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【锦熹科技·干货】动力电池冷却系统3大技术路线分析以及动力电池系统中的液冷板应用

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发布:hudaren43 来源:
PostTime:12-10-2018 17:35
干货丨如何设计提高电池电芯的容量密度?导读动力电池充放电过程中温度升高会影响电池的很多特性参数,如内阻、电压、SOC、可用容量、充放电效率和电池寿命。在电动汽车中,冷却系统主要分为两部分:一是对动力系统 ...

以下为文章全文:(本站微信公共账号:cartech8)


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动力电池充放电过程中温度升高会影响电池的很多特性参数,如内阻、电压、SOC、可用容量、充放电效率和电池寿命。





在电动汽车中,冷却系统主要分为两部分:一是对动力系统的驱动电机、车辆控制器和DC/DC等部件冷却,二是对供电系统的动力电池和车载充电器冷却。本篇探讨动力电池冷却系统。



目前,电动汽车动力电池为锂离子电池,锂离子动力电池的性能对温度变化较敏感,车辆上的装载空间有限,车辆所需电池数目较大,电池均为紧密排列连接。

当车辆在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状况下运行时,电池会以不同倍率放电,以不同生热速率产生大量热量,加上时间累积以及空间影响会产生不均匀热量聚集,从而导致电池组运行环境温度复杂多变。



动力电池的冷却性能的好坏直接影响电池的效率,同时也会影响到电池寿命和使用安全。

由于充放电过程中电池本身会产生一定热量,从而导致温度上升,而温度升高会影响电池的很多特性参数,如内阻、电压、SOC、可用容量、充放电效率和电池寿命。





为了使电池包发挥最佳性能和寿命,需要优化电池包的结构,对它进行热管理,增加散热设施,控制电池运行的温度环境。

主要冷却方案

不同的热管理系统,零部件类型的结构不同、重量不同以及系统的成本不同和控制方式不同,使得系统所达到的性能也不相同。在进行电池包热管理系统类型设计选择时,需要考虑到电池的冷却性能需求,结合整车的性能以及空间大小,系统的稳定性和成本高低也是要考虑的因素。



图表1 不同电池冷却方案优劣势比较


不同冷却系统工作示意


1、风冷

国内外电动汽车电池组的冷却方式上主要有以下几种:空气冷却、液体冷却、热管冷却。目前空气冷却方式仍然是主要采用的方法,空气冷却比较容易实现,但冷却效果不佳。



图表2 典型风冷系统工作示意图

2、液冷

液体冷却有较好的冷却效果,而且可以使电池组的温度分布均匀,但是液体冷却对电池包的密封性有很高的要求,如果采用水这类导电液体,需用水套将液体和电池单体隔开,这样不仅增加了系统的复杂性而且降低了冷却效果。



一般冷却系统都是安装在电池组模块附近,原理和空调的制冷原理相似,冷却系统通过管路和单个电池模块相连,管路里循环流动冷却液(一般是乙二醇),将单个电池模块的热量带走,冷却系统将乙二醇制冷,多余热量通过风扇排到外界,而乙二醇再次循环进入电池模块,继续吸收电池散发的热量。





图表3 典型液冷系统工作示意图

3、热管技术

热管技术可以满足电池组的高温散热与低温预热双工况要求,响应快,温度均匀性好,作为电池组新的冷却方法被提出后,有了一定的发展,且作为产业研究的重点方向,但是受到布置和体积的限制,目前还没有实车使用。



图表4 热管技术工作示意图

从现有电动汽车动力电池冷却方式来看,风冷一直占据主要的位置,尤其是日系电动汽车,基本采用风冷系统。随着应用环境对电池的要求越来越高,液冷也成为车企业的优先方案,如特斯拉、宝马等品牌。我国主流电动乘用车企业也开始转向液冷系统,从中长期趋势来看,液冷将占据主流。

电池包冷却系统主要组件

不同的冷却系统有相对应的冷却组件:风冷系统主要部件为风机,液冷系统主要部件为冷却板。

风冷系统组件:冷却风道、风机、电阻丝

风机的选型直接影响电池包空冷系统的冷却效果。风机的选型要求如下:根据电池的热生成速率确定空气流量;满足每个模块的温升要求;基于系统所需空气流量以及系统的压降曲线选择满足要求的风机。

液冷系统组件:水冷管道、冷却泵、冷却阀、冷却板

冷却板作为电池包液冷系统中最关键的零部件之一,冷却板的选型至关重要。冷却板的选型必须满足如下要求:冷却板的压降必须满足客户要求;冷却水流动的一致性要求;爆破压力要求;冷却板的机械要求;冷却板必须通过振动和冲击载荷测试;冷却板必须满足公差要求以及空间尺寸要求。




电池冷却系统组件生产企业众多,主要部件大多由传统电气企业提供,目前电池管理系统企业及PACK组装企业也有涉及定制化产品的生产。

动力电池系统中的液冷板应用

随着乘用车IP67的要求成为必须,动力电池系统可供选择的冷却方式范围被严重收窄。

在比较成熟的冷却方式中,风冷除了想办法与其他热传递手段配合使用外,已经基本被排除在乘用车电池包应用范畴以外。

再加上特斯拉的示范效应,水冷不再是预研课题,而成了尽快商业化的重点。

本文主要涉及动力电池液冷系统中的一个点,液冷板。前半部分液冷板基本知识,后半部分当前典型车型的液冷板应用形式。

液冷板,似乎并没有什么统一的定义,我们仅就动力电池包的液冷板这个应用场景,给它下个定义,暂且这样描述:动力电池系统中,电池工作产生多余热量,热量通过电池或者模组与板型铝质器件表面接触的方式传递,最终被器件内部流道中通过的冷却液带走。这个板型铝质器件就是液冷板。


对液冷板的一般要求

散热功率大,能够及时导出动力电池工作过程中产生的多余热量,避免过量温升的发生;

可靠性高,在道路车辆环境工作,振动、冲击、高低温交变环境,对多数产品都是比较严酷的工作条件,而动力电池电压动辄几百伏,冷却液泄漏是个严重问题,即使你使用绝缘性能好的冷却液,但遇到外部杂质后,绝缘性能会立即降低,因此,冷板密封可靠性很重要;

散热设计精准,避免系统内温差过大,这是出于锂电池自身性能的要求,电池的性能和老化都与工作温度密切相关;

对冷板的重量有严格要求,这来自于动力电池系统对能量密度的追求,严重拉低系统能量密度的冷却系统,是客户和设计者都根本无法接受的。


液冷系统利用液体流动换热系数较大的特性,依靠液体流动转移高热量,是目前最有效的散热方式之一,可消散几百瓦到上千瓦的热量。

该厂家标准管路液冷板通过放置冷却液管,直接与被冷却设备底板接触,可以在设备和冷却液之间减少热交换介面的数量,从而维持最低热阻,提高性能。

该厂家是根据液冷板的工艺类型对液冷板类型做划分,主要有:真空钎焊式水冷板(AluminumVacuumBrazingColdplate)、搅拌摩擦焊式水冷板(FSWColdplate)、埋管式水冷板(ExposedTubeColdplate)和深孔钻/腔体式水冷板(Aluminum/CopperPlateLongHoleDrilled)等几种液体冷却方式。

他们各自的优缺点,可参照下表。



典型参数:



某厂家甲液冷板产品实例

这家是根据产品的最显著特征对冷板类型做划分的,共包括三种类型。



类型1,强调散热性能。在流体路径中采用翅片结构,增加与冷却液的接触面积,从而提高了热传导性能。产品具有真空钎焊构造,可提供定制化配置。



类型2,强调低压降。液冷板采用专门制作的CNC铣削微流道,在底板上形成流体通道。在低压降条件下,具有卓越的散热性能,从而降低了流体循环系统的成本。



类型3,强调管路嵌入的结构形式。将管材嵌入底板中,形成机械性能牢固的冷板。表面延伸液冷板采用更粗且布置更密集的管材增加面积,从而扩大与冷却液接触的表面积,进而提高热传导性能。 

某乙家丙冷板产品实例
这种产品,整体重量较轻,但自身不能承重。

液冷板典型工艺

液冷板生产工艺对比一般的风冷散热器来说更复杂,液冷散热对于工艺上的可靠性要求较高,因而有较强的技术沉淀的厂家才能提供可靠的技术支持。一般的液冷板生产技术工艺有下面几种。

埋管工艺
埋管工艺是用得最多的液冷散热器液冷板的制作工艺,一般来说是铝基板埋铜管,即将铝基板用CNC加工铣槽,再采用冲压机将已弯好形状的铜管压到铝基板上,再进行钎焊焊接,然后进行后加工成水冷板。

埋管式的液冷板一般有三种形式:一是浅埋管液冷板;二是深埋管液冷板;三是焊管工艺;四是双面夹管工艺液冷板。三种形式的工艺都差别不大,加工的难度也是一样的。

有些原本是针对大功率开关器件设计的液冷原理,在动力电池冷却系统中,也可以借鉴应用。

浅埋管工艺:适用单面安装,铜管压扁后与铝板同时铣面,充分利于铜管高导热性能带走热量,利用铝的轻量化起到减重及成本控制作用。

 





深埋管工艺:填料为美国进口高导热环氧树脂,被冷却器件温差要求不高的情况下,可单双面安装,因铜管厚度没有进行二次加工,且有填料保护可提供应用的安全性,特别适合冷媒为介质的冷板使用。





焊管工艺:适合铜板+铜管的方式,以此降低板材厚度起到减重效果。





双面夹管工艺:合两面安装器件,工艺简单成本低;铝板+铝管&铜管&不锈钢管。





型材+焊接
在型材的基础上加工而成的液冷散热器,此类散热器形状较多,有较多的种类,有板式,有通道式,有组合式的,大致的制作原理是在型材的基础上进行加工及焊接,将型材与接头管路组合成整体的液冷散热器。

利用挤压工艺将冷板流道直接成型,再通过机加方式打通循环,通常采用摩擦焊接、钎焊焊接等焊接工艺进行密封,此工艺生产效率高,成本低;不适用于散热密度过大的应用,不适合表面太多螺丝孔而限制水道走向或降低可靠性的应用条件。

主要应用于:动力电池水冷散热加热装置、分水盒以及标准功率模块一体化散热产品。

机加工+焊接

水冷板采用机加的方式,内部流道尺寸、路径均可自由设计,适合功率密度较大、热源布局不规则、空间受限的热管理产品,主要应用于:风电变流器、光伏逆变器、IGBT、电机控制器、激光器、储能电源、超算服务器等领域的散热产品设计上,而在动力电池系统中应用较少。

微通道散热器,也是一种结合机加工和焊接工艺制造而成的散热器,它制作要比其他散热器复杂,微通道散热器一般用于散热功率较大而且散热较为集中的机器上,微通道的方式因为水道较宽而且较为均匀,能快速的带走集中的热量。

但是微通道的液冷散热器制作工艺也较为复杂,一般是采用机加工微通道,再用摩擦焊的工艺进行焊接,制作成本也较高。

压铸+焊接

压铸工艺是非常成熟且应用广泛的成型方式,随着新能源汽车的快速发展,成为电机控制器、动力电池包托盘及散热箱体成批量生产的首选方式,但需在工艺上控制压铸杂质、气孔等问题,保守采用密封圈方式或者采用摩擦焊焊接的方式,都需要在工艺上提高可靠性避免导致漏水问题。

压铸成型再焊接,工艺控制良好,且制程稳定,具备批量交付能力。除了摩擦焊焊接工艺,部分水冷板还会采用钎焊或真空钎焊的焊接工艺。

这类水冷板,可以与电池包压铸箱体结合到一起考虑,AudiQ7PHEV下层水冷板就是这类用法。在前两天的北京车展上,已经看到了成型的样品展示。

典型车型水冷板
在动力电池系统中,将热量从电芯表面带走的方式比较多,仅就作用范围不同,可以划分成集成在模组内部的电芯级别水冷板和设计在模组外部的模组级别水冷板。下面是来自“动力电池热管理技术”公众号的多张图片,借以说明水冷板在实际案例中的应用形式。

模组级别水冷板
水冷板作为一个整体,同时作用在一个或者多个电池模块上,水冷板作为整个电池包的组成构件,而非电池模块的构件,我们就把它放在模组级别水冷板这个标题下面。

 



AudiQ7PHEV电池包
 



奔驰SmartGen3电池包

 



ChevroletBolt2017电池包



ChevroletBolt2017液冷板实物



宝马i3液冷系统



宝马i3液冷板实物

  



                                        BMWi8的电池包和冷板

电芯级别水冷板
将水冷板或者导热性能良好的介质板材片材夹在电芯之间,成为模块的一部分,以达到更好的散热效果,这类我们放在模组内部水冷板这个标题下面。

 



  VolvoXC90T8电池包模组爆炸图

  



GMVolt冷却结构
 



特斯拉ModelS模组


特斯拉圆柱电池水冷板专利说明


观察应用案例我们可以看到:

方形电池液冷系统,大多应用模组级别水冷板,并且一般放置在电池箱底部位置;

软包电池液冷,则是模组内部集成小型水冷板的形式居多,也有模组中集成铝板,模组外部再设置模组级别液冷板的形式;

圆柱电池,以特斯拉为首的蛇形管是主要液冷散热器形式。

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