新的工具和技術(shù)幫助電池供電的車輛控制熱量。
熱管理對于電池模塊的安全性和長使用壽命至關(guān)重要。圖片來源于雷諾集團(tuán)
電池?zé)峁芾硎请妱悠嚨木薮筇魬?zhàn)。除了增加火災(zāi)風(fēng)險外，高溫還會對射程產(chǎn)生直接影響。通過有效控制電動汽車溫度水平，可以最大化電池續(xù)航里程。
就像內(nèi)燃機(jī)汽車一樣，當(dāng)電動動力傳動系更努力地工作時，它會變得更熱。因此，電動汽車需要有效、高效和耐用的冷卻系統(tǒng)。熱管理不僅會對車輛內(nèi)的部件產(chǎn)生重大影響，還會對其整體性能產(chǎn)生重大影響。
電動汽車的熱管理是一種微妙的平衡行為。幸運(yùn)的是，汽車工程師有多種選擇。
"在電動汽車中，更高能量密度的電池，更小更強(qiáng)大的電動機(jī)和超快速充電為安全性和效率帶來了熱管理挑戰(zhàn)，"雷諾集團(tuán)工程執(zhí)行副總裁Gilles Le Borgne說，該集團(tuán)是電動汽車的領(lǐng)先生產(chǎn)商，例如新推出的Mégane eVision。"因此，電池模塊的熱管理對于安全性和長使用壽命至關(guān)重要。
雷諾工程師與杜邦移動材料公司合作，解決了幾個與熱相關(guān)的問題。例如，它們依靠Betatech熱界面材料來幫助在電動汽車充電和運(yùn)行期間安全地管理和控制來自高密度電池的熱量。
根據(jù)Le Borgne的說法，這是通過良好的接觸來保持熱導(dǎo)率，并且在很寬的工作溫度范圍內(nèi)電池和冷卻板之間沒有間隙。Betatech導(dǎo)熱界面材料可作為單組分或雙組分可分配導(dǎo)熱聚氨酯產(chǎn)品涂覆在電池模塊和散熱器之間。它專為在大批量裝配環(huán)境中快速點膠而配制。
最新產(chǎn)品
另一家?guī)椭妱悠嚻囍圃焐瘫３掷鋮s的供應(yīng)商是Webasto集團(tuán)，該公司一直在開發(fā)新型電池和充電系統(tǒng)。
"鋰離子電池的最佳溫度范圍在10到45°C之間，"Webasto系統(tǒng)工程和電池系統(tǒng)經(jīng)理Michael Poehner說。"如果電池溫度上升得更高，電池的老化過程首先會加速。溫度遠(yuǎn)高于100°C可能導(dǎo)致危險情況，例如電池的熱失控，并最終導(dǎo)致自燃。
Poehner還警告說，如果工作溫度降至0°C以下，則最大可能的功率輸出和功耗（充電）會降低。"如果這種冷電池仍然以高功率充電，則可能發(fā)生鋰電鍍，"他指出。"這會導(dǎo)致金屬鋰形成和積聚，從而縮短使用壽命，在極端情況下，甚至可能導(dǎo)致短路和火災(zāi)。
Webasto提供多種產(chǎn)品來解決高溫問題。首先，還有eBTM2.0電池?zé)峁芾韱卧?dāng)電池組處于壓力下或在炎熱的天氣條件下使用時，它可以提供最佳的冷卻效果。
此外，它在極冷的環(huán)境條件下提供熱量，并在充電階段或操作前為電池單元設(shè)置完美的溫度。該裝置還可以在不同的驅(qū)動階段調(diào)節(jié)溫度，而標(biāo)準(zhǔn)化連接可以即插即用安裝。
Webasto的eBTM熱管理系統(tǒng)專為商用車而設(shè)計。采用模塊化設(shè)計，為駕駛員以及電子驅(qū)動器、牽引電池組和電子設(shè)備等組件提供最佳溫度條件。在系統(tǒng)內(nèi)，熱能可以在系統(tǒng)組件之間共享。因此，能耗降低，使車輛續(xù)航里程改善超過25%。
高壓加熱器 （HVH） 預(yù)熱電池，以充分利用其性能。得益于高效的涂層加熱技術(shù)，它將儲存的電能轉(zhuǎn)化為熱量，幾乎沒有損失，效率超過95%。
這種高壓液冷加熱器在單個設(shè)備中解決了兩個問題。圖片來源于博格華納
