智能汽車和新能源汽車遇到了熱管理問題

　　【太平洋汽車網 行情頻道】在汽車里面,由于汽車所面對的環境溫度在一個很寬泛的范圍,所以對于汽車內部的熱管理是一個很大的課題。汽車熱管理的出發點更多偏向于“各個零部件沒有熱害風險”,每個零部件的性能、成本和發展趨勢都是不一樣的。在設計中,需要從考慮惡劣工況下部件熱害風險,考慮低負荷工況下,熱管理系統的效率,在冷熱兩種工況下的能量耗散和改善熱效率。本文從部件和材料的角度來探討一下設計和材料的問題。

第一部分 智能電動汽車提出的新需求

1) 鋰電池在汽車行業里面的應用

鋰電池是一個重要的能源,如前面所述,在汽車里面可以分為12V電池、48V電池、HEV高壓電池、PHEV電池和BEV電池。這些電池從3.6Ah逐漸上升到200Ah以上。從熱管理的角度,可以分為被動散熱、液冷和冷媒直冷等方式。

l 12V電池:輔助供電,電流大,需要被動散熱

l 48V和HEV電池:能量回收,電流大,在設計中可以采用被動散熱、風冷兩種不同的形式,也有企業考慮選用液冷

 l 動力電池:驅動車輛,功率輸出持續性,目前主流的選擇是采用主動冷卻的方式進行

圖1 鋰電池在汽車里面的應用

在汽車里面,鋰電池的工作溫度區間是有限的,如下圖所示,在低溫區和高溫區,溫度都會影響電池的工作特性,特別是在高溫區影響電池壽命,低溫區工作甚至會影響安全。

圖2 鋰電池的工作區域

因此電動汽車的動力鋰電池組熱設計是保證電池可靠工作的關鍵技術,而如何把電芯的熱量導出來是核心的設計考量因素。通常動力電池組液冷散熱部分由液冷管和導熱膠組成,液冷管包括內部的冷卻液,重要完成鋰離子電池組工作出現熱量的散熱,導熱膠完成電芯與液冷管之間的熱傳導。導熱膠是目前新能源電動汽車應用較為廣泛的導熱材料,能夠在室溫條件下通過加成固化反應形成一種柔軟、有彈性且表面具有粘附性的有機硅彈性體,同時還具有優異的電氣絕緣性能。

圖3 導熱膠的傳導

2) 功率電子的使用

在為電動汽車開發高功率密度電子技術的過程中,核心的挑戰是管理功率電子(逆變器DC-AC、直流變壓器DCDC、充電機ACDC)在高負荷工作所產生的熱量。經過實踐,在這方面采用導熱灌封化合物是一種快速有效地將熱量從功率部件傳導到散熱器。對于功率電子器件來說,半導體工作溫度也是有天花板的,高溫區會影響壽命。

圖4 功率電子方面的熱傳導

3)智能汽車的核心運算計算機

在車載計算平臺的設計領域,為了保證自動駕駛的實時性要求,需要保證軟件響應的最大延遲在可接受的范圍內,對于計算資源的要求也因此變得極高。未來的計算平臺是異構的,會使用CPU+GPU+FPGA的計算平臺,計算所需要的功率非常大。因此在未來開始衡量算力和功耗,需要通過導熱技術把熱量盡快帶出。

圖5 未來車載電腦的計算量需求

第二部分 導熱材料在這些應用中起到作用

在這種設計中,需要根據不同的需求選擇良好的熱管理界面材料。

1) 有哪些材料可以用?

從目前來看,主要有以下的材料可以用:

a) 有機硅是一種最通用的化學物質,它的溫度范圍很寬(-75°C到+200°C)可以維持本身固有的彈性。在設計中考慮阻燃、耐高溫和永久彈性時候,有機硅產品是作為首選的。

b) 環氧樹脂具有強度高、用途廣、耐用性高、粘接度強、耐化學腐蝕與耐高溫的優點。

c) 聚氨酯應用在不需要耐高溫的特性,聚氨酯在低溫用途中的效果最好,可保護敏感的電子器件,而且具有防水性。

事實上,這些不同的材料首先是應用在不同的領域,然后慢慢擴展到汽車上的。這里我們首先來看一下有機硅材料,這方面不得不提一下陶氏,在有機硅材料領域居于世界領先地位,為全球25,000多家客戶提供7,000余種有機硅產品以及相關服務。陶氏的導熱有機硅材料具有廣泛的粘度、固化速度和導熱系數,可滿足幾乎所有行業的電子產品設計中對熱管理日益增長的需求。導熱材料業務的增長是伴隨著客戶和行業一起成長的。近些年,隨著智能汽車和新能源汽車的快速發展,車輛越來越依賴動力電池和電子設備實現各種功能。針對汽車動力電池和電子設備日益增長的導熱需求,陶氏開發了一系列更高性能、可靠性,使用壽命和更具成本效益的導熱解決方案。

陶氏有機硅的專長是70多年的技術和行業經驗積累,高質量上游原材料保證下游產品的穩定和可靠性,產品線寬囊括了導熱填縫劑,導熱粘接劑,導熱灌封膠和凝膠,導熱硅脂等不同類型的導熱產品。此外,陶氏有機硅部門可以針對客戶的具體需求快速調整導熱產品的性能如粘度、固化速度和導熱系數從而開發出創新產品滿足不同客戶需求。

   以2.0/m·kW導熱填縫劑為例,以前同等導熱系數的導熱填縫劑往往需要2.7g/cm3的密度,現如今通過本地化的技術團隊以及全球技術專家的支持,新開發的2.0/m·kW導熱填縫TC-5515 LT密度大幅降低28%為1.95 g/cm3, 從而滿足新能源汽車等行業輕量化的需求。此外TC-5515 LT產品目前能夠滿足3000小時可靠性老化測試要求,3倍于行業基本要求。

2) 材料到車上的應用

實際上,原有的汽車和零部件企業和材料企業的分工,是通過產品一級級的要求來逐步完善的,整車層面主要通過預定義要求,通過完善的測試要求和售后迭代反饋來逐步晚上要求。零部件企業,通過分解需求,一步步對要求進行完善,而材料企業則是對這些要求進行性能方面的矩陣特性評估,最后迭代的鏈條把一個子系統逐步完善。這是一種協作和完善的過程。

由于汽車的使用年限比較長,和質量、可靠性和壽命有關的內容,如果在后期發現會比較難處理,整體的處理成本比較高,所以這套分工協作的方法就一直廣泛使用。

圖6 逐步完善汽車的子系統

小結:隨著產業界對于10年100萬公里甚至是15年200萬公里的電池壽命目標的提出,未來電池的熱管理會扮演越來越重要的角色。