動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)3大技術(shù)路線分析以及動(dòng)力電池系統(tǒng)中的液冷板應(yīng)用
來(lái)源：未知
2019-04-01 19:58
點(diǎn)擊量：次
動(dòng)力電池充放電過(guò)程中溫度升高會(huì)影響電池的很多特性參數(shù)，如內(nèi)阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命。
在電動(dòng)汽車中，冷卻系統(tǒng)主要分為兩部分：一是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、車輛控制器和DC/DC等部件冷卻，二是對(duì)供電系統(tǒng)的動(dòng)力電池和車載充電器冷卻。本篇探討動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)。
目前，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池為鋰離子電池，鋰離子動(dòng)力電池的性能對(duì)溫度變化較敏感，車輛上的裝載空間有限，車輛所需電池?cái)?shù)目較大，電池均為緊密排列連接。
當(dāng)車輛在高速、低速、加速、減速等交替變換的不同行駛狀況下運(yùn)行時(shí)，電池會(huì)以不同倍率放電，以不同生熱速率產(chǎn)生大量熱量，加上時(shí)間累積以及空間影響會(huì)產(chǎn)生不均勻熱量聚集，從而導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境溫度復(fù)雜多變。
動(dòng)力電池的冷卻性能的好壞直接影響電池的效率，同時(shí)也會(huì)影響到電池壽命和使用安全。
由于充放電過(guò)程中電池本身會(huì)產(chǎn)生一定熱量，從而導(dǎo)致溫度上升，而溫度升高會(huì)影響電池的很多特性參數(shù)，如內(nèi)阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命。
為了使電池包發(fā)揮最佳性能和壽命，需要優(yōu)化電池包的結(jié)構(gòu)，對(duì)它進(jìn)行熱管理，增加散熱設(shè)施，控制電池運(yùn)行的溫度環(huán)境。
不同的熱管理系統(tǒng)，零部件類型的結(jié)構(gòu)不同、重量不同以及系統(tǒng)的成本不同和控制方式不同，使得系統(tǒng)所達(dá)到的性能也不相同。在進(jìn)行電池包熱管理系統(tǒng)類型設(shè)計(jì)選擇時(shí)，需要考慮到電池的冷卻性能需求，結(jié)合整車的性能以及空間大小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和成本高低也是要考慮的因素。
圖表1 不同電池冷卻方案優(yōu)劣勢(shì)比較
1、風(fēng)冷
國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車電池組的冷卻方式上主要有以下幾種：空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻。目前空氣冷卻方式仍然是主要采用的方法，空氣冷卻比較容易實(shí)現(xiàn)，但冷卻效果不佳。
圖表2 典型風(fēng)冷系統(tǒng)工作示意圖
2、液冷
液體冷卻有較好的冷卻效果，而且可以使電池組的溫度分布均勻，但是液體冷卻對(duì)電池包的密封性有很高的要求，如果采用水這類導(dǎo)電液體，需用水套將液體和電池單體隔開(kāi)，這樣不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性而且降低了冷卻效果。
一般冷卻系統(tǒng)都是安裝在電池組模塊附近，原理和空調(diào)的制冷原理相似，冷卻系統(tǒng)通過(guò)管路和單個(gè)電池模塊相連，管路里循環(huán)流動(dòng)冷卻液(一般是乙二醇)，將單個(gè)電池模塊的熱量帶走，冷卻系統(tǒng)將乙二醇制冷，多余熱量通過(guò)風(fēng)扇排到外界，而乙二醇再次循環(huán)進(jìn)入電池模塊，繼續(xù)吸收電池散發(fā)的熱量。
