水冷板百科(动力电池包液冷板概述分析)

随着传统能源的紧缺和环境问题的日益突出,作为可代替传统汽车的新能源汽车的发展越来越成为人们关注的热点。电池包,作为新能源汽车的核心部件,安全问题的重要性可见一斑。电池包的内部温度直接影响其安全性,进而影响到整车的使用安全。提高电池包的安全性,需要控制内部结构温度,因此,增加整体结构的散热性能显得至关重要。液冷板的使用,对保证电池包的安全性、提高使用寿命具有重要的应用意义。

一、背景介绍

电池模组作为电动汽车上的主要储能元件,是电动汽车的关键部件,直接影响电动汽车的性能。电池模组在使用过程中,由于内部电芯具有一定的内阻,在正常工作时会产生一定热量,使模组内部温度升高。电芯的正常工作温度范围是15～35℃,超过60℃会产生一定的安全隐患,热量的产生与迅速堆积必然使电池内部温度升高,尤其在高温环境下使用或者在大电流充放电时,可能会引发电池内部发生剧烈的化学反应,产生大量的热。若热量来不及散出而在电池内部迅速积聚,电池可能会出现漏液、放气、冒烟等现象,严重时电池发生剧烈燃烧甚至爆炸。为了杜绝这一危险,需要对电池模组进行散热,从而避免电芯长时间处于高温状态,进而影响电芯的性能,降低电芯的使用寿命。

二、散热冷却系统的分类

目前电动汽车采取散热的方式有风冷、液冷和热管。

热管技术可以满足电池组的高温散热和低温预热双工况要求,对温度变化敏感,温度均匀性好,作为电池组的冷却系统,有了一定的发展,但是受布局和体积的限制,在新能源动力电池系统中,采取的散热方式多种多样,目前常见的应用方式为风冷和液冷。

风冷是利用散热风扇带走散热器所吸收的热量,价格相对来说比较低,并且安装方式简单便捷,但受环境和其他因素影响较大,比如气温升高或是超频其散热性能会大受影响。液冷与风冷相比,价格贵,但具有安静、降温稳定,对环境依赖小的优点。

从现有电动汽车动力电池冷却方式来看,风冷一直占据主要位置,尤其是日系电动汽车,基本采用的是风冷技术。随应用环境对电池的要求越来越高,液冷也成为车企的优先方案。我国主流电动乘用车企业也开始转向液冷系统,从中长期趋势来看,液冷将占据主流。目前的应用形式是,通常会在电池模组中安装液冷板,并向液冷板中注入液体,来为电芯散热,液冷板实际工作温度为10～20℃,利用循环流动的液冷剂带走热量,冷却电池来达到散热的目的。

三、液冷板的结构及作用原理

电池模组对液冷板有一定的要求。首先是散热功率大,能够快速把模组产生的热量带走,防止温度的急剧攀升;其次是可靠性高,车辆在道路中行走,处于工作状态的电池包要经过各种环境的检测,振动、冲击、高低温等比较严酷的工作环境,动力电池包的工作电压动辄几百伏,冷却液的泄露将会成为一个非常严峻的问题,即使使用绝缘性能好的冷却液,但遇到外部物质的掺杂后,也会立即降低它的绝缘性能,造成一定的安全风险,因此,液冷板密封可靠性很重要;再者是散热设计要精准,避免系统内温差过大,工作温度对电池的性能和老化有着很重要的影响;最后是对重量的要求,电池包目前注重轻量化,这就要求包内每个部件都要做到轻量化,如果液冷板占取太多的重量,会直接影响电池模组的能量密度,这是无法接受的。

针对以上问题,液冷板在设计的过程中一般采用铝基板埋铜管,即将铝基板用计算机数控技术加工铣槽,再采用冲压机将已弯好形状的铜管压到铝基板上面,然后进行钎焊焊接。这种设计,一方面铝的轻量化起到减重及成本的控制作用,另一方面使铜管的高导热性能也得到了充分的利用。最后设置两个进出口,注入相应的液体制冷剂,一般为水或者水和有机醇的混合物(醇可以防止水在低温下结冰),水泵控制液体的循环流通。以水或者其与有机醇的混合液作为液冷散热剂,是因为在物理学中,水的热传导系数和比热容都比空气大很多,热传导速度快,升温比较慢,所以说水是一种比较理想的散热介质。在电池包中,因为根据环境的不同,在低温环境出现时,水容易结冰,对散热非常不利,为了解决这个问题,一般采用水和有机醇的混合比例作为制冷剂,结果得到了很好的验证。

液冷板工作的原理是:电池工作产生的多余热量,通过与板型铝质器件表面接触的方式传递,液冷系统利用液体流动换热系数较大的特性,依靠液体流动转移高热量,最终被器件内部流道中通过的冷却液带走。

一般液冷板的结构如图1所示。

图1 电池包中液冷板结构

四、液冷板的应用

在一些典型的电动车的应用中,液冷板根据冷却作用范围不同,可以分为模组级别和电芯级别的液冷板。结构如图2所示。

图2 模组级别的液冷板(左)和电芯级别的液冷板(右)位置

说明:这两个图均摘自 百家号 动力电池技术

模组级别的液冷板是作为电池包内部的一个模组,一般是放在电池模组下面,与电池直接接触进行散热。每个车用厂家的设计有很大的不同,大多数设计结构为电池模组-液冷板,也有少数厂家,为了更好的解决散热问题,使用电池和模组的并联结构,从上而下为电池模组-液冷板-电池模组-液冷板(比如Audi Q7 PHEV)。

电芯级别的液冷板是将水冷板夹在电芯之间,成为电芯模组的一部分,能够达到更好的散热效果。不同类型的设计会根据厂家的不同而有所变动。

根据目前的应用形式,在电池包中,一般方形、圆柱电池的液冷系统,大多是模组级别,一般放置在电池箱底部位置;软包电池,则是电芯级别的偏多。

五、液冷板应用中遇到的问题及解决方式

液冷板在使用的过程中可能会遇到一些问题:一方面,部分客户对电池包测试时发现,采用透气的发泡硅胶作为壳体密封,在潮湿环境中长期使用,电池包内部湿度增加及液冷板上下表面温差,这两种作用会使电池包内部水气在液冷板下方凝结为液态水,产生不安全因素;另一方面,液冷板与电池包直接接触,这就造成了液冷板长期处于负重状态,加上自身是金属结构,会产生一定的物理变形,中间位置会产生一定的塌陷,与电池模组的接触界面会有空隙产生,不利于热量的传递。

针对以上两个问题,目前采取的解决方式是:一方面,利用胶或者密封圈对电池包壳体密封,防止外界空气的进入;另一方面,在托盘底与液冷板中间利用弹簧或者聚丙烯发泡材料(EPP)等弹性物质作为支撑,防止液冷板的下陷,整体设计结构如图3所示。

图3 液冷板支撑结构设计

六、小结

目前,新能源汽车对动力电池的要求越来越高,这种要求不仅体现在对系统能量密度和系统功率密度上,也体现在电池包的各个方面。要求的提升也意味着电池总的发热量也随着增大,带来的安全问题不容忽视。传统的风冷技术已经无法满足电池高度集成化的需求,液冷方案已逐渐占据主流。液冷板的有效散热为电池包的热管理安全提供了保障,使电池的热量得到了有效的传导,相信在新能源汽车上会有更加广阔的应用前景和商业化价值。