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技术分享 | 新能源汽车动力电池液冷散热简介
DATE:2021-08-05 19:12:36

尽管汽车市场已进入数十年寒冬,但在细分市场方面,新能源汽车依然是当前最为火热的领域之一。

新型汽车产业背景。

而在国外,作为领头羊,特斯拉推动汽车业向电动化、智能化发展,传统主流汽车厂商已从以往的观望与谨慎,纷纷加大投入,积极布局电动汽车战略。

新能源汽车在国内被列为国家战略新兴产业,从直接补贴政策到市场化推动的“双积分”政策,一直以来都受到相关部门的重视和支持。

据中国汽车工业协会统计,2019年1~6月,中国汽车行业整体产销量分别为1213.2万辆和1232.3万辆,比去年同期分别下降13.7%和12.4%,但新能源汽车依然保持高速发展,产销量分别为61.4万辆和1232.3万辆。到2025年,全球新能源汽车的销量预计仅轿车就将达到1100万辆。

对新能源汽车电池和散热的研究。

基于电动汽车动力电池更高续航里程的追求,高镍化技术是目前业界最关注的焦点。近几年,技术上已经可以稳定装车的可能性在250-260Wh/kg/kg之间,300Wh/kg是一个突破。怎样通过电池的热管理来平衡经过提升后的能量密度,是目前最迫切的任务。

热工管理系统作为新能源汽车的重要组成部分,在快速增长的整车需求和价值提升的双重驱动下,未来市场空间巨大。

新能源客车预计销售110万辆,2020年达到150万辆,其中液冷式热管系统约占70%,风冷式热管系统占30%左右。相应的汽车空调系统市场空间约为25.3亿元,占34.5亿元;整车热管理系统为70亿元,96亿元。

新型汽车动力电池分类研究。

当前,锂电池的封装形式主要有圆柱型、方型和软包三种。圆筒形、方形电池外包装多为钢壳或铝壳。软包外包装为铝塑薄膜,其实软包也是一种方形,市场上习惯把铝塑膜包装的叫软包,也有人把软包电池叫做聚合物电池。各种封装结构意味着不同的特性,各有优缺点。

圆筒电池

软包装电池

方块电池

电池组特征

蓄电池主要由正极、隔膜、负极、电解液、电池壳等组成。

正极

一般使用锰酸锂或钴酸锂,镍钴锰酸锂材料是镍钴锰酸锂,电动自行车通常是镍钴锰酸锂(俗称三元)或三元+少量锰酸锂,纯锰酸锂是纯锰酸锂,纯锰酸锂是镍钴锰酸锂材料,纯锰酸锂是纯锰酸锂材料。用厚度为10-20微米的电解铝箔进行导电。

膜片

一种经过特殊成型的聚合物薄膜,具有微孔结构,可使锂离子自由穿过,而电子却不能通过。

负极

活性物是石墨,或近似石墨结构的碳,导电的集液用厚度7-15微米的电解铜箔。

电解。

锂电池组的正负极间作为传导离子,是锂离子电池获得高电压、高比能量等优点的保证。通常是用高纯度的有机溶剂、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。

电池箱。

可分为钢外壳(很少用)、铝壳、镀镍铁外壳(圆柱电池)、铝塑薄膜(软包装)等。

蓄电池的物理参数。

旅行的独特方式。

对于电池液冷散热设计,可通过降低单电池厚度、采用双面冷却技术、加入高导热材料等措施来减小电池内到液冷板间的热阻。

电池液冷设计要求

在保证电池性能的同时,温度是保证电池性能的重要参数之一,适宜的工作温度可以有效地减缓电池的老化、鼓包和安全问题,同时能发挥电池的最佳性能。

在普通电池包中,多个电池单体被集成在一起,单体性能的一致性直接影响着电池的整体性能和寿命。单体电池处于电池包中不同位置时,其散热条件也不相同。蓄电池的液冷板性能主要取决于:

总体而言,电池包内部保持在合理的温度范围内;

各种电池单体的温差尽量小;

电池组与液冷板间的接触热阻尽可能小;

冷却液与冷板之间的热阻小;

对冷却液流量均匀性的要求,在冷板上进行。

液体冷板密封可靠性要求;

液体冷板的轻量化要求;

电池热阻较小,有利于将电池组的热量更快地传到液冷板上,同时较小的热阻有利于对流换热。制冷剂流动速度均匀,是保证散热均匀、降低局部温度过高的前提条件。

与此同时,车辆在行驶过程中振动、冲击、高低温交替等现象不可避免,密封可靠度高的液冷板可有效防止冷却液泄漏造成不能散热、电池温度过高甚至引发电池爆炸等问题。

电源系统追求能量密度高,所以对液冷板的重量有严格的要求,如果液冷板过重,会严重拉低系统能量密度,用户和设计人员都不能接受。

液体冷板冷却效果的主要因素。

冷却剂温度

冷却液温度低,电池与冷板接触部分温度低,远离冷板,两者温度相差较大,两者的温差较大;另一方面,在电池包内循环的过程中,从进口到出口的温度都会发生变化,所以电池单体的温度会有所不同。只有精确的系统级热设计才能解决这一问题,而不仅仅是简单地调节冷却液温度。

冷却液流量

制冷剂流量越大,单位时间带走的热量越多,进出口温差越小,但相应的泵功率大,耗能大,液体压力大,同时泵的规格不同,同样情况下,流量大的泵一般成本较高。盲目地追求大流量将会导致能量消耗、液体压力增加、成本增加,同时对液冷循环系统的强度也是一大考验。

蓄电池液冷散热系统。

动力电池包是新能源汽车的核心部件,其液冷板的性能直接影响着电池包的散热和功率密度的提高。针对系统能量密度较高的要求,研制开发了一种轻量化、超薄液冷板,采用最新的吹胀成型技术,有效地降低了冷板的重量。

实例一:超薄型液冷板。

为了提高冷却性能,在不改变进出口流道的结构布局的前提下,通过优化流道,提高了温度均匀性,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。

实例2:板翅式高效热交换冷板。

采用无钎剂真空钎焊技术,在上下导热板内填充锯齿形换热翅片,在改善换热性能的同时,改善了流道均匀性。该工艺具有表面洁净度高、流道性好、耐腐蚀性能强、成本低等优点。

板式液冷板截面图

换热板锯齿型。

液体冷板热模拟图

液体冷板实物图


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