圖表3 典型液冷系統(tǒng)工作示意圖
3、熱管技術(shù)
熱管技術(shù)可以滿足電池組的高溫散熱與低溫預(yù)熱雙工況要求，響應(yīng)快，溫度均勻性好，作為電池組新的冷卻方法被提出后，有了一定的發(fā)展，且作為產(chǎn)業(yè)研究的重點(diǎn)方向，但是受到布置和體積的限制，目前還沒(méi)有實(shí)車使用。
圖表4 熱管技術(shù)工作示意圖
從現(xiàn)有電動(dòng)汽車動(dòng)力電池冷卻方式來(lái)看，風(fēng)冷一直占據(jù)主要的位置，尤其是日系電動(dòng)汽車，基本采用風(fēng)冷系統(tǒng)。隨著應(yīng)用環(huán)境對(duì)電池的要求越來(lái)越高，液冷也成為車企業(yè)的優(yōu)先方案，如特斯拉、寶馬等品牌我國(guó)主流電動(dòng)乘用車企業(yè)也開(kāi)始轉(zhuǎn)向液冷系統(tǒng)，從中長(zhǎng)期趨勢(shì)來(lái)看，液冷將占據(jù)主流。
不同的冷卻系統(tǒng)有相對(duì)應(yīng)的冷卻組件：風(fēng)冷系統(tǒng)主要部件為風(fēng)機(jī)，液冷系統(tǒng)主要部件為冷卻板。
風(fēng)冷系統(tǒng)組件：冷卻風(fēng)道、風(fēng)機(jī)、電阻絲
風(fēng)機(jī)的選型直接影響電池包空冷系統(tǒng)的冷卻效果。風(fēng)機(jī)的選型要求如下：根據(jù)電池的熱生成速率確定空氣流量；滿足每個(gè)模塊的溫升要求；基于系統(tǒng)所需空氣流量以及系統(tǒng)的壓降曲線選擇滿足要求的風(fēng)機(jī)。
液冷系統(tǒng)組件：水冷管道、冷卻泵、冷卻閥、冷卻板
冷卻板作為電池包液冷系統(tǒng)中最關(guān)鍵的零部件之一，冷卻板的選型至關(guān)重要。冷卻板的選型必須滿足如下要求：冷卻板的壓降必須滿足客戶要求；冷卻水流動(dòng)的一致性要求；爆破壓力要求；冷卻板的機(jī)械要求；冷卻板必須通過(guò)振動(dòng)和沖擊載荷測(cè)試；冷卻板必須滿足公差要求以及空間尺寸要求。
電池冷卻系統(tǒng)組件生產(chǎn)企業(yè)眾多，主要部件大多由傳統(tǒng)電氣企業(yè)提供，目前電池管理系統(tǒng)企業(yè)及PACK組裝企業(yè)也有涉及定制化產(chǎn)品的生產(chǎn)。
隨著乘用車IP67的要求成為必須，動(dòng)力電池系統(tǒng)可供選擇的冷卻方式范圍被嚴(yán)重收窄。
在比較成熟的冷卻方式中，風(fēng)冷除了想辦法與其他熱傳遞手段配合使用外，已經(jīng)基本被排除在乘用車電池包應(yīng)用范疇以外。
再加上特斯拉的示范效應(yīng)，水冷不再是預(yù)研課題，而成了盡快商業(yè)化的重點(diǎn)。
本文主要涉及動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)中的一個(gè)點(diǎn)，液冷板。前半部分液冷板基本知識(shí)，后半部分當(dāng)前典型車型的液冷板應(yīng)用形式。
液冷板，似乎并沒(méi)有什么統(tǒng)一的定義，我們僅就動(dòng)力電池包的液冷板這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，給它下個(gè)定義，暫且這樣描述：動(dòng)力電池系統(tǒng)中，電池工作產(chǎn)生多余熱量，熱量通過(guò)電池或者模組與板型鋁質(zhì)器件表面接觸的方式傳遞，最終被器件內(nèi)部流道中通過(guò)的冷卻液帶走。這個(gè)板型鋁質(zhì)器件就是液冷板。
對(duì)液冷板的一般要求
散熱功率大，能夠及時(shí)導(dǎo)出動(dòng)力電池工作過(guò)程中產(chǎn)生的多余熱量，避免過(guò)量溫升的發(fā)生;
