動力電池包液冷板概述分析
隨著傳統能源的緊缺和環境問題的日益突出,作為可代替傳統汽車的新能源汽車的發展越來越成為人們關注的熱點。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,需要控制內部結構溫度,因此,增加整體結構的散熱性能顯得至關重要。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,由于內部電芯具有一定的內阻,在正常工作時會產生一定熱量,使模組內部溫度升高。電芯的正常工作溫度范圍是15～35℃,超過60℃會產生一定的安全隱患,熱量的產生與迅速堆積必然使電池內部溫度升高,尤其在高溫環境下使用或者在大電流充放電時,可能會引發電池內部發生劇烈的化學反應,產生大量的熱。若熱量來不及散出而在電池內部迅速積聚,電池可能會出現漏液、放氣、冒煙等現象,嚴重時電池發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,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。
熱管技術可以滿足電池組的高溫散熱和低溫預熱雙工況要求,對溫度變化敏感,溫度均勻性好,作為電池組的冷卻系統,有了一定的發展,但是受布局和體積的限制,在新能源動力電池系統中,采取的散熱方式多種多樣,目前常見的應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、降溫穩定,對環境依賴小的優點。
從現有電動汽車動力電池冷卻方式來看,風冷一直占據主要位置,尤其是日系電動汽車,基本采用的是風冷技術。隨應用環境對電池的要求越來越高,液冷也成為車企的優先方案。我國主流電動乘用車企業也開始轉向液冷系統,從中長期趨勢來看,液冷將占據主流。目前的應用形式是,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、液冷板的結構及作用原理
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,處于工作狀態的電池包要經過各種環境的檢測,振動、沖擊、高低溫等比較嚴酷的工作環境,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;再者是散熱設計要精準,避免系統內溫差過大,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控技術加工銑槽,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熱性能也得到了充分的利用。最后設置兩個進出口,注入相應的液體制冷劑,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冰),水泵控制液體的循環流通。以水或者其與有機醇的混合液作為液冷散熱劑,是因為在物理學中,水的熱傳導系數和比熱容都比空氣大很多,熱傳導速度快,升溫比較慢,所以說水是一種比較理想的散熱介質。在電池包中,因為根據環境的不同,在低溫環境出現時,水容易結冰,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,結果得到了很好的驗證。
液冷板工作的原理是:電池工作產生的多余熱量,通過與板型鋁質器件表面接觸的方式傳遞,液冷系統利用液體流動換熱系數較大的特性,依靠液體流動轉移高熱量,最終被器件內部流道中通過的冷卻液帶走。
一般液冷板的結構如圖1所示。
圖1 電池包中液冷板結構
四、液冷板的應用
在一些典型的電動車的應用中,液冷板根據冷卻作用范圍不同,可以分為模組級別和電芯級別的液冷板。結構如圖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。每個車用廠家的設計有很大的不同,大多數設計結構為電池模組-液冷板,也有少數廠家,為了更好的解決散熱問題,使用電池和模組的并聯結構,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。不同類型的設計會根據廠家的不同而有所變動。
根據目前的應用形式,在電池包中,一般方形、圓柱電池的液冷系統,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現,采用透氣的發泡硅膠作為殼體密封,在潮濕環境中長期使用,電池包內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部水氣在液冷板下方凝結為液態水,產生不安全因素;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,加上自身是金屬結構,會產生一定的物理變形,中間位置會產生一定的塌陷,與電池模組的接觸界面會有空隙產生,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泡材料(EPP)等彈性物質作為支撐,防止液冷板的下陷,整體設計結構如圖3所示。
圖3 液冷板支撐結構設計
六、小結
目前,新能源汽車對動力電池的要求越來越高,這種要求不僅體現在對系統能量密度和系統功率密度上,也體現在電池包的各個方面。要求的提升也意味著電池總的發熱量也隨著增大,帶來的安全問題不容忽視。傳統的風冷技術已經無法滿足電池高度集成化的需求,液冷方案已逐漸占據主流。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,相信在新能源汽車上會有更加廣闊的應用前景和商業化價值。
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