博格華納公司的工程師最近開發(fā)了一種先進(jìn)的高壓冷卻液加熱器（HVCH），該加熱器將用于吉利汽車集團(tuán)在中國生產(chǎn)的新型Zeekr 001電動轎車。它在單個設(shè)備中解決了兩個問題。
HVCH通過將電池溫度控制在最佳水平來幫助改善續(xù)航里程，同時通過提供理想的室內(nèi)氣候來解決乘客的舒適度。通過在電池組及其電池內(nèi)部提供一致的溫度分布，加熱器還可以提高電池的能量性能。
博格華納排放、熱能和渦輪增壓系統(tǒng)總裁兼總經(jīng)理Joe Fadool表示："隨著車輛的熱管理系統(tǒng)越來越多地與內(nèi)燃機(jī)脫鉤，HVCH技術(shù)的開發(fā)是為了滿足對快速反應(yīng)解決方案的需求，在電動汽車的情況下永久地與混合動力汽車的驅(qū)動周期延長。
奧迪如何應(yīng)對高溫
四個獨(dú)立的冷卻液回路調(diào)節(jié)高壓組件中的溫度。圖片來源于奧迪股份公司
奧迪e-tron GT quattro和RS e-tron GT中使用的鋰離子電池系統(tǒng)依賴于復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)。它集成了33個電池模塊，每個模塊由12個具有柔性外皮的袋狀電池組成。每個模塊都配有自己的計算機(jī)，用于監(jiān)控溫度和電壓。
電池外殼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其周圍的框架和上蓋板由鋁制成。在電池的電池空間下方，有一個扁平擠壓部分的復(fù)合結(jié)構(gòu)，乙二醇 - 水混合物流經(jīng)該結(jié)構(gòu)。混合物在自己的低溫回路中循環(huán)。
溫度通過導(dǎo)熱膏在冷卻板和電池空間之間傳遞。電池的最佳溫度在30至35°C之間，而其工作范圍從-30°C擴(kuò)展到50°C。
四個獨(dú)立的冷卻液回路，每個回路都有自己的溫度水平，精確快速地調(diào)節(jié)高壓組件中的溫度。它們可以根據(jù)需要靈活地互連。如果驅(qū)動器連續(xù)多次要求高輸出，閥門會將電池的冷卻液回路與空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑回路耦合。這種密集的冷卻使驅(qū)動器的性能始終保持在較高水平。
制冷劑回路還有助于在快速直流充電期間進(jìn)行冷卻，從而可以將電池加熱到50°C。熱管理系統(tǒng)連接到導(dǎo)航系統(tǒng)。
當(dāng)駕駛員將HPC（大功率充電）終端設(shè)置為目的地時，電池的冷卻在前往充電站的途中已經(jīng)加劇，以便可以盡快充電。如果電池在冬季啟動后不久仍然很冷，則將其加熱以進(jìn)行快速充電。
"此外，它允許在短時間內(nèi)產(chǎn)生舒適的機(jī)艙溫度，從而實現(xiàn)更好的駕駛和乘客體驗，"Fadool說。"由于熱質(zhì)量低，這些加熱器具有高熱功率密度和快速響應(yīng)時間，還擴(kuò)展了純電動行駛里程，因為它們使用的電池功率更少。
高壓排煙機(jī)采用最先進(jìn)的厚膜元件技術(shù)。加熱元件浸入冷卻液中，以最大限度地減少功率損失。該技術(shù)還支持直接溫度檢測。
Fadool解釋說："高壓六氯環(huán)己烷有兩種版本——單板和雙板——都集成到堅固的鋁制外殼中，可提供出色的電磁屏蔽。"HVCH適用于電源電壓在180至800伏之間的應(yīng)用，功率范圍為3至10千瓦。這些設(shè)備可以防止過熱，因為系統(tǒng)在發(fā)生故障時會自動關(guān)閉。
浸入式冷卻
浸入式冷卻可用于減小電池尺寸并縮短充電時間。圖片來源于馬勒公司
M&I Materials Ltd.正在引領(lǐng)浸入式冷卻電池技術(shù)的發(fā)展。i-CoBat項目也涉及華威大學(xué)的Ricardo Ltