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电动汽车电池及IGBT芯片热管理解析
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电动汽车电池及IGBT芯片热管理解析

2019-03-06 09:18:36 来源:盖世汽车网 点击:2202

【大比特导读】2018年,在整个车市下行的环境下,新能源汽车的市场表现成为寒冬中的一抹亮色。中汽协数据显示,2018年,我国新能源汽车销量同比大涨61.7%至125.6万辆,超额完成此前规划的100万辆销量目标。而未来几年,新能源汽车市场有望进一步实现爆炸式增长,这对相关技术及部件的发展带来新的空间与挑战,如热管理系统。

五、什么是 IGBT?

我们本身不是做IGBT芯片的,但为了更好的讲解IGBT散热,在这里还是先介绍下什么是IGBT芯片。

 

 

其实本质上来讲,IGBT是一个控制电流通断的开关,通过软件来控制电压的通断。比如在逆变器里面将DC转成AC的话通过PWM控制电压的通断,使输入的直流电变成类似于正弦波的交流电输出,然后交流电去支持三相交流电机的一个运转。

 

 

上面这张图片是非常典型的应用场景:高压电池直流电出来到逆变器,逆变器将直流电转成三相交流电,交流电输入到电机,然后输出功率。整个传递过程传递效率是有限的,只有将近90%的传递效率,这也意味着约有10%的热量产生。

但是现在目前技术应用,包括电机对高功率输入要求,对电压需求的开关频次越来越高,同时需要支持的电压值越来越高,然为满足整车的紧凑化设计,对应的芯片尺寸缺越来越小,因此对应的热接触面积也是越来越少,这对于热管理是很大的挑战。

六、IGBT功率器件的热管理演变

接下来我们对功率器件的热管理演变做下阐述。

 

 

第一代和第二代功率器件热管理都是基于单面散热为主,主要的技术从工业延伸到汽车行业。第一代有散热片,第二代取消散热片后,用导热垫或其他材料替代。流道结构主要是以Pin-fin结构为主。同时,有些厂家也在做双面散热,包括我们接触的很多客户基于未来3-5年的新车型,大部分会考虑双面散热这个技术。

相对于单面散热,双面散热究竟有什么好处呢?下面这张图片我们从热阻和最高温度两个方面的对比可以直观感受到。

 

 

在总的流量相同的前提下,双面散热器的芯片节点到冷却液的整个传递路径过程中的热阻要比单面散热器低32%-33%左右。而在基于分配到每个单片的散热器流量相等的前提下,双面散热器芯片节点到冷却液的热阻要比单面散热器低39%左右。

此外,在同样热负载的情况下,双面散热器芯片的节点温度175°,而对应的单面散热器是220° ,可能他们用的时间差不多,但最终达到的温度值明显不一样的,双面散热器要比单面低很多。

此外,双面散热器从结构设计来讲,灵活性还是比较大的,两个不同散热器可以实现串联或并联,取决于不同的应用场景。此外,流量分配的灵活性也是比较大的,最终我们要确保分配到单个散热器的流量尽可能均衡。同时可在散热器内部集成高性能的翅片,去降低对流换热的热阻,另外我们也有可变高度的密封圈,灵活调整密封压力,降低泄漏风险。在不需要二次加工的前提下,散热器本身和芯片接触区域的平面度可以达到50微米。

 

 

以下是我们量产案例的介绍,双面散热器我们2016年就在北美市场实现量产,供给车型是宝马i3和沃尔沃的XC90。同时德纳无锡也会在2019年中旬给国内车型实现批量生产,终端客户4-5家左右。

 

 

针对于后续潜在需求,我们也在做一些多层结构的设计。同时在某些应用场景,我们的铝材可以升级为铜,因为铜的传热效率是铝的3倍左右,铜散热器我们也会在2020年于德纳无锡实现量产。

 

 

七、关于德纳

最后,对于德纳也给大家做个介绍,我们是家美资公司,总部位于美国俄亥俄州莫米市,2017年全球销售额72亿美元,2018年的销售额超81亿美元,全球拥有超过3万名员工、22个研发中心。

 

 

整个德纳根据服务的市场不同分为四个业务集团:轻型车传动系统,商用车传动系统,非公路车辆传动系统以及动力技术事业部,我们部门属于动力技术事业部。

 

 

德纳动力技术集团2017年的销售额11亿美金,全球5000名员工。以下我们事业部的全球布局,我们在亚太主要是印度和中国市场,而在中国无锡有研发中心和工厂,在盐城有工厂。

 

 

目前我们大部分产品集中于传统的发动机和变速箱的热管理和密封产品,而对于新能源汽车主要是电池冷却板和IGBT的双面散热器。?

 

 

非常感谢大家,今天的问题到此结束,大家有什么问题,可以提问。

以下是微课堂期间参会人员提问及嘉宾的相关答复:

Q1、IGBT目前发展状况如何,从芯片到模块再到逆变器总成,行业内的供应链现状?

曹岳:目前整个供应链体系而言,IGBT芯片是底层,再往上是模块,然后是逆变器总成,终端是OEM。

IGBT芯片,市场份额最大的是英飞凌,而一些主机厂如比亚迪和丰田都有自己的芯片。而到了模组和总成这一级别有很多竞争对手,如博世、电装、法雷奥等。不过,就整个供应链而言,垂直整合比较好的有两家,比亚迪和丰田。

Q2、IGBT 热管理技术目前行业状态及后续发展方向?

曹岳:针对这个问题我们无法概况整个行业,目前主要应用还是单面散热为主,但是我们接触到的未来3-5年内会量产的新车型,大多都在开发双面散热这一块。

Q3、电池水冷板设计时需要考虑哪些因素?

曹岳:我们需要从整个系统层级去考虑,如压力降,散热效率,能达到的均温性,水冷板安装方式,电池模组和底部的安装方式等等,承载式还是非承载式,这些因素决定了水冷板的结构类型。

Q4、能否介绍下下一代SiC产品的应用进展?国内企业目前跟国外的差距与应用现状?

曹岳:碳化硅的话优势很明显,热膨胀系数很小,热阻也很小,非常适合用于IGBT。但目前实现量产的不是很多,因为材料成本比较高,集成话难度也比较高,但不可否认的是其作为下一代技术,各个主机厂和公司会去进一步研发。

Q5、电池热管理系统目前技术上存在的问题有哪些?未来发展趋势?一体化冷板或单个模组配单个冷板?

曹岳:未来的发展趋势是一体化的还是小尺寸的,也即是单个模组配单个冷板,这个问题我们经常会遇到,每个客户的侧重点不一样。

集成化优势很明显,接口数量会大幅降低,进而减少泄漏的风险。但是它对于流道的设计要求很高,就是你通过一个大尺寸的冷板,如何将总的流量精确分布到每个模组下面,这对流道设计是比较大的挑战。而小尺寸的冷板,单个模组配单个水冷板的话,它可以通过管路的设计非常容易实现流量的均衡性,但是它的接口数量会大幅增加,而对应的泄漏的风险也会增加。

无论是大的冷板还是小的冷板,从整个系统级别考虑,现在无法知道哪个技术方案的系统成本会更高,因为大尺寸的冷板虽然接口数量减少,对应的接口成本相对低,然加工工艺会大幅增加,况且这个增加不是几何级别的增加。

Q6、您如何看待电动汽车热管理行业未来格局?

曹岳:这个领域竞争还是比较激烈的,有像我们德纳这样的从传统热管理切到新能源热管理,也有很多新进入的企业,市场空间很大,而相对来说竞争也很大。

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