新能源汽车散热解决方案

eefocus_4012287 · 发表于 2024-12-9 13:53:45

从全球新能源汽车的发展来看，其动力电源主要包括锂离子电池、镍氢电池、燃料电池、铅酸电池、超级电容器，其中铅酸电池、超级电容器大多以辅助动力源的形式出现。由于目前的电池技术还不完全成熟或缺点明显，与传统汽车相比不管是从成本上、动力还是续航里程上都有不少差距，这也是制约新能源汽车的发展的重要原因。

图 1 电动汽车内部系统与模块

电池管理系统（Battery Management System，简称 BMS）的主要任务是保证电池组工作在安全区间内，提供车辆控制所需的必需信息，在出现异常时及时响应处理，并根据环境温度、电池状态及车辆需求等决定电池的充放电功率等。主要功能有电池参数监测、充电管理、故障诊断、均衡控制、整车通讯、安全监控以及热管理等。其中热管理（Battery Thermal Management System， BTMS）为电池管理系统中最核心最重要的部分之一。

1、电池热管理系统

电池热管理系统是应对电池的热相关问题，保证动力电池使用性能、安全性和寿命最

核心的技术之一。同时电池的热相关问题也是决定其使用性能、安全性、寿命及使用成本的关键因素。热管理系统的主要功能包括：

1）在电池温度较高时进行有效散热，防止产生热失控事故；

2）在电池温度较低时进行预热，提升电池温度，确保低温下的充电、放电性能和安全性；

3）减小电池组内的温度差异，均匀散热，抑制局部热区的形成，防止高温位置处电池过快衰减，降低电池组整体寿命。

图 2 电池热管理系统剖解

2、典型案例 --- Tesla Roadster 纯电动汽车

Tesla Motors 公司的 Roadster 纯电动汽车采用了液冷式电池热管理系统。车载电池

组由 6831 节 18650 型锂离子电池组成，其中每 69 节并联为一组（brick）再将 9 组串联为一层（sheet），最后串联堆叠 11 层构成。电池热管理系统的冷却液为 50%水与50%乙二醇混合物。

图 3 Tesla Roadster 的电池热管理系统

图 3（a）电池热管理系统（b）是冷却管道的结构

（c）冷却管道内部结构（d）冷却管道端部结构

为了防止冷却液流动过程中温度逐渐升高，使末端散热能力不佳，热管理系统采用了双向流动的流场设计，冷却管道的两个端部既是进液口，也是出液口。冷却管道曲折布置在电池间，在电池之间及电池和管道间填充导热与绝缘性能性能良好的材料，通过电池与导热绝缘材料以及导热绝缘材料与冷却管道管壁的充分接触，将热量有效地传递至冷却管道，冷却液在管道内部流动，从而带走电池产生的热量，是整个电池包安全稳定有效地运行。电池间及电池和管道间导热绝缘材料主要由以下几个作用：

1）增大表面接触面积，将电池与散热管道间的接触形式从线接触转变为面接触；

2）提高散热效率，降低局部温度梯度，使整个电池包温度均匀化，有利于提高单体电池的使用寿命；

3）有利于提高电池包的整体热容，从而降低整体平均温度。

4）减震吸音，可以有效地缓冲与减少电池之间的因膨胀而产生的内部压力，从而提高整个

电池包的安全性能。

通过上述热管理系统，Roadster 电池组内各单体电池的温度差异控制在±2 °C 内。这一结果的取得主要依赖电池热管理系统的有力支撑。2013 年 6 月的一份报告显示，在行驶 10 万英里后，Roadster 电池组的容量仍能维持在初始容量的 80%~85%，而且容量衰减只与行驶里程数明显相关，而与环境温度、车龄关系不明显。可知， TeslaRoadster 在热管理系统上远比其他电动汽车要复杂。Tesla 的电池组是由 6831 节单体容量较小的 18650 电池组成的，要保证这么多电池的温度差异不超过±2 °C 是一件非常困难的事情，但是 Tesla 做到了，这也凸显出 Tesla 在电池热管理上的先进、独到之处。

3、何为理想的热界面材料？

理想的热界面材料应具有的特性：

(1)高导热性；

(2)高柔韧性，保证在较低安装压力条件下热界面此材料能够最充分地填充接触表面的空隙，保证热界面材料与接触面间的接触热阻很小；

(3)绝缘性；

(4)安装简便并具可拆性；

(5)适用性广，既能被用来填充小空隙，也能填充大缝隙。

4、导热绝缘材料推荐

4.1 导热硅脂

导热硅脂俗称散热膏，导热硅脂以有机硅酮为主要原料，添加耐热、导热性能优异的材料，制成的导热型有机硅脂状复合物。主要用于高功率电子元件和散热片之间。其优良的润湿性可使其迅速填充界面的微孔，极大程度降低界面热阻，可快速有效地降低电子原件的温度，从而延长电子元件的使用寿命并提高其可靠性。

图 4 导热硅脂

优点：使用时亦不产生应力，在-40 至+200 °C 下稳定性高，并具有极好的耐气候、以及优良的介电性能。性价比高，在电子散热中最常见的导热材料。

4.2 导热垫片

导热垫片是以硅胶为基材,添加金属氧化物等各种辅材,通过特殊工艺合成的一种导热介质材料。在行业内又称为导热硅胶垫，是专门为利用缝隙传递热量的设计方案生产,能够填充缝隙,完成发热部位与散热部位间的热传递。同时还起到绝缘、减震、密封等作用,能够满足设备小型化及超薄化的设计要求,是极具工艺性和使用性，且厚度适用范围广，是一种极佳的导热填充材料。

图 5 导热垫片

导热垫片的优点:

1）导热系数的范围(1~15W/m·k)以及稳定度(-40到220°C)

2）在结构上工艺工差的弥合, 降低散热器和散热结构件的工艺工差要求

3）具有绝缘的性能。

4）具减震吸音的效果。

5）具有安装，测试，可重复使用的便捷性。

4.3 导热灌封材料

导热灌封材料的导热系数：1.5~3W/m·k，可以满足高密度快充电源内部PCB灌封装的应用设计。该导热材料具有阻燃、绝缘、导热、低模量、流动性好等特点；在生产过程中，可以直接浇筑在充电器外壳与PCB结构之间，填充均匀，可以一次成型，能够满足PD快充行业功率越来越大，体积越来越小的散热需求。

图 6 导热灌封胶

4.4 合成石墨

合成石墨纸，制成于天然石墨其具有独特的晶粒取向，片层状结构可很好地适应任何表面，沿两个方向均匀导热。平面内导热系数最高可达 1800 W/m-K 石墨均匀散热的同时也在厚度方面提供热隔离。屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。复合石墨纸是采用聚酰亚胺膜烧结而成的新型膜材料。具有高导热性和优良的产品设计灵活性。

产品特性：

1、超高导热 - 平面内热传导率最大可以达到 1800W/mK ，热阻比铝低 40%，比铜低 20%

2、超轻 - 比同样尺寸的铝要轻 30%，比铜要轻 80%

3、超薄 - 厚度可以从 0.012 至 0.07mm

4、耐温性 - 使用温度最高可达 2800℃，最低可低于 -40℃

5、易加工 - 可以模切制作成不同大小、形状及厚度，可以提供模切平面板

6、易用性 - 石墨散热片能平滑贴附在任何平面和弯曲的表面

7、灵活性 - 很容易与金属、绝缘层或者双面胶制成层板，增加设计灵活性，可以在背后有粘合剂