在新能源汽车领域,电池、电机、电控系统逐渐取代传统的内燃机系统成为汽车的核心,基于整车安全性、驾驶舒适性等因素的考量,行业对于热管理有着更加严格的要求。而动力电池包作为新能源汽车的核心部件容易受到温度过高或过低的影响,热管理系统对其更是起到至关重要的作用。就目前市面上大部分的热管理系统而言可以分为 风冷、液冷和冷媒直冷。三派,那么到底哪一种更好呢?各自的优劣势又体现在哪些地方?

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首先我们来说说电池为何需要冷却系统?

我们都说:电动汽车很“火”,但是电池需要“冷”下来。这是因为 电池组在充、放电时会释放一定的热量。

为了能够提供一个能量平衡的环境,实现整车能量的综合利用,需要对动力电池进行冷却或加热,保持动力电池较佳的工作温度,以改善其运行效率,并延长动力电池的寿命。

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电池的工作原理是电压差,在高温下,内部的电子会被激发,从而减小电池两侧的电压差。由于电池只能在特定温度范围内工作,冷却系统需要能够将电池组保持在大约20°-40°的温度范围内,同时将电池组内部的温差保持在最低(不超过5摄氏度)。

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如果内部温差较大,会导致每个电芯的充放电速率不同,从而降低电池组性能。如果电池过热或电池组温度分布不均匀,可能会出现潜在的热稳定性问题,例如容量衰减、热失控和火灾爆炸。

面对危及生命的安全问题,电动汽车行业不断创新,以改进电池的散热冷却系统。

① 风冷:原始的电池冷却方式

四到八年前,电池温度控制系统受能量密度低影响,普遍采用自然风冷和强制风冷技术。

风冷结构简单、成本低廉,原理是通过空气流过发热部件表面带走热量,对电池进行降温。寒冷天气则通过在电池模组中间加入电加热膜,达到预加热的目的。

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以空气为介质的风冷技术,缺点也比较多。其散热路径长,效果不明显,存在散热不均匀等风险,显然不能满足当前新能源汽车工作的散热要求。同时,风冷受外界空气温度的影响很大,特别是在过热或过冷的天气条件下,传热效率会急剧下降。

这种电池散热方式,一般用于早期的电动汽车,如宏光MINI EV等主流微型电动车,以及早期热销的电动车日产聆风等等。

② 液冷:优缺点鲜明的复杂冷却方式

相比之下,液冷技术对于电池的热管理更为从容,目前很多车企都配备了液冷电池系统。其原理是利用液体工质,通过水道间接或直接与发热部件接触,吸收热量并带到外部的散热器。在低温条件下,系统还会对电池组进行加热。

这种以冷却剂为介质的热管理系统,具有数十倍的比热容和更高的传热系数,冷却效果更佳。温度和温差明显降低后,电池组在工作效率、稳定性和耐用性上得到显著提升。当然,液体冷却系统的成本也会更高。

液冷电池的缺点,就是结构比较复杂,增加了电池组的重量,影响性能;另一方面增加了电池组的体积,侵占车舱空间,相当于降低能量密度。

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以特斯拉为代表的BMS冷却管理:每个电池单元都对着冷却液管,管道像蛇一样缠绕在电池周围,以提供更多的热量传递区域,高温低温均可以控制,如今很多高端国产新能源车就是采用这种设计。

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以雪佛兰Bolt为代表的散热片液冷:散热片增加表面积以增加传热速率。热量通过传导从电池组传递到鳍片,通过液体和空气带走热量,散热片非常薄,厚度仅为 1 毫米。而当电池太冷时,加热线圈会加热整个系统。

③ 冷媒直冷:快速冷却的居中方案

冷媒直冷方式是充分利用整车空调系统中的制冷剂,将其引入电池内部蒸发器中,以达到冷却目的。冷媒直冷系统主要由以下部分组成:电动压缩机、双蒸发器、冷凝器、双膨胀阀、管道、储液干燥器。

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这种冷媒板设计更简单,比特斯拉的整体缠绕式更容易拆卸,冷却系统可以轻松更换甚至维修,后期成本低,如比亚迪DM-i,宝马i3,Jeep插混车等均采用这种设计。缺点是无法直接加热,需要一套新的加热系统。

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对比总结:

风冷是成本最低的设计,缺点较大;

液冷考虑到冷却管的布置和热控制系统,成本最高,像保时捷Misson R赛用液冷系统成本高达数万;

而冷媒直冷介于两者之间,后期维修更换成本低,是一种居中方案。

新能源汽车行业快速发展,市场对于电池安全问题的容错率越来越低,电动化浪潮为热管理市场提供新机遇。惟有充分解决电池的热防护难题,应用更高效的散热控温技术,打造散热行业发展新模式,产品竞争力才能得到支撑。

而相变热控器件是一种具有导热率高、重量轻、等温性好、极限功率大等优点的热控制材料,目前已在新能源汽车、高铁IGBT、电机等领域得到广泛应用。

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畅能达制备热导率可达10000W/m·K以上的相变热控器件,轻量化、超薄化及柔性化兼具,将其应用在新能源汽车电池上后,可将内部聚集的热量均匀传递至外部,提升系统的电效率和热利用效率,杜绝局部热失控造成的电池包损伤和自燃,降低电池包性能的衰减。

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如图,左侧为嵌入均热板组,降温控温效果明显;右侧为空白对照组,温度仍保持高位。3C充电工况下,电芯表面温度降低15℃,安全性能显著提高。

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这套方案,在实现电池高效散热的同时,也能极好地适配各种工作环境以及应用场景,以应对日益高效的制造需求以及降本需求。