新能源汽車(chē)散熱解決方案

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從全球新能源汽車(chē)的發(fā)展來(lái)看，其動(dòng)力電源主要包括鋰離子電池、鎳氫電池、燃料電池、 鉛酸電池、超級電容器， 其中鉛酸電池、超級電容器大多以輔助動(dòng)力源的形式出現。由于目 前的電池技術(shù)還不完全成熟或缺點(diǎn)明顯，與傳統汽車(chē)相比不管是從成本上、動(dòng)力還是續航里 程上都有不少差距，這也是制約新能源汽車(chē)的發(fā)展的重要原因。

圖 1   電動(dòng)汽車(chē)內部系統與模塊

電池管理系統（Battery Management System，簡(jiǎn)稱(chēng) BMS）的主要任務(wù)是保證電池組 工作在安全區間內，提供車(chē)輛控制所需的必需信息，在出現異常時(shí)及時(shí)響應處理，并根據環(huán) 境溫度、電池狀態(tài)及車(chē)輛需求等決定電池的充放電功率等。主要功能有電池參數監測、充電 管理、故障診斷、均衡控制、整車(chē)通訊、安全監控以及熱管理等。其中熱管理（Battery Thermal Management System， BTMS）為電池管理系統中最核心最重要的部分之一。

1、電池熱管理系統

電池熱管理系統是應對電池的熱相關(guān)問(wèn)題，保證動(dòng)力電池使用性能、安全性和壽命最

核心的技術(shù)之一。同時(shí)電池的熱相關(guān)問(wèn)題也是決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本的 關(guān)鍵因素。熱管理系統的主要功能包括：

1）在電池溫度較高時(shí)進(jìn)行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故；

2）在電池溫度較低時(shí)進(jìn)行預熱，提升電池溫度，確保低溫下的充電、放電性能和安全性；

3）減小電池組內的溫度差異，均勻散熱，抑制局部熱區的形成，防止高溫位置處電池過(guò)快 衰減，降低電池組整體壽命。

圖 2  電池熱管理系統剖解

2、典型案例 --- Tesla Roadster 純電動(dòng)汽車(chē)

Tesla Motors 公司的 Roadster 純電動(dòng)汽車(chē)采用了液冷式電池熱管理系統。車(chē)載電池

組由 6831 節 18650 型鋰離子電池組成，其中每 69 節并聯(lián)為一組（brick）再將 9 組串聯(lián)為 一層（sheet），最后串聯(lián)堆疊 11 層構成。電池熱管理系統的冷卻液為 50%水與50%乙二 醇混合物。

圖 3   Tesla Roadster 的電池熱管理系統

圖 3（a） 電池熱管理系統（b）是冷卻管道的結構

（c）冷卻管道內部結構（d）冷卻管道端部結構

為了防止冷卻液流動(dòng)過(guò)程中溫度逐漸升高，使末端散熱能力不佳，熱管理系統采用了雙向流動(dòng)的流場(chǎng)設計，冷卻管道的兩個(gè)端部既是進(jìn)液口，也是出液口。冷卻管道曲折布  置在電池間，在電池之間及電池和管道間填充導熱與絕緣性能性能良好的材料，通過(guò)電池與  導熱絕緣材料以及導熱絕緣材料與冷卻管道管壁的充分接觸，將熱量有效地傳遞至冷卻管道，冷卻液在管道內部流動(dòng)，從而帶走電池產(chǎn)生的熱量，是整個(gè)電池包安全穩定有效地運行。電池間及電池和管道間導熱絕緣材料主要由以下幾個(gè)作用：

1）增大表面接觸面積，將電池與散熱管道間的接觸形式從線(xiàn)接觸轉變?yōu)槊娼佑|；

2）提高散熱效率，降低局部溫度梯度，使整個(gè)電池包溫度均勻化，有利于提高單體電池的 使用壽命；

3）有利于提高電池包的整體熱容，從而降低整體平均溫度。

4）減震吸音，可以有效地緩沖與減少電池之間的因膨脹而產(chǎn)生的內部壓力，從而提高整個(gè)

電池包的安全性能。

通過(guò)上述熱管理系統，Roadster 電池組內各單體電池的溫度差異控制在±2 °C 內。這一結果的取得主要依賴(lài)電池熱管理系統的有力支撐。2013 年 6 月的一份報告顯示，在行駛 10 萬(wàn)英里后，Roadster 電池組的容量仍能維持在初始容量的 80%~85%，而且容量衰減 只與行駛里程數明顯相關(guān)，而與環(huán)境溫度、車(chē)齡關(guān)系不明顯�？芍�， TeslaRoadster 在熱管 理系統上遠比其他電動(dòng)汽車(chē)要復雜。Tesla 的電池組是由 6831 節單體容量較小的 18650 電 池組成的，要保證這么多電池的溫度差異不超過(guò)±2 °C 是一件非常困難的事情，但是 Tesla 做到了，這也凸顯出 Tesla 在電池熱管理上的先進(jìn)、獨到之處。

