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2022.Aug.22

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,对降低最高温度、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。这款电池板的最大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。
Tesla Model S电池板 特斯拉冷却管道分布

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


铝合金
Parameters:
Sensor: C 5501(radius 6.403mm)
Temp.: Room Temperature
Power: 2.5W
Time: 1sec


铜合金

 
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最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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