可靠性高，在道路車輛環(huán)境工作，振動(dòng)、沖擊、高低溫交變環(huán)境，對(duì)多數(shù)產(chǎn)品都是比較嚴(yán)酷的工作條件，而動(dòng)力電池電壓動(dòng)輒幾百伏，冷卻液泄漏是個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，即使你使用絕緣性能好的冷卻液，但遇到外部雜質(zhì)后，絕緣性能會(huì)立即降低，因此，冷板密封可靠性很重要;
散熱設(shè)計(jì)精準(zhǔn)，避免系統(tǒng)內(nèi)溫差過(guò)大，這是出于鋰電池自身性能的要求，電池的性能和老化都與工作溫度密切相關(guān);
對(duì)冷板的重量有嚴(yán)格要求，這來(lái)自于動(dòng)力電池系統(tǒng)對(duì)能量密度的追求，嚴(yán)重拉低系統(tǒng)能量密度的冷卻系統(tǒng)，是客戶和設(shè)計(jì)者都根本無(wú)法接受的。
液冷系統(tǒng)利用液體流動(dòng)換熱系數(shù)較大的特性，依靠液體流動(dòng)轉(zhuǎn)移高熱量，是目前最有效的散熱方式之一，可消散幾百瓦到上千瓦的熱量。
該廠家標(biāo)準(zhǔn)管路液冷板通過(guò)放置冷卻液管，直接與被冷卻設(shè)備底板接觸，可以在設(shè)備和冷卻液之間減少熱交換介面的數(shù)量，從而維持最低熱阻，提高性能。
該廠家是根據(jù)液冷板的工藝類型對(duì)液冷板類型做劃分，主要有：真空釬焊式水冷板(AluminumVacuumBrazingColdplate)、攪拌摩擦焊式水冷板(FSWColdplate)、埋管式水冷板(ExposedTubeColdplate)和深孔鉆/腔體式水冷板(Aluminum/CopperPlateLongHoleDrilled)等幾種液體冷卻方式。
他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可參照下表。
典型參數(shù)：
這家是根據(jù)產(chǎn)品的最顯著特征對(duì)冷板類型做劃分的，共包括三種類型。
類型1，強(qiáng)調(diào)散熱性能。在流體路徑中采用翅片結(jié)構(gòu)，增加與冷卻液的接觸面積，從而提高了熱傳導(dǎo)性能。產(chǎn)品具有真空釬焊構(gòu)造，可提供定制化配置。
類型2，強(qiáng)調(diào)低壓降。液冷板采用專門制作的C
類型3，強(qiáng)調(diào)管路嵌入的結(jié)構(gòu)形式。將管材嵌入底板中，形成機(jī)械性能牢固的冷板。表面延伸液冷板采用更粗且布置更密集的管材增加面積，從而擴(kuò)大與冷卻液接觸的表面積，進(jìn)而提高熱傳導(dǎo)性能。
這種產(chǎn)品，整體重量較輕，但自身不能承重。
液冷板典型工藝
液冷板生產(chǎn)工藝對(duì)比一般的風(fēng)冷散熱器來(lái)說(shuō)更復(fù)雜，液冷散熱對(duì)于工藝上的可靠性要求較高，因而有較強(qiáng)的技術(shù)沉淀的廠家才能提供可靠的技術(shù)支持。一般的液冷板生產(chǎn)技術(shù)工藝有下面幾種。
埋管工藝
埋管工藝是用得最多的液冷散熱器液冷板的制作工藝，一般來(lái)說(shuō)是鋁基板埋銅管，即將鋁基板用CNC加工銑槽，再采用沖壓機(jī)將已彎好形狀的銅管壓到鋁基板上，再進(jìn)行釬焊焊接，然后進(jìn)行后加工成水冷板。
埋管式的液冷板一般有三種形式：一是淺埋管液冷板;二是深埋管液冷板;三是焊管工藝;四是雙面夾管工藝液冷板。三種形式的工藝都差別不大，加工的難度也是一樣的。
有些原本是針對(duì)大功率開(kāi)關(guān)器件設(shè)計(jì)的液冷原理，在動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)中，也可以借鑒應(yīng)用。
淺埋管工藝：適用單面安裝，銅管壓扁后與鋁板同時(shí)銑面，充分利于銅管高導(dǎo)熱性能帶走熱量，利用鋁的輕量化起到減重及成本控制作用。
深埋管工藝：填料為美國(guó)進(jìn)口高導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂，被冷卻器件溫差要求不高的情況下，可單雙面安裝，因銅管厚度沒(méi)有進(jìn)行二次加工，且有填料保護(hù)可提供應(yīng)用的安全性，特別適合冷媒為介質(zhì)的冷板使用。
焊管工藝：適合銅板+銅管的方式，以此降低板材厚度起到減重效果。
