動力電池包液冷板概述分析

       隨著傳統(tǒng)能源的緊缺和環(huán)境問題的日益突出,作為可代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車的新能源汽車的發(fā)展越來越成為人們關(guān)注的熱點。電池包,作為新能源汽車的核心部件,安全問題的重要性可見一斑。電池包的內(nèi)部溫度直接影響其安全性,進而影響到整車的使用安全。提高電池包的安全性,需要控制內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度,因此,增加整體結(jié)構(gòu)的散熱性能顯得至關(guān)重要。液冷板的使用,對保證電池包的安全性、提高使用壽命具有重要的應(yīng)用意義。

一、背景介紹

       電池模組作為電動汽車上的主要儲能元件,是電動汽車的關(guān)鍵部件,直接影響電動汽車的性能。電池模組在使用過程中,由于內(nèi)部電芯具有一定的內(nèi)阻,在正常工作時會產(chǎn)生一定熱量,使模組內(nèi)部溫度升高。電芯的正常工作溫度范圍是15～35℃,超過60℃會產(chǎn)生一定的安全隱患,熱量的產(chǎn)生與迅速堆積必然使電池內(nèi)部溫度升高,尤其在高溫環(huán)境下使用或者在大電流充放電時,可能會引發(fā)電池內(nèi)部發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生大量的熱。若熱量來不及散出而在電池內(nèi)部迅速積聚,電池可能會出現(xiàn)漏液、放氣、冒煙等現(xiàn)象,嚴重時電池發(fā)生劇烈燃燒甚至爆炸。為了杜絕這一危險,需要對電池模組進行散熱,從而避免電芯長時間處于高溫狀態(tài),進而影響電芯的性能,降低電芯的使用壽命。

二、散熱冷卻系統(tǒng)的分類

       目前電動汽車采取散熱的方式有風冷、液冷和熱管。

       熱管技術(shù)可以滿足電池組的高溫散熱和低溫預(yù)熱雙工況要求,對溫度變化敏感,溫度均勻性好,作為電池組的冷卻系統(tǒng),有了一定的發(fā)展,但是受布局和體積的限制,在新能源動力電池系統(tǒng)中,采取的散熱方式多種多樣,目前常見的應(yīng)用方式為風冷和液冷。

       風冷是利用散熱風扇帶走散熱器所吸收的熱量,價格相對來說比較低,并且安裝方式簡單便捷,但受環(huán)境和其他因素影響較大,比如氣溫升高或是超頻其散熱性能會大受影響。液冷與風冷相比,價格貴,但具有安靜、降溫穩(wěn)定,對環(huán)境依賴小的優(yōu)點。

       從現(xiàn)有電動汽車動力電池冷卻方式來看,風冷一直占據(jù)主要位置,尤其是日系電動汽車,基本采用的是風冷技術(shù)。隨應(yīng)用環(huán)境對電池的要求越來越高,液冷也成為車企的優(yōu)先方案。我國主流電動乘用車企業(yè)也開始轉(zhuǎn)向液冷系統(tǒng),從中長期趨勢來看,液冷將占據(jù)主流。目前的應(yīng)用形式是,通常會在電池模組中安裝液冷板,并向液冷板中注入液體,來為電芯散熱,液冷板實際工作溫度為10～20℃,利用循環(huán)流動的液冷劑帶走熱量,冷卻電池來達到散熱的目的。

三、液冷板的結(jié)構(gòu)及作用原理

       電池模組對液冷板有一定的要求。首先是散熱功率大,能夠快速把模組產(chǎn)生的熱量帶走,防止溫度的急劇攀升;其次是可靠性高,車輛在道路中行走,處于工作狀態(tài)的電池包要經(jīng)過各種環(huán)境的檢測,振動、沖擊、高低溫等比較嚴酷的工作環(huán)境,動力電池包的工作電壓動輒幾百伏,冷卻液的泄露將會成為一個非常嚴峻的問題,即使使用絕緣性能好的冷卻液,但遇到外部物質(zhì)的摻雜后,也會立即降低它的絕緣性能,造成一定的安全風險,因此,液冷板密封可靠性很重要;再者是散熱設(shè)計要精準,避免系統(tǒng)內(nèi)溫差過大,工作溫度對電池的性能和老化有著很重要的影響;最后是對重量的要求,電池包目前注重輕量化,這就要求包內(nèi)每個部件都要做到輕量化,如果液冷板占取太多的重量,會直接影響電池模組的能量密度,這是無法接受的。

