)能耗。
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