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商用车热管理之冷却模块规划与成本平衡

2021-10-21 22:39:28·  来源：电动学堂  作者：王俞智  
　
文章来源：北汽福田汽车工程研究总院中重卡技术中心1概述冷却模块是商用车热管理系统中的重要部件，其结构复杂，性能要求严格，开发成本相对较高。为满足整车开
文章来源：北汽福田汽车工程研究总院中重卡技术中心
1概述
冷却模块是商用车热管理系统中的重要部件，其结构复杂，性能要求严格，开发成本相对较高。为满足整车开发需求，实现短时间、低成本、高效能的开发目标，必须要采用新的开发思路，解决冷却模块的规划与成本之间的平衡矛盾。
2冷却模块的新开发思路
第一，“换向思考、换向开发”。
之前是按整车性能需求，匹配对应性能的冷却模块，基本是一车一模块。新思路是固化冷却模块的结构、尺寸，象超市一样，选用冷却模块。这将减少供应商的开发周期、开发成本。如何选用的前提是冷却模块如何规划，要考虑冷却分配等级这个概念；
冷却分配等级就是将冷却模块分为若干轻、中、重使用范围，按整车实际销售市场工况、价格需求，匹配冷却模块，而不是按整车的性能参数计算匹配，匹配的结果有可能富余、也有可能余量很小。
第二，“规划模块、寻找成本平衡点”。对应第一措施，合理规划模块数量、品种，以预供货数量测算供应商成本和整车供货价格，供货数量多，则供应商开发产品的分摊成本就少，利润高，整车的零部件
分摊价格就可以降低，供应商的供货价格可以满足双方的需求。因此，关键要考虑规划与成本的平衡点。
平衡点是供应商的开发成本与整车的分摊价格之间的关系，影响因素是供货数量，整车的零部件通用性，核心就是模块的匹配范围规划，及模块的数量。
3从供应商角度分析成本降低
冷却主要部件一般由散热器、护封罩、中冷器、风扇、水泵、机油冷却器组成，三电的冷却包括电子扇、电子水泵、散热器、副水箱等关键件风扇、水泵基本是选用匹配，真正开发的、品种较多的是冷却模块（散热器+中冷器），一套冷却模块涉及模具十几套、工装成本近150万，制造周期在3-5个月，而且一旦冷却能力不够，需要重新开发或改进以散热器组成为例，主要零部件包括：
注塑件——尼龙66材料的上水室、下水室；橡胶件——密封橡胶圈；
冲压件——铝合金的主板、边板，钢的侧板、护板；
焊接芯子总成——由特殊铝材的冷却管、散热带装配钎焊而成；
其中冷却管、冷却带需用专用设备特殊模具制造，设备、工装成本较高，因此每家供应商所用的尺寸、结构略有不同。散热器的单体结构见下图：

这其中塑料水室、铝主板的模具复杂、开发周期、成本较高，其他附件如边板、侧板开发迅速、成本低，可随时进行；冷却管、冷却带涉及专用设备和特殊工装，只能有少量组合，不轻易开发。
影响散热器性能的主要是正面积（S=芯子宽度x芯子高度），面积越大性能相对越高。因此如固定散热器芯子宽度，仅变化散热器芯子的高度，同样可以得到不同的正面积，可对应不同的散热性能。而如果散热器宽度能固定，则塑料水室、主板等高成本、长周期零件可以实现通用，散热器的整体开发成本立刻可以降低。而且，当宽度固定后，散热器的芯子可采用通用固定装配工装，可实现模块自动化生产，极大地增加产能和降低人工成本。
因此，从供应商角度分析，散热器、中冷器等冷却模块，在固定芯子宽度，同时规划减少模块数量，是可以降低零部件的开发成本，同时可实现自动化生产，降低人工成本。下图为某公司重卡冷却模块的规划规格。

如上图冷却规划，宽度仅选用X、Y两种，芯高可以选用A、B、C三种，可实现六种模块组合，满足不同的冷却需求。
4从整车角度分析成本降低
4.1冷却模块分配等级的应用
模块等级的思维是以市场和价格为主要参考匹配依据，在满足性能的条件下，考虑余量的保留多少，以实现减低模块品种，增加供货量的目的。

