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新能源汽车动力电池液冷散热简介

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新能源汽车动力电池液冷散热简介

新能源汽车行业背景

       在海外,特斯拉作为引领者,推动汽车行业向电动化、智能化发展,传统主流车企由过去的观望和谨慎,纷纷加大投入,积极布局电动汽车战略。

       在国内,新能源汽车被列为国家战略性新兴产业,从直接的补贴政策到市场化驱动的双积分政策,新能源汽车的发展一直以来受到相关部门的关注与支持。

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       根据中国汽车工业协会的数据显示,2019年1~6月,中国汽车产业整体产销量分别为1213.2万辆和1232.3万辆,同比分别下跌13.7%和12.4%,但是,新能源汽车依旧保持高速发展,产销量分别为61.4万辆和61.7万辆,同比分别增长48.5%和49.6%。预计2025年全球新能源汽车仅乘用车销量就将达到1100万辆。

新能源汽车电池与散热概况

       出于电动汽车动力电池更高续航里程的追求,目前高镍化是行业内最为关注的重点。近年来,技术上已经能稳定上车的可能在250-260Wh/kg之间,300Wh/kg将是一个突破口。如何通过电池热管理平衡能量密度提升之后的安全性能,是最为紧迫的一项任务。

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       作为新能源汽车的重要组成部分,热管理系统在整车需求量快速增长、单车价值量提升的双重驱动下,未来市场空间巨大。

       预计2019年新能源乘用车销量110万辆,2020年达150万辆,其中采用液冷型热管理系统约占70%,风冷型热管理系统约占30%。相对应的汽车空调系统市场空间约有25.3亿元、34.5亿元,整车热管理系统则是70亿元与96 亿元。

新能源汽车动力电池分类

       目前,主流的锂电池封装形式主要有三种,即圆柱、方形和软包。圆柱和方形电池的外包装多为钢壳或者铝壳。软包外包装为铝塑膜,其实软包也是一种方形,市场上习惯将铝塑膜包装的称为软包,也有人将软包电池称为聚合物电池。不同的封装结构意味着不同的特性,它们各有优缺点。

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方形电池

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圆柱电池

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软包电池

电池特性

       动力电池主要由:正极、隔膜、负极、电解液、电池外壳组成。

正极

       活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂,镍钴锰酸锂材料,电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂(俗称三元)或者三元+少量锰酸锂,纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔

隔膜

       一种经特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔结构,可以让锂离子自由通过,而电子不能通过

负极

       活性物质为石墨,或近似石墨结构的碳,导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔

电解液

       在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用,是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料,在一定条件下、按一定比例配制而成的。

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电池外壳

       分为钢壳(方型很少使用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池使用)、铝塑膜(软包装)等。

电池材料物理参数

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       在电池液冷散热设计中,可以通过降低单电池厚度、采用双面冷却技术、填充高导热材料等措施减小电池内部到液冷板之间的热阻。

电池液冷板设计要求

       温度是确保动力电池性能最重要的参数之一,适宜的工作温度,能够有效减缓电池的老化、鼓包和安全性问题,同时能够发挥电池的最优性能。

       通常的动力电池包内,集成了多个电池单体,单体性能的一致性直接影响电池组整体的性能和寿命。处在电池包内不同位置的电池单体,其散热条件也有所不同。动力电池的液冷板的性能主要取决于:

A 电池包内部整体维持在合理温度范围内;

B 不同电池单体的温差尽可能小;

C 电池与液冷板之间的接触热阻尽可能得小;

D 冷却液与冷板的热阻小;

E 冷板内的冷却液流速均匀性要求;

F 液冷板密封可靠性要求;

G 液冷板轻量化要求;

       电池与液冷板的热阻小,有利于把电池的热量更快传导至液冷板,同时更小的热阻有利于冷却液更好的进行对流换热。冷却液流速的均匀性,是保障散热的均匀性,减少局部温度过高的前提。

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       同时,车辆在行驶过程中振动、冲击、高低温交替等情况不可避免,密封可靠性高的液冷板可以有效防止因冷却液泄漏导致的无法散热、电池温度过高甚至引起电池爆炸等问题。

       动力电池系统对能量密度有着很高的追求,因此对液冷板的重量有严格的要求,若液冷板过重,将严重拉低系统能量密度,客户和设计者都将无法接受。

影响液冷板冷却效果的主要因素

冷却液的温度

       在冷却过程中,冷却液的温度低,电池与冷板接触部分的温度低,远离冷板的位置,温度高,二者的温差较大;另一方面,冷却液在电池包内部循环过程中,从进口到出口,温度一直在发生变化,因此电池单体的温度有所不同。需进行深入的分析,只有精确的系统级的热设计可以解决这个问题,而不只是简单的调节冷却液温度。

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冷却液流量

       冷却液的流量越大,单位时间内带走的热量越多,进出口的温差越小,但对应的泵的功率大,能耗高,液体压强大,同时泵具有不同的规格,相同条件下,流量大的泵通常成本更高。一味的追求大流量将导致能耗、液体压强和成本增加,对液冷循环系统的强度也是一个很大的考验,泄漏风险上升。

电池液冷散热解决方案

       作为新能源汽车的核心组成部分的动力电池包,其液冷板的性能直接关系到电池包散热的好坏和功率密度的提升。在更高的系统能量密度的要求下,研发了轻量化超薄液冷板,采用最新的吹胀成型技术,最薄处为0.6mm,有效降低了冷板的重量。

案例一:超薄液冷板

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       对于冷却性能的提升方面,在不改变进出口流道的结构布局前提下,通过流道的优化改进,提升温度均匀性,优化后的冷板最高温度比优化前降低了5℃,已申请专利保护。

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案例2:板翅式高效换热液冷板

       祥博传热采用无钎剂的真空钎焊技术,在上下导热面板中填充锯齿形换热翅片,在提高换热性能的同时还改善流道均匀性性。真空钎焊成型工艺具有表面清洁度度高,流道性好,抗腐蚀性能强,成本低等优势。

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板翅式液冷板截面图

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锯齿形换热翅片

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液冷板热仿真图

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液冷板实物图

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