雙面夾管工藝：合兩面安裝器件，工藝簡(jiǎn)單成本低;鋁板+鋁管&銅管&不銹鋼管。
型材+焊接
在型材的基礎(chǔ)上加工而成的液冷散熱器，此類散熱器形狀較多，有較多的種類，有板式，有通道式，有組合式的，大致的制作原理是在型材的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工及焊接，將型材與接頭管路組合成整體的液冷散熱器。
利用擠壓工藝將冷板流道直接成型，再通過(guò)機(jī)加方式打通循環(huán)，通常采用摩擦焊接、釬焊焊接等焊接工藝進(jìn)行密封，此工藝生產(chǎn)效率高，成本低;不適用于散熱密度過(guò)大的應(yīng)用，不適合表面太多螺絲孔而限制水道走向或降低可靠性的應(yīng)用條件。
主要應(yīng)用于：動(dòng)力電池水冷散熱加熱裝置、分水盒以及標(biāo)準(zhǔn)功率模塊一體化散熱產(chǎn)品。
機(jī)加工+焊接
水冷板采用機(jī)加的方式，內(nèi)部流道尺寸、路徑均可自由設(shè)計(jì)，適合功率密度較大、熱源布局不規(guī)則、空間受限的熱管理產(chǎn)品，主要應(yīng)用于：風(fēng)電變流器、光伏逆變器、IGBT、電機(jī)控制器、激光器、儲(chǔ)能電源、超算服務(wù)器等領(lǐng)域的散熱產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，而在動(dòng)力電池系統(tǒng)中應(yīng)用較少。
微通道散熱器，也是一種結(jié)合機(jī)加工和焊接工藝制造而成的散熱器，它制作要比其他散熱器復(fù)雜，微通道散熱器一般用于散熱功率較大而且散熱較為集中的機(jī)器上，微通道的方式因?yàn)樗垒^寬而且較為均勻，能快速的帶走集中的熱量。
但是微通道的液冷散熱器制作工藝也較為復(fù)雜，一般是采用機(jī)加工微通道，再用摩擦焊的工藝進(jìn)行焊接，制作成本也較高。
壓鑄+焊接
壓鑄工藝是非常成熟且應(yīng)用廣泛的成型方式，隨著新能源汽車的快速發(fā)展,成為電機(jī)控制器、動(dòng)力電池包托盤及散熱箱體成批量生產(chǎn)的首選方式，但需在工藝上控制壓鑄雜質(zhì)、氣孔等問(wèn)題，保守采用密封圈方式或者采用摩擦焊焊接的方式，都需要在工藝上提高可靠性避免導(dǎo)致漏水問(wèn)題。
壓鑄成型再焊接，工藝控制良好，且制程穩(wěn)定，具備批量交付能力。除了摩擦焊焊接工藝，部分水冷板還會(huì)采用釬焊或真空釬焊的焊接工藝。
這類水冷板，可以與電池包壓鑄箱體結(jié)合到一起考慮，AudiQ7PHEV下層水冷板就是這類用法。在前兩天的北京車展上，已經(jīng)看到了成型的樣品展示。
典型車型水冷板
在動(dòng)力電池系統(tǒng)中，將熱量從電芯表面帶走的方式比較多，僅就作用范圍不同，可以劃分成集成在模組內(nèi)部的電芯級(jí)別水冷板和設(shè)計(jì)在模組外部的模組級(jí)別水冷板。下面是來(lái)自“動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)”公眾號(hào)的多張圖片，借以說(shuō)明水冷板在實(shí)際案例中的應(yīng)用形式。
模組級(jí)別水冷板
水冷板作為一個(gè)整體，同時(shí)作用在一個(gè)或者多個(gè)電池模塊上，水冷板作為整個(gè)電池包的組成構(gòu)件，而非電池模塊的構(gòu)件，我們就把它放在模組級(jí)別水冷板這個(gè)標(biāo)題下面。
BMWi8的電池包和冷板
電芯級(jí)別水冷板
將水冷板或者導(dǎo)熱性能良好的介質(zhì)板材片材夾在電芯之間，成為模塊的一部分，以達(dá)到更好的散熱效果，這類我們放在模組內(nèi)部水冷板這個(gè)標(biāo)題下面。
特斯拉圓柱電池水冷板專利說(shuō)明
觀察應(yīng)用案例我們可以看到：
方形電池液冷系統(tǒng)，大多應(yīng)用模組級(jí)別水冷板，并且一般放置在電池箱底部位置;
軟包電池液冷，則是模組內(nèi)部集成小型水冷板的形式居多，也有模組中集成鋁板，模組外部再設(shè)置模組級(jí)別液冷板的形式;
圓柱電池，以特斯拉為首的蛇形管是主要液冷散熱器形式。