以国五福康发动机为例，380马力、400马力、430马力的散热量需求分别为96kw、101kw、106kw，要求都是要满足液气温差低于60℃。从模拟分析值来看，配380马力的A、400马力的B的冷却余量都不大，而C的余量较大。如果按常规的开发方法，三个匹配方案都满足要求，就可以开发三个模块，成本、周期都要高。
如采用分配等级匹配冷却模块，那么就需要先考虑销售市场和价格，例如430马力的车是用于寒区国家，380马力销售往非洲，400马力用于国内，既需求等级分别为高、中、轻，那么，三个车可以都采用B芯高散热器，转毂试验结果虽然分别为49℃、56℃、58℃，可以满足三个市场使用，模块也可以使用一款，供应商的此次供货数量也可以增加，最终的价格也可以降低。
4.2“按模块等级选用”的开发思维
之前的整车冷却开发时，主要考虑满足发动机性能需求，满足车身、车架等空间边界需求。一款新车开发，就需要根据整车的需求匹配适合的冷却模块，匹配冷却模块过大时，表面上好像增加了成本，因此严格要求与整车性能相适应设计，经常是新开发，周期长、投入成本高，供应商短期价格难以下降。
不同排放、规格、品牌的发动机的散热量需求数值是不同，在一定功率范围内，散热量需求值相差不大。虽然发动机也有不能过冷的要求，但即使过量匹配设计，毕竟很少出现过冷现象，特别是电控风扇广泛使用之后，根据温度开关风扇、水泵，基本无过冷的现象，而且可以大幅度地降低油耗。
因此，在不考虑模块等级分配的前提下，先将冷却模块按一定的匹配范围规划开发，形成在性能需求上固定的产品。好比是超市一样，当整车有开发需求时，按性能规划范围，考虑分配等级，从现有模块中选用（可以局部结构有变化）。如此，模块减少品种、主要部件的开发，减少开发周期、减低工装模具的投入，可实现自动化生产。整车的成本和开发周期也同时降低。
归结以上，就是将现有的开发思维，从依据整车性能开发冷却模块，改变成按模块等级选用的思维。
5冷却模块的规划与成本平衡
5.1平衡点
在确定模块等级、选用模块的思维之后，就要考虑如何规划、划分模块的的问题了。
如果模块划分使用区域较小，单体模块的尺寸就小，制造成本相对较低（供应商生产成本），但模块通用性差，模块的开发数量就多，开发成本增加，零件的采购成本就高。
如果模块划分使用区域较大，模块的数量越少，为满足高等级性能需求的模块的结构尺寸就相对要大，直接材料成本就高。但模块通用性好，模块的开发数量就少，总体供货数量增加，则开发成本降低，零件的采购成本就高。

通过上图成本曲线分析，在满足成本和模块匹配范围之间，存在这一个平衡点，这个点既是最合理的采购价格，也是模块划分最合适的匹配范围。
5.2模块划分
寻求成本平衡点，既在满足性能要求的前提下，参考供货数量规划冷却模块，平衡材料成本的增加和生产、人工成本的降低，平衡供应商供货利润与整车性能余量的关系等。下图为某公司散热器模块的规划划分图表：
以“发动机功率“和固化的”散热器芯高”作为模块规划的基础，辅以发动机平台、散热器、中冷器的参数等作为模块的定义，覆盖全系列商用车。现已有产品按此规则编号，未来再开发产品主选对应规划颜色范围设计。原来计划开发的散热器方案为52个，通过合理规划，新规划散热器模块五个（红圈），六种芯高、等芯宽散热器规格，对应匹配发动机应用范围为五种区域。

6小结
热管理是要满足各系统的需求，合理分配热量，采用系统化、模块化设计方法,将冷却等系统管理成一个有效的热管理系统。冷却模块作为热管理系统中最重要的部件，其分配等级的概念，“按模块等级选用”的开发思维，规划与成本平衡关系等都为冷却系统的合理、有效匹配提供了一种创新思路，实现零整互助（零部件和整车互相帮助），整车减少零部件的应用品种、数量，供应商实现降低成本，最终使整车实现降成本目的。
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