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                  新能源汽車熱管理系統發展對熱交換器材料的影響
                  來源: | 作者:pro5aa9de | 發布時間: 2018-11-28 | 3729 次瀏覽 | 分享到:

                  IHS預測,2017-2022年間全球汽車市場年復增長在2.1%,而純電動汽車會達到35%。而中國在此方面的發展更為迅猛,根據《汽車產業中長期發展規劃》,到2020年新能源汽車銷量要突破200萬輛,將占到總汽車銷量的7%-10%的份額。未來幾年,新能源汽車市場有望進一步實現爆炸式增長。

                  新能源汽車與傳統汽車的主要區別不僅在于新增的核心部件“三電”,還體現在重要性大幅度提升的熱管理系統。傳統汽車的熱管理系統主要為發動機、變速器的散熱系統和汽車空調,而新能源車的熱管理系統涵蓋了新能源汽車幾乎所有的組成部分,主要范圍包括動力電池、驅動電機、整車電控等等,復雜程度更高,因此成為車企開發的重點。


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                  新能源汽車的熱管理技術應用現狀及發展趨勢

                  從熱管理需求來看,新能源車熱管理系統主要包括電池包環境、功率電器元件、電機散熱、汽車空調等。其中最重要的是空調系統與電池熱管理系統。以下就來看下新能源汽車熱管理技術的變化及發展趨勢:

                  首先,乘用車行業普遍認為空調會占到整車能耗的10-20%,而在新能源車上這個比例會更高。而在空調制熱系統方面,傳統汽車與新能源汽車差異較大,新能源汽車無法利用發動機余熱,一般使用PTC加熱器或熱泵系統進行制熱。但常用的PTC加熱器耗電量較大,導致汽車的行駛里程大幅下降,因此制熱效率較高的熱泵系統將成為新能源汽車空調的發展方向。

                  其次,新能源車電池系統對于工作環境的溫度要求更加嚴格,過高或過低的環境溫度將顯著影響車輛的續航里程以及電池壽命。而目前新能源乘用車廣泛采用電池液體冷卻技術,如特斯拉和寶馬 i3 新能源車。液冷技術通過液體對流換熱方式將電池產生的熱量帶走,液體換熱系數高、熱容量大、冷卻速度快,對降低最高溫度、保持電池組溫度一致性效果更好,相較于風冷液冷方案更易實現余熱回收。相關調研數據顯示,2017年我國量產的PHEV已經100%采用了電池液冷方案,而純電動車僅僅只有6%采用液冷,2018年預計純電動車液冷的普及率會超過60%。

                  而在電機冷卻方面,新能源汽車和傳統燃油車也存在著一定的差異。格朗吉斯鋁業(上海)有限公司高級應用工程師徐坤豪認為,傳統發動機的冷卻采用的是水-乙二醇混合液對電機定子的外壁面進行冷卻(冷卻水套),這也是最簡單的冷卻方式,但更為高效的方式是把油噴到到電機內部主發熱部件進行直接接觸冷卻。目前最佳的方案是把上述兩種方案結合進行混合式冷卻,如 BorgWarner推出的P2混動系統用電機。

                  在電控方面,據相關數據統計,1970年電子部件占到整車成本的5%,2010年這一比例已經達到35%,2030年或將達到50%。而未來隨著智能化程度的提升,新能源車裝載的電子部件數量和種類更加繁多, 從功率只有幾十瓦的 LED芯片到幾百千瓦的動力電子都有應用。徐坤豪指出,液冷將是高功率電子部件的主要冷卻方案。而低功率電子部件的散熱需要創新的低成本風冷方案,在此方面格朗吉斯正在進行探索。

                  而伴隨著新的熱管理技術的出現,需要對應不同功能開發新的換熱器,這也意味著熱交換器數量會不斷增加,這給相關行業將帶來較大增長空間?!澳壳靶履茉雌嚥⑽葱纬山y一的技術路線,而不同的技術路線都會帶來不用的熱管理系統配置,因此就會帶來越來越復雜的換熱器譜系。而此對于我們來說是一個很好的機遇,我們要應對不同的新的熱交換器來做材料的開發?!毙炖ず辣硎?。


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                  汽車熱管理新趨勢下 熱交換器材料面臨的挑戰和創新解決方案

                  機遇與挑戰向來同生并存,電氣化愈演愈烈,新的架構和工況環境對熱交換器及材料均提出了較大挑戰。在日前舉辦的第十屆格朗吉斯技術研討會上,相關行業專家、學者針對此話題進行了重點探討。作為釬焊熱交換器軋制鋁材行業的領導者,格朗吉斯認為目前材料行業面臨的主要技術挑戰呈現在四個方面,并分享了相關創新解決方案。

                  挑戰一:更高的強度要求。

                  近年,出于節能減排大勢所趨,各國政府開始倡導環保型制冷劑的使用,以此代替原有的R134a。當前歐盟指令2006/40/EC已經生效,根據指令內容,自 2017年1月起所有M1 及 N1類別的新車型使用的空調必須使用 GWP <150的制冷劑。而德國亦出臺了一系列與R744汽車空調相關的國家標準。據介紹,如果制冷劑采用R744,整個制冷系統的內部工作壓力將會顯著升高。雖然通過縮小內腔體積、材料加厚進行結構設計的優化后,換熱器可以實現足夠的承壓能力,然而壁厚的增加必然會導致換熱器重量的增加。

