新能源汽車動力電池液冷散熱簡介

熱管理 2021-06-27

新能源汽車動力電池液冷散熱簡介

新能源汽車行業(yè)背景

在海外，特斯拉作為引領(lǐng)者，推動汽車行業(yè)向電動化、智能化發(fā)展，傳統(tǒng)主流車企由過去的觀望和謹慎，紛紛加大投入，積極布局電動汽車戰(zhàn)略。

在國內(nèi)，新能源汽車被列為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，從直接的補貼政策到市場化驅(qū)動的雙積分政策，新能源汽車的發(fā)展一直以來受到相關(guān)部門的關(guān)注與支持。

根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，2019年1~6月，中國汽車產(chǎn)業(yè)整體產(chǎn)銷量分別為1213.2萬輛和1232.3萬輛，同比分別下跌13.7%和12.4%，但是，新能源汽車依舊保持高速發(fā)展，產(chǎn)銷量分別為61.4萬輛和61.7萬輛，同比分別增長48.5%和49.6%。預計2025年全球新能源汽車僅乘用車銷量就將達到1100萬輛。

新能源汽車電池與散熱概況

出于電動汽車動力電池更高續(xù)航里程的追求，目前高鎳化是行業(yè)內(nèi)最為關(guān)注的重點。近年來，技術(shù)上已經(jīng)能穩(wěn)定上車的可能在250-260Wh/kg之間，300Wh/kg將是一個突破口。如何通過電池熱管理平衡能量密度提升之后的安全性能，是最為緊迫的一項任務(wù)。

作為新能源汽車的重要組成部分，熱管理系統(tǒng)在整車需求量快速增長、單車價值量提升的雙重驅(qū)動下，未來市場空間巨大。

預計2019年新能源乘用車銷量110萬輛，2020年達150萬輛，其中采用液冷型熱管理系統(tǒng)約占70%，風冷型熱管理系統(tǒng)約占30%。相對應(yīng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)市場空間約有25.3億元、34.5億元，整車熱管理系統(tǒng)則是70億元與96 億元。

新能源汽車動力電池分類

目前，主流的鋰電池封裝形式主要有三種，即圓柱、方形和軟包。圓柱和方形電池的外包裝多為鋼殼或者鋁殼。軟包外包裝為鋁塑膜，其實軟包也是一種方形，市場上習慣將鋁塑膜包裝的稱為軟包，也有人將軟包電池稱為聚合物電池。不同的封裝結(jié)構(gòu)意味著不同的特性，它們各有優(yōu)缺點。

方形電池

圓柱電池

軟包電池

電池特性

動力電池主要由：正極、隔膜、負極、電解液、電池外殼組成。

正極

活性物質(zhì)一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，鎳鈷錳酸鋰材料，電動自行車則普遍用鎳鈷錳酸鋰（俗稱三元）或者三元+少量錳酸鋰，純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。導電集流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔

隔膜

一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過

負極

活性物質(zhì)為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳，導電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔

電解液

在鋰電池正、負極之間起到傳導離子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點的保證。一般由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的。

電池外殼

分為鋼殼（方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等。

電池材料物理參數(shù)

在電池液冷散熱設(shè)計中，可以通過降低單電池厚度、采用雙面冷卻技術(shù)、填充高導熱材料等措施減小電池內(nèi)部到液冷板之間的熱阻。

電池液冷板設(shè)計要求

溫度是確保動力電池性能最重要的參數(shù)之一，適宜的工作溫度，能夠有效減緩電池的老化、鼓包和安全性問題，同時能夠發(fā)揮電池的最優(yōu)性能。

通常的動力電池包內(nèi)，集成了多個電池單體，單體性能的一致性直接影響電池組整體的性能和壽命。處在電池包內(nèi)不同位置的電池單體，其散熱條件也有所不同。動力電池的液冷板的性能主要取決于：

A 電池包內(nèi)部整體維持在合理溫度范圍內(nèi)；

B 不同電池單體的溫差盡可能小；

C 電池與液冷板之間的接觸熱阻盡可能得小;

D 冷卻液與冷板的熱阻小；

E 冷板內(nèi)的冷卻液流速均勻性要求；

F 液冷板密封可靠性要求；

G 液冷板輕量化要求；

電池與液冷板的熱阻小，有利于把電池的熱量更快傳導至液冷板，同時更小的熱阻有利于冷卻液更好的進行對流換熱。冷卻液流速的均勻性，是保障散熱的均勻性，減少局部溫度過高的前提。

同時，車輛在行駛過程中振動、沖擊、高低溫交替等情況不可避免，密封可靠性高的液冷板可以有效防止因冷卻液泄漏導致的無法散熱、電池溫度過高甚至引起電池爆炸等問題。

動力電池系統(tǒng)對能量密度有著很高的追求，因此對液冷板的重量有嚴格的要求，若液冷板過重，將嚴重拉低系統(tǒng)能量密度，客戶和設(shè)計者都將無法接受。

影響液冷板冷卻效果的主要因素

冷卻液的溫度

在冷卻過程中，冷卻液的溫度低，電池與冷板接觸部分的溫度低，遠離冷板的位置，溫度高，二者的溫差較大；另一方面，冷卻液在電池包內(nèi)部循環(huán)過程中，從進口到出口，溫度一直在發(fā)生變化，因此電池單體的溫度有所不同。需進行深入的分析，只有精確的系統(tǒng)級的熱設(shè)計可以解決這個問題，而不只是簡單的調(diào)節(jié)冷卻液溫度。

冷卻液流量

冷卻液的流量越大，單位時間內(nèi)帶走的熱量越多，進出口的溫差越小，但對應(yīng)的泵的功率大，能耗高，液體壓強大，同時泵具有不同的規(guī)格，相同條件下，流量大的泵通常成本更高。一味的追求大流量將導致能耗、液體壓強和成本增加，對液冷循環(huán)系統(tǒng)的強度也是一個很大的考驗，泄漏風險上升。

電池液冷散熱解決方案

作為新能源汽車的核心組成部分的動力電池包，其液冷板的性能直接關(guān)系到電池包散熱的好壞和功率密度的提升。在更高的系統(tǒng)能量密度的要求下，研發(fā)了輕量化超薄液冷板，采用最新的吹脹成型技術(shù)，最薄處為0.6mm，有效降低了冷板的重量。

案例一：超薄液冷板