热传导-TC 浅谈EV电动车热管理测试方案
浅谈EV电动车热管理测试方案
以电为驱动力的电动车有着高电压、高功率、高温等特性，功率器件必须适应运行环境，帮助电动汽车更高效、更节能地完成能量的传递和输出。针对电动车的热管理便是重要的课题，目前的电动车热管理方案大致分成四种：气冷、液冷、直冷、相变化材料冷却。本篇我们将探讨Tesla车系所使用的液体冷却(liquid cooling)热管理方案。
液冷是透过冷却液间接与电池作热交换，将电池产生的热量带走来降低电池温度。选择的液体目前主流为乙二醇，具有热传导系数大、比热大，对降低较高温度、提升电池包均温性效果显著等特点。同时，热管理系统的体积也相对较小。液冷系统形式较为灵活：可将电池单体或模块沉浸在液体中，也可在电池模块间设置冷却通道，或在电池底部采用水冷板。电池与液体直接接触时，液体必须确保绝缘(如矿物油)避免短路。同时，液冷系统对于气密性、机械强度、耐振动性以及寿命要求也是非常高的。液冷是目前许多电动车的优先选择，典型产品如BMW i3、Tesla车系。
我们以Tesla Model S电池板结构为例， Tesla电池板是由16个电池组串联在电池底板上，每组电池组由444节锂电池，每74节并联形成。因此特斯拉Model S电池组板由7104节18650锂电池组成。这款电池板的特点就是电池和冷却系统结合在一起的。由于电池在蓄能和放电的过程中，电解等化学作用会释放大量的热，这是电池产品的通病，所以冷却系统显得非常重要。如下图所示，特斯拉的冷却管道就密密麻麻的分布在这些电池组当中，通过冷却液的循环带走这些多余的热量。同样国内很多电动汽车品牌也使用同样思维带走电池所产生的热量。
液冷是透过冷却液间接与电池作热交换，将电池产生的热量带走来降低电池温度。选择的液体目前主流为乙二醇，具有热传导系数大、比热大，对降低较高温度、提升电池包均温性效果显著等特点。同时，热管理系统的体积也相对较小。液冷系统形式较为灵活：可将电池单体或模块沉浸在液体中，也可在电池模块间设置冷却通道，或在电池底部采用水冷板。电池与液体直接接触时，液体必须确保绝缘(如矿物油)避免短路。同时，液冷系统对于气密性、机械强度、耐振动性以及寿命要求也是非常高的。液冷是目前许多电动车的优先选择，典型产品如BMW i3、Tesla车系。
我们以Tesla Model S电池板结构为例， Tesla电池板是由16个电池组串联在电池底板上，每组电池组由444节锂电池，每74节并联形成。因此特斯拉Model S电池组板由7104节18650锂电池组成。这款电池板的特点就是电池和冷却系统结合在一起的。由于电池在蓄能和放电的过程中，电解等化学作用会释放大量的热，这是电池产品的通病，所以冷却系统显得非常重要。如下图所示，特斯拉的冷却管道就密密麻麻的分布在这些电池组当中，通过冷却液的循环带走这些多余的热量。同样国内很多电动汽车品牌也使用同样思维带走电池所产生的热量。
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考虑传热冷却路径的材质并选择兼容的传热流体，将有效降低腐蚀风险并优化热性能。铜和铝一般为冷却管常见使用的材质。使用Hot Disk高热传片状测试模块(Slab)量测铜合金与铝合金之导热率。
| Parameters: Sensor: C 5501(radius 6.403mm) Temp.: Room Temperature Power: 0.8W Time: 1sec |
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Parameters: Sensor: C 5501(radius 6.403mm) Temp.: Room Temperature Power: 2.5W Time: 1sec |
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| Sample | Mean Thermal Conductivity(W/mK) | Mean Specific Heat(MJ/m3K) |
| Copper 2mm | 382.2 | 3.505 |
| Copper 4mm | 382.1 | 3.515 |
| Aluminum 2mm | 172.5 | 2.714 |
| Aluminum 4mm | 174.6 | 2.594 |
| Brass 4mm | 109.9 | 3.356 |
▲Hot Disk分别量测五种薄型金属片的平均热传导系数与比热容
探讨完传热冷却路径的材质后，接着我们要讨论冷却系统液体，当今液体冷却系统中常用的冷却剂分别是水(Water)、去离子水(Deionized Water)、乙二醇(Glycol)和介电流体 (Dieletronic Fluids)。透过选择兼容的传热流体和路径材料配对，可以有效的降低腐蚀风险并优化热性能。举例来说，铜与水和乙二醇/水溶液相容，铝与乙二醇/水溶液、介电流体和油相容。但是，当使用去离子水或其他腐蚀性流体时，通常建议使用不锈钢，因为它比其他金属更耐腐蚀。（参见下表）大多数冷却系统与水或乙二醇/水溶液兼容，但需要特殊的管道才能与去离子水或介电流体。
| Materials & Fluid Compatibility | Water | Glycol | Deionized Water | Dieletronic Fluids(Fluorinert, PAO) |
| Copper | ✓ | ✓ | ✓ | |
| Aluminum | ✓ | ✓ | ||
| Stainless Steel | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
这边也统整了四种冷却液体各自的优劣特性：
- Water 水：0.6W/mK，高热容和高热传特性，需考虑氯、钙、镁离子。
- Deionized Water 去离子水：添加抗腐蚀剂(磷酸盐)，高电阻率(电气组件)，与空气接触具腐蚀性。
- Glycol EGW 乙二醇+水：具高沸点、低凝固点、低黏度，高比热和热导率。具抗冻效果。
- Dieletronic Fluids 介电流体：不导电且腐蚀性低，尽管介电流体为电子产品提供低风险的液体冷却，但它们的热导率通常比水和大多数水溶液来得低。
选择正确的流体路径材质同时兼容适当的传热流体是必要，不论是高导热的传热路径亦或是低导热传热流体之热传导测试，科迈斯皆能提供一系列的热管理方案。
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