3、何為理想的熱界面材料？

理想的熱界面材料應具有的特性：

(1)高導熱性；

(2)高柔韌性，保證在較低安裝壓力條件下熱界面此材料能夠最充分地填充接觸表面的空隙， 保證熱界面材料與接觸面間的接觸熱阻很��；

(3)絕緣性；

(4)安裝簡(jiǎn)便并具可拆性；

(5)適用性廣，既能被用來(lái)填充小空隙，也能填充大縫隙。

4、導熱絕緣材料推薦

4.1   導熱硅脂

導熱硅脂俗稱(chēng)散熱膏，導熱硅脂以有機硅酮為主要原料，添加耐熱、導熱性能優(yōu)異的 材料，制成的導熱型有機硅脂狀復合物。主要用于高功率電子元件和散熱片之間。其優(yōu)良的 潤濕性可使其迅速填充界面的微孔，極大程度降低界面熱阻，可快速有效地降低電子原件的 溫度，從而延長(cháng)電子元件的使用壽命并提高其可靠性。

圖 4  導熱硅脂

優(yōu)點(diǎn)：使用時(shí)亦不產(chǎn)生應力，在-40 至+200 °C 下穩定性高，并具有極好的耐氣候、 以及優(yōu)良的介電性能。性?xún)r(jià)比高，在電子散熱中最常見(jiàn)的導熱材料。

4.2  導熱墊片

導熱墊片是以硅膠為基材,添加金屬氧化物等各種輔材,通過(guò)特殊工藝合成的一種導熱  介質(zhì)材料。在行業(yè)內又稱(chēng)為導熱硅膠墊，是專(zhuān)門(mén)為利用縫隙傳遞熱量的設計方案生產(chǎn),能夠 填充縫隙,完成發(fā)熱部位與散熱部位間的熱傳遞。 同時(shí)還起到絕緣、減震、密封等作用,能夠 滿(mǎn)足設備小型化及超薄化的設計要求,是極具工藝性和使用性，且厚度適用范圍廣，是一種 極佳的導熱填充材料。

圖 5 導熱墊片

導熱墊片的優(yōu)點(diǎn):

1）導熱系數的范圍(1~15W/m·k)以及穩定度(-40到220°C)

2）在結構上工藝工差的彌合, 降低散熱器和散熱結構件的工藝工差要求

3）具有絕緣的性能。

4）具減震吸音的效果。

5）具有安裝，測試，可重復使用的便捷性。

4.3  導熱灌封材料

導熱灌封材料的導熱系數：1.5~3W/m·k，可以滿(mǎn)足高密度快充電源內部PCB灌封裝的應用設計。該導熱材料具有阻燃、絕緣、導熱、低模量、流動(dòng)性好等特點(diǎn)；在生產(chǎn)過(guò)程中，可以直接澆筑在充電器外殼與PCB結構之間，填充均勻，可以一次成型，能夠滿(mǎn)足PD快充行業(yè)功率越來(lái)越大，體積越來(lái)越小的散熱需求。

圖 6 導熱灌封膠

4.4  合成石墨

合成石墨紙，制成于天然石墨其具有獨特的晶粒取向，片層狀結構可很好地適應任何表面，沿兩個(gè)方向均勻導熱。平面內導熱系數最高可達 1800 W/m-K 石墨均勻散熱的同時(shí)也在厚度方面提供熱隔離。屏蔽熱源與組件的同時(shí)改進(jìn)消費類(lèi)電子產(chǎn)品的性能。復合石墨紙是采用聚酰亞胺膜燒結而成的新型膜材料。具有高導熱性和優(yōu)良的產(chǎn)品設計靈活性。

產(chǎn)品特性：

1、超高導熱 - 平面內熱傳導率最大可以達到 1800W/mK ，熱阻比鋁低 40%，比銅低 20%

2、超輕 - 比同樣尺寸的鋁要輕 30%，比銅要輕 80%

3、超薄 - 厚度可以從 0.012 至 0.07mm

4、耐溫性 - 使用溫度最高可達 2800℃，最低可低于 -40℃

5、易加工 - 可以模切制作成不同大小、形狀及厚度，可以提供模切平面板

6、易用性 - 石墨散熱片能平滑貼附在任何平面和彎曲的表面

7、靈活性 - 很容易與金屬、絕緣層或者雙面膠制成層板，增加設計靈活性，可以在背后有粘合劑

圖 7 合成石墨

綜上所述，可以說(shuō)導熱絕緣材料對于新能源汽車(chē)電池應用中的重要性不言而喻，

對于如何選擇一種合適的導熱材料，不僅是材料制造商需深入研究的一門(mén)學(xué)問(wèn)，同時(shí)也是新能源汽車(chē)制造商需不斷交流討論的重要話(huà)題。

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