新能源汽車散熱解決方案

4008005758 · 發(fā)表于 2024-12-11 10:00:05

從全球新能源汽車的發(fā)展來看，其動(dòng)力電源主要包括鋰離子電池、鎳*電池、燃料電池、鉛酸電池、超級電容器，其中鉛酸電池、超級電容器大多以輔助動(dòng)力源的形式出現(xiàn)。由于目前的電池技術(shù)還不完全成熟或缺點(diǎn)明顯，與傳統(tǒng)汽車相比不管是從成本上、動(dòng)力還是續(xù)航里程上都有不少差距，這也是制約新能源汽車的發(fā)展的重要原因。

圖 1 電動(dòng)汽車內(nèi)部系統(tǒng)與模塊

電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，簡稱 BMS）的主要任務(wù)是保證電池組工作在安全區(qū)間內(nèi)，**車輛控制所需的必需信息，在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)響應(yīng)處理，并根據(jù)環(huán) 境溫度、電池狀態(tài)及車輛需求等決定電池的充放電功率等。主要功能有電池參數(shù)監(jiān)測、充電管理、故障診斷、均衡控制、整車通訊、安全**以及熱管理等。其中熱管理（Battery Thermal Management System， BTMS）為電池管理系統(tǒng)中最核心最重要的部分之一。

1、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是應(yīng)對電池的熱相關(guān)問題，保證動(dòng)力電池使用性能、安全性和壽命最

核心的技術(shù)之一。同時(shí)電池的熱相關(guān)問題也是決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本的關(guān)鍵因素。熱管理系統(tǒng)的主要功能包括：

1）在電池溫度較高時(shí)進(jìn)行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故；

2）在電池溫度較低時(shí)進(jìn)行預(yù)熱，提升電池溫度，確保低溫下的充電、放電性能和安全性；

3）減小電池組內(nèi)的溫度差異，均勻散熱，抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫位置處電池過快衰減，降低電池組整體壽命。

圖 2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)剖解

2、典型案例 --- Tesla Roadster 純電動(dòng)汽車

Tesla Motors 公司的 Roadster 純電動(dòng)汽車采用了液冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。車載電池

組由 6831 節(jié) 18650 型鋰離子電池組成，其中每 69 節(jié)并聯(lián)為一組（brick）再將 9 組串聯(lián)為一層（sheet），最后串聯(lián)堆疊 11 層構(gòu)成。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻液為 50%水與50%乙二醇混合物。

圖 3 Tesla Roadster 的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

圖 3（a）電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（b）是冷卻管道的結(jié)構(gòu)

（c）冷卻管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)（d）冷卻管道端部結(jié)構(gòu)

為了防止冷卻液流動(dòng)過程中溫度逐漸升高，使末端散熱能力不佳，熱管理系統(tǒng)采用了雙向流動(dòng)的流場設(shè)計(jì)，冷卻管道的兩個(gè)端部既是進(jìn)液口，也是出液口。冷卻管道曲折布置在電池間，在電池之間及電池和管道間填充導(dǎo)熱與絕緣性能性能良好的材料，通過電池與導(dǎo)熱絕緣材料以及導(dǎo)熱絕緣材料與冷卻管道管壁的充分接觸，將熱量有效地傳遞至冷卻管道，冷卻液在管道內(nèi)部流動(dòng)，從而帶走電池產(chǎn)生的熱量，是整個(gè)電池包安全穩(wěn)定有效地運(yùn)行。電池間及電池和管道間導(dǎo)熱絕緣材料主要由以下幾個(gè)作用：

1）增大表面接觸面積，將電池與散熱管道間的接觸形式從線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|；

2）提高散熱效率，降低局部溫度梯度，使整個(gè)電池包溫度均勻化，有利于提高單體電池的使用壽命；

3）有利于提高電池包的整體熱容，從而降低整體平均溫度。

4）減震吸音，可以有效地緩沖與減少電池之間的因膨脹而產(chǎn)生的內(nèi)部壓力，從而提高整個(gè)

電池包的安全性能。

通過上述熱管理系統(tǒng)，Roadster 電池組內(nèi)各單體電池的溫度差異控制在±2 °C 內(nèi)。這一結(jié)果的取得主要依賴電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的有力支撐。2013 年 6 月的一份報(bào)告顯示，在行駛 10 萬英里后，Roadster 電池組的容量仍能維持在初始容量的 80%~85%，而且容量衰減只與行駛里程數(shù)明顯相關(guān)，而與環(huán)境溫度、車齡關(guān)系不明顯�？芍�， TeslaRoadster 在熱管理系統(tǒng)上遠(yuǎn)比其他電動(dòng)汽車要復(fù)雜。Tesla 的電池組是由 6831 節(jié)單體容量較小的 18650 電池組成的，要保證這么多電池的溫度差異不超過±2 °C 是一件非常困難的事情，但是 Tesla 做到了，這也凸顯出 Tesla 在電池?zé)峁芾砩系南冗M(jìn)、獨(dú)到之處。