                  此外在其他領域,例如中冷器, 增壓空氣側的入口壓力也伴隨著渦輪內壓縮比進一步提升 的需求而有繼續提高的可能,而電池外殼也需要更高的強度來抵御高溫下的熱膨脹,這些都對換熱器鋁材提出了更高的強度要求。格朗吉斯MULTICLAD?多層復合材料具有出色的強度,可以滿足熱交換器鋁材高強度要求。

                  挑戰二:更高的溫度及抗腐蝕要求。

                  隨著新技術的應用和升級,熱交換器工作溫度亦逐漸增加,而內腔會接觸到尾氣的換熱器都會面臨低PH值的冷凝產物腐蝕問題,這些都給熱換器材料帶來新的挑戰。在此方面,格朗吉斯已推出相關解決方案,并將技術延伸到之前非用鋁材熱交換器中。徐坤豪告訴,汽車里面的EGR冷卻器,其溫度非常高,腐蝕性特別強。此前業內傳統的換熱器多采用不銹鋼,近年來部分主機廠開始使用鋁材產品,格朗吉斯推出的MULTICLAD?多層復合產品同樣具有卓越的抗腐蝕性能,足以應對更高的溫度及抗腐蝕要求。

                  挑戰三:釬劑殘留。

                  鋁熱交換器的釬焊工藝較復雜,包括釬劑涂覆、干燥、熱脫脂和清洗等流程。傳統的釬焊工藝不僅會造成時間、人力和化學品的損耗,而且會產生釬劑殘留物,清理起來耗費時間,而且冷卻液系統中殘留的釬劑與冷卻液會發生輕微反應,在使用過量的情況下有加速腐蝕的可能。例如,在新能源汽車中,為了維持電系統的安全及穩定,對冷卻液的電導率通常有限定, 例如某企業要求純電動:<20 μs/cm, 燃料電池汽車:<8 μs/cm,而釬劑溶解后產生的K+會導致電導率增加。這些都對環境以及最終產品的性能和質量產生負面影響。

                  針對這一問題,格朗吉斯推出的TRILLIUM ?是一種釬焊復合層包含最優內置釬劑的材料,可以實現更好的釬焊,形成均勻的接縫,提高成品率,減少焊后表面的殘留釬劑。TRILLIUM ?固立得具有出色的釬焊活性,在次優的釬焊條件下表現優異,釬劑殘留量小于4g/m2;TRILLIUM ?潔立安是TRILLIUM ?系列的最新產品,可以保護表層下方的釬劑,焊后釬劑殘留量低于1 g/m2,可達到卓越的釬焊效果。TRILLIUM ?制成的釬焊產品的推出,讓設計傳統釬焊技術無法實現的具有更復雜結構的熱交換器成為可能。


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                  格朗吉斯 TRILLIUM ?固立得


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                  格朗吉斯 TRILLIUM ?潔立安

                  挑戰四:材料減薄的需求。

                  為了減少換熱器重量及成本, 換熱器對材料減薄有持續的需求,然而這對于換熱器的可靠性甚至換熱性能都會帶來新的挑戰,未來也將通過材料優化解決。格朗吉斯不斷挑戰制造極限,生產出應用于高溫環境下的5層合金,其令行業驚嘆的厚度僅為40微米比頭發絲還細的卷材及剪切寬度最窄為10mm的薄剪,達到國內同行之最。

                  在多年深入研發和廣泛測試的基礎上,格朗吉斯還推出創新的多孔折疊扁管,搭配格朗吉斯的專利合金MULTICLAD?,可以實現熱交換器的輕量化、成本節約并顯著提升抗腐蝕性能。與傳統的擠壓扁管相比,折疊管壁可減薄多達20%,折疊管內制冷劑的流通面積更大,制冷劑側的阻力由此可降低20%。管內較小的水力直徑,使制冷劑側的換熱受微通道流動特性主導,和一般管內流動相比,折疊管具有更優異的換熱能力。此外管材表面帶有釬焊層,可以搭配非復合翅片,結合管壁減薄的設計,用戶總的原材料采購成本可節約多達25%。


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                  “整個汽車行業正在發生快速的變化,而材料行業也在向著更輕、更節能高效及電氣化的方向努力。我們會緊跟客戶需求,提前涉入開發,以盡快適應和滿足市場的需求?!毙炖ず辣硎?。

                  綜上所述,汽車熱管理技術不僅有助于提升電量分配效率延長續航里程,在節能減排的大勢下,隨著新能源汽車技術的快速發展,在帶來較大挑戰的同時也使其面臨更多機遇和發展空間。在第十屆格朗吉斯技術研討會上了解到,多家熱交換器廠商及相關企業都在加速研發新能源車熱交換器,推動熱管理系統從傳統解決方案向新型解決方案升級,以改善熱交換器的性能,更好地應對更高的壓力、更嚴苛的腐蝕環境,同時進一步降低熱交換器的尺寸。相信在行業的共同推動下,新能源汽車熱管理技術將進入一個嶄新的發展階段。

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