       針對以上問題,液冷板在設(shè)計的過程中一般采用鋁基板埋銅管,即將鋁基板用計算機數(shù)控技術(shù)加工銑槽,再采用沖壓機將已彎好形狀的銅管壓到鋁基板上面,然后進行釬焊焊接。這種設(shè)計,一方面鋁的輕量化起到減重及成本的控制作用,另一方面使銅管的高導(dǎo)熱性能也得到了充分的利用。最后設(shè)置兩個進出口,注入相應(yīng)的液體制冷劑,一般為水或者水和有機醇的混合物(醇可以防止水在低溫下結(jié)冰),水泵控制液體的循環(huán)流通。以水或者其與有機醇的混合液作為液冷散熱劑,是因為在物理學(xué)中,水的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容都比空氣大很多,熱傳導(dǎo)速度快,升溫比較慢,所以說水是一種比較理想的散熱介質(zhì)。在電池包中,因為根據(jù)環(huán)境的不同,在低溫環(huán)境出現(xiàn)時,水容易結(jié)冰,對散熱非常不利,為了解決這個問題,一般采用水和有機醇的混合比例作為制冷劑,結(jié)果得到了很好的驗證。

       液冷板工作的原理是:電池工作產(chǎn)生的多余熱量,通過與板型鋁質(zhì)器件表面接觸的方式傳遞,液冷系統(tǒng)利用液體流動換熱系數(shù)較大的特性,依靠液體流動轉(zhuǎn)移高熱量,最終被器件內(nèi)部流道中通過的冷卻液帶走。

一般液冷板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電池包中液冷板結(jié)構(gòu)

四、液冷板的應(yīng)用

       在一些典型的電動車的應(yīng)用中,液冷板根據(jù)冷卻作用范圍不同,可以分為模組級別和電芯級別的液冷板。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模組級別的液冷板(左)和電芯級別的液冷板(右)位置

       模組級別的液冷板是作為電池包內(nèi)部的一個模組,一般是放在電池模組下面,與電池直接接觸進行散熱。每個車用廠家的設(shè)計有很大的不同,大多數(shù)設(shè)計結(jié)構(gòu)為電池模組-液冷板,也有少數(shù)廠家,為了更好的解決散熱問題,使用電池和模組的并聯(lián)結(jié)構(gòu),從上而下為電池模組-液冷板-電池模組-液冷板(比如Audi Q7 PHEV)。

       電芯級別的液冷板是將水冷板夾在電芯之間,成為電芯模組的一部分,能夠達到更好的散熱效果。不同類型的設(shè)計會根據(jù)廠家的不同而有所變動。

       根據(jù)目前的應(yīng)用形式,在電池包中,一般方形、圓柱電池的液冷系統(tǒng),大多是模組級別,一般放置在電池箱底部位置;軟包電池,則是電芯級別的偏多。

五、液冷板應(yīng)用中遇到的問題及解決方式

       液冷板在使用的過程中可能會遇到一些問題:一方面,部分客戶對電池包測試時發(fā)現(xiàn),采用透氣的發(fā)泡硅膠作為殼體密封,在潮濕環(huán)境中長期使用,電池包內(nèi)部濕度增加及液冷板上下表面溫差,這兩種作用會使電池包內(nèi)部水氣在液冷板下方凝結(jié)為液態(tài)水,產(chǎn)生不安全因素;另一方面,液冷板與電池包直接接觸,這就造成了液冷板長期處于負重狀態(tài),加上自身是金屬結(jié)構(gòu),會產(chǎn)生一定的物理變形,中間位置會產(chǎn)生一定的塌陷,與電池模組的接觸界面會有空隙產(chǎn)生,不利于熱量的傳遞。

       針對以上兩個問題,目前采取的解決方式是:一方面,利用膠或者密封圈對電池包殼體密封,防止外界空氣的進入;另一方面,在托盤底與液冷板中間利用彈簧或者聚丙烯發(fā)泡材料(EPP)等彈性物質(zhì)作為支撐,防止液冷板的下陷,整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 液冷板支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

六、小結(jié)

目前,新能源汽車對動力電池的要求越來越高,這種要求不僅體現(xiàn)在對系統(tǒng)能量密度和系統(tǒng)功率密度上,也體現(xiàn)在電池包的各個方面。要求的提升也意味著電池總的發(fā)熱量也隨著增大,帶來的安全問題不容忽視。傳統(tǒng)的風冷技術(shù)已經(jīng)無法滿足電池高度集成化的需求,液冷方案已逐漸占據(jù)主流。液冷板的有效散熱為電池包的熱管理安全提供了保障,使電池的熱量得到了有效的傳導(dǎo),相信在新能源汽車上會有更加廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)化價值。

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