3、何為理想的熱界面材料？

理想的熱界面材料應(yīng)具有的特性：

(1)高導(dǎo)熱性；

(2)高柔韌性，保證在較低安裝壓力條件下熱界面此材料能夠最充分地填充接觸表面的空隙，保證熱界面材料與接觸面間的接觸熱阻很��；

(3)絕緣性；

(4)安裝簡便并具可拆性；

(5)適用性廣，既能被用來填充小空隙，也能填充大縫隙。

4、導(dǎo)熱絕緣材料推薦

4.1 導(dǎo)熱硅脂

導(dǎo)熱硅脂俗稱散熱膏，導(dǎo)熱硅脂以有機(jī)硅酮為主要原料，添加耐熱、導(dǎo)熱性能優(yōu)異的材料，制成的導(dǎo)熱型有機(jī)硅脂狀復(fù)合物。主要用于高功率電子元件和散熱片之間。其優(yōu)良的潤濕性可使其迅速填充界面的微孔，極大程度降低界面熱阻，可快速有效地降低電子原件的溫度，從而延長電子元件的使用壽命并提高其可靠性。

圖 4 導(dǎo)熱硅脂

優(yōu)點(diǎn)：使用時(shí)亦不產(chǎn)生應(yīng)力，在-40 至+200 °C 下穩(wěn)定性高，并具有極好的耐氣候、以及優(yōu)良的介電性能。性價(jià)比高，在電子散熱中最常見的導(dǎo)熱材料。

4.2 導(dǎo)熱墊片

導(dǎo)熱墊片是以硅膠為基材,添加金屬氧化物等各種輔材,通過特殊工藝合成的一種導(dǎo)熱介質(zhì)材料。在行業(yè)內(nèi)又稱為導(dǎo)熱硅膠墊，是專門為利用縫隙傳遞熱量的設(shè)計(jì)方案生產(chǎn),能夠填充縫隙,完成發(fā)熱部位與散熱部位間的熱傳遞。同時(shí)還起到絕緣、減震、密封等作用,能夠滿足設(shè)備小型化及超薄化的設(shè)計(jì)要求,是極具工藝性和使用性，且厚度適用范圍廣，是一種極佳的導(dǎo)熱填充材料。

圖 5 導(dǎo)熱墊片

導(dǎo)熱墊片的優(yōu)點(diǎn):

1）導(dǎo)熱系數(shù)的范圍(1~15W/m·k)以及穩(wěn)定度(-40到220°C)

2）在結(jié)構(gòu)上工藝工差的彌合, 降低散熱器和散熱結(jié)構(gòu)件的工藝工差要求

3）具有絕緣的性能。

4）具減震吸音的效果。

5）具有安裝，測試，可重復(fù)使用的便捷性。

4.3 導(dǎo)熱灌封材料

導(dǎo)熱灌封材料的導(dǎo)熱系數(shù)：1.5~3W/m·k，可以滿足高密度快充電源內(nèi)部PCB灌封裝的應(yīng)用設(shè)計(jì)。該導(dǎo)熱材料具有阻燃、絕緣、導(dǎo)熱、低模量、流動(dòng)性好等特點(diǎn)；在生產(chǎn)過程中，可以直接澆筑在充電器外殼與PCB結(jié)構(gòu)之間，填充均勻，可以一次成型，能夠滿足PD快充行業(yè)功率越來越大，體積越來越小的散熱需求。

圖 6 導(dǎo)熱灌封膠

4.4 合成石墨

合成石墨紙，制成于天然石墨其具有獨(dú)特的晶粒取向，片層狀結(jié)構(gòu)可很好地適應(yīng)任何表面，沿兩個(gè)方向均勻?qū)�。平面�?nèi)導(dǎo)熱系數(shù)最高可達(dá) 1800 W/m-K 石墨均勻散熱的同時(shí)也在厚度方面**熱隔離。屏蔽熱源與組件的同時(shí)**消費(fèi)類電子產(chǎn)品的性能。復(fù)合石墨紙是采用聚酰亞胺膜燒結(jié)而成的新型膜材料。具有高導(dǎo)熱性和優(yōu)良的產(chǎn)品設(shè)計(jì)靈活性。

產(chǎn)品特性：

1、超高導(dǎo)熱 - 平面內(nèi)熱傳導(dǎo)率最大可以達(dá)到 1800W/mK ，熱阻比鋁低 40%，比銅低 20%

2、超輕 - 比同樣尺寸的鋁要輕 30%，比銅要輕 80%

3、超薄 - 厚度可以從 0.012 至 0.07mm

4、耐溫性 - 使用溫度最高可達(dá) 2800℃，最低可低于 -40℃

5、易** - 可以模切制作成不同大小、形狀及厚度，可以**模切平面板

6、易用性 - 石墨散熱片能平滑貼附在任**面和彎曲的表面

7、靈活性 - 很容易與金屬、絕緣層或者雙面膠制成層板，增加設(shè)計(jì)靈活性，可以在背后有粘合劑