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动力电池系统中的液冷板水冷板(水冷散热器)搅拌摩擦焊应用
时间:2020-12-28 阅读: 340


      随着乘用车IP67的要求成为必须,动力电池系统可供选择的冷却方式范围被严重收窄。在比较成熟的冷却方式中,风冷除了想办法与其他热传递手段配合使用外,已经基本被排除在乘用车电池包应用范畴以外。再加上特斯拉的示范效应,水冷不再是预研课题,而成了尽快商业化的重点。本文主要涉及动力电池液冷系统中的一个点,液冷板。前半部分液冷板基本知识,后半部分当前典型车型的液冷板应用形式。

      液冷板,又名水冷板,均温板,水冷散热器 似乎并没有什么统一的定义,但是焊接工艺基本都采用的搅拌摩擦焊,我们仅就动力电池包的液冷板这个应用场景,给它下个定义,暂且这样描述:动力电池系统中,电池工作产生多余热量,热量通过电池或者模组与板型铝质器件表面接触的方式传递,最终被器件内部流道中通过的冷却液带走。这个板型铝质器件就是液冷板。

       对液冷板的一般要求

散热功率大,能够及时导出动力电池工作过程中产生的多余热量,避免过量温升的发生;


双面夹管工艺:合两面安装器件,工艺简单成本低;铝板+铝管&铜管&不锈钢管。

        型材+焊接

在型材的基础上加工而成的液冷散热器,此类散热器形状较多,有较多的种类,有板式,有通道式,有组合式的,大致的制作原理是在型材的基础上进行加工及焊接,将型材与接头管路组合成整体的液冷散热器。

利用挤压工艺将冷板流道直接成型,再通过机加方式打通循环,通常采用摩擦焊接、钎焊焊接等焊接工艺进行密封,此工艺生产效率高,成本低;不适用于散热密度过大的应用,不适合表面太多螺丝孔而限制水道走向或降低可靠性的应用条件。主要应用于:动力电池水冷散热加热装置、分水盒以及标准功率模块一体化散热产品。



        机加工+焊接

水冷板采用机加的方式,内部流道尺寸、路径均可自由设计,适合功率密度较大、热源布局不规则、空间受限的热管理产品,主要应用于:风电变流器、光伏逆变器、IGBT、电机控制器、激光器、储能电源、超算服务器等领域的散热产品设计上,而在动力电池系统中应用较少。


微通道散热器,也是一种结合机加工和焊接工艺制造而成的散热器,它制作要比其他散热器复杂,微通道散热器一般用于散热功率较大而且散热较为集中的机器上,微通道的方式因为水道较宽而且较为均匀,能快速的带走集中的热量。但是微通道的液冷散热器制作工艺也较为复杂,一般是采用机加工微通道,再用摩擦焊的工艺进行焊接,制作成本也较高。


        压铸+焊接

压铸工艺是非常成熟且应用广泛的成型方式,随着新能源汽车的快速发展, 成为电机控制器、动力电池包托盘及散热箱体成批量生产的首选方式,但需在工艺上控制压铸杂质、气孔等问题,保守采用密封圈方式或者采用摩擦焊焊接的方式,都需要在工艺上提高可靠性避免导致漏水问题。压铸成型再焊接,工艺控制良好,且制程稳定,具备批量交付能力。除了摩擦焊焊接工艺,部分水冷板还会采用钎焊或真空钎焊的焊接工艺。

这类水冷板,可以与电池包压铸箱体结合到一起考虑,Audi Q7 PHEV下层水冷板就是这类用法。在前两天的北京车展上,已经看到了成型的样品展示。



       典型车型水冷板

在动力电池系统中,将热量从电芯表面带走的方式比较多,仅就作用范围不同,可以划分成集成在模组内部的电芯级别水冷板设计在模组外部的模组级别水冷板。下面是来自 “动力电池热管理技术”公众号的多张图片,借以说明水冷板在实际案例中的应用形式。


       模组级别水冷板

水冷板作为一个整体,同时作用在一个或者多个电池模块上,水冷板作为整个电池包的组成构件,而非电池模块的构件,我们就把它放在模组级别水冷板这个标题下面。

Audi Q7 PHEV 电池包


奔驰Smart Gen3电池包


Chevrolet Bolt 2017 电池包


Chevrolet Bolt 2017冷板实物


宝马i3 液冷系统


宝马i3 液冷板实物


BMW i8的电池包和冷板



       电芯级别水冷板

将水冷板或者导热性能良好的介质板材片材夹在电芯之间,成为模块的一部分,以达到更好的散热效果,这类我们放在模组内部水冷板这个标题下面。

Volvo XC90 T8电池包模组爆炸图


GM Volt模组结构


GM Volt冷却结构


特斯拉Model S 模组

特斯拉圆柱电池水冷板专利说明


观察应用案例我们可以看到:方形电池液冷系统,大多应用模组级别水冷板,并且一般放置在电池箱底部位置;软包电池液冷,则是模组内部集成小型水冷板的形式居多,也有模组中集成铝板,模组外部再设置模组级别液冷板的形式;圆柱电池,以特斯拉为首的蛇形管是主要液冷散热器形式。


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