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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:2112

【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。

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。

传统汽车的热管理系统主要集中于发动机、变速器的散热系统和汽车空调,而新能源车的热管理系统涵盖了新能源汽车几乎所有的组成部分,相对而言,后者对于综合热管理有更高的需求,例如怎样使被冷却部件维持在最佳工作范围内,如何使芯片支持最大的功率输出等,这些对热管理工作均提出较大的挑战。

 

 

针对此,近日,盖世汽车微课堂特邀请德纳(无锡)技术有限公司先期技术销售及工程经理曹岳,以“电动汽车电池及IGBT芯片热管理”为主题,与行业朋友进行了分享与交流,以下为现场演讲实录,供参阅!

本期演讲嘉宾个人简介:

 

 

演讲内容:

一、电池为何会发热 ?

关于新能源汽车热管理产品种类比较多,今天我们集中会讲到电池热管理和IGBT双面散热器。首先从电池热管理讲起,大家可能会比较好奇的问题是电池为何会发热?简单来讲,电池本身被视作一个大的电阻,当有电流通过的时候就会发热。

 

 

从我上面图片可以看到,电池的热量是电流的平方乘以电池的内阻。所以理论上来说,当电池的内阻是一定的情况下,电流越大,电池的发热量越大。

当我们了解到电池为什么会发热后,那么真实反映到电动汽车行驶工况下发热量究竟该怎么计算?我们做了一些案例分析,请见以下图片,第一个是基于UDDS的行驶工况,这是美国城市道路的一个行驶工况,同时也有US06的(US06是在UDDS的基础上,加上了其他道路的行驶工况),在这两种工况下,电流的输入和输出情况如何?同时,电流的输入和输出对应产生的热负载是什么情况?在这个图片中均可以得到很好的解释。

 

 

二、为什么需要电池热管理?

我们知道了电池因为电流发热,也知道电动汽车在行驶过程中会有电流的输入和输出,那么接下来的一个问题是为什么我们需要电池热管理呢?

其实,电池本身跟人是比较类似的,它要求环境温度不能太高也不能太低,如果温度太高,离子活性比较强,寿命会受到影响;而温度比较低的话,充电放电效率会大幅降低,因此我们需要将电池保持在一个比较合适的工作温度范围内。

目前我们做的开发,大部分客户要求的电池工作最佳温度区间是25°~40°,对于整个电池包内电池均温性要求的话,在同一个平面内,电池的均温性要小于5°。

 

 

那么,如果电池热量没有被及时带走的话,将会带来什么样的后果呢?

我们通过一个案例来分析,这个分析是基于US06的行驶工况来的,在电池的环境温度处于20°、35°、50°情况下做个对比,在行驶100000英里的情况下,当电池环境温度是50°的话,电池的衰减是非常厉害的,已经超过40%,而当电池环境温度在20°左右的情况下,它的衰减则不到20%。所以通过这个案例,我们可以直观感受到电池为何要降温。对于现有市场需求的话,如快充或者对于高性能电机输出需求,这都需要大电流的输出。另外对于PHEV而言,因为电池容量小,它的充放电倍率比传统BEV要高很多……,基于以上因素,提高电池热管理有比较大的市场需求。

 

 

三、电池冷却板类型

了解完电池热管理,下面我们来谈下电池冷却板,对于目前市场上电池冷却板的形式,我们自己总结了下,主要有三种结构:板式、管式、蛇形。

 

 

第一种板式结构应用范围比较广,从方型电池到软包电池再到圆柱形电池都可以用。其冷却类型也较为多样,可以做电池底部冷却,也可以做电芯到电芯之间的冷却。

第二种管式结构局限性比较大,用在方型电池底部冷却比较多一些。

第三种蛇形结构,这种大家应该比较熟悉,就是特斯拉圆柱形电池的液冷板。

基于不同类型的冷却板他们对应的加工工艺也是有区别的,板式结构的工艺方式是比较多样化的,有冲压连续炉带助焊剂钎焊,也有冲压连续炉无助焊剂钎焊,还有冲压真空焊以及挤压钎焊等,而我们德纳关注的主要是冲压连续炉无助焊剂钎焊。而管式和蛇形结构主要是挤压+钎焊的形式。

 

 

那么接下来我要讲的是三种钎焊工艺之间优缺点的对比:

首先是带焊料连续炉钎焊,这个工艺现在用的非常多,本身涂助焊剂的目的是防止铝材在钎焊过程中产生氧化(产生三氧化二铝),因为氧化层对钎焊的质量会产生非常大的挑战。不过涂钎焊剂也有一个危害是清洁度会受到影响,因为不能保证内腔中涂的钎焊剂能够100%的被清洗掉。

第二种是真空焊,顾名思义是在完全真空状态下做的钎焊,此工艺不用担心氧化层的出现,不过它的缺点是连续性不够强,可能放一批产品到真空炉后要五六个小时才能取出来,这样导致生产节奏会比较缓慢。

第三种是德纳的一个专利技术“无焊料连续钎焊”,我们通过在原材料上集成镀镍的涂层,在可以使用连续炉钎焊的条件下,不用涂钎焊剂,这样一方面最大限度保证清洁度,另一方面可以实现产品的连续化生产,保证生产节拍。

四、关于电池冷却板 德纳的技术解决方案

下面具体给大家具体分析下我们已经量产的相关技术解决方案:

第一个给大家分享的是通用沃兰达的软包电池的电芯间电池冷却板,这个产品我们从2010年开始给通用沃兰达批量供货,截止2017年底已经供应超过1590万片的冷板,这个冷板非常薄,总厚度1mm,上下表面集成了一个3500V的高压膜。

 

 

第二款是福特福克斯的EV,此款车在北美市场销售,我们的产品是在2012年左右实现量产,厚度1.2mm,集成了3500v的高压膜,设计本身抗挤压强度超过2bar。

 

 

接下来这个产品,是我们2017年底投产的电芯间电池冷却板,总厚度1.2mm,流道高度0.8mm,值得一提的是,我们采取了并联的流道设计可以将冷却液引流到温度高的区域,从而实现最佳的电池均温性。

 

 

还有一个是我们在2015年量产的底部冷却板,针对方型电池,终端客户是菲亚特,截止2017年底,已供应超过53000片。

 

 

同时针对于下一代电池冷板的设计开发我们也做了一些工作,像目前市场上主流的电池冷板它的流道形式都是U型,取决于电池包的空间,需要把进口和出口布置在同一侧,以便于更高效的管路设计。但是带来的缺点是,当冷却液从一端进入后会吸收电池热量,从另一端出来,这样在冷却液本身同一个截面之内会有一定温差,而这一温差会反应到电池模组底部,对电池模组底部在同一个截面而言的话温差还是很大的。

 

 

基于这种状态,德纳开发了一个新型的流道――对流流道,这也是我们的专利。我们通过对流道进行设计,将进口的冷却液和出口的冷却液充分打散,尽可能使同一个截面内的冷却液温度保持均衡,反应到电池模组底部的话,它的均温性、包括对于电池模组底部最高温度都有很大的帮助。这个好处是我们并不需要对冷板的尺寸做任何要求,在原来的U型流的情况下通过改变流道的方式,就可以优化电池最高温度及均温性。

 

 

而以下这张图片是对电池冷板的生产工艺做个简单的介绍,从原材料的冲压,到无焊料钎焊、激光焊接(主要是针对接管的激光焊接)、泄漏测试、终检,这些所有的工艺在德纳于2018年在盐城投资的新工厂都可以实现。

 

 

而今年,我们有一些项目和产品将在盐城工厂实现量产,其中两个是自主品牌一个合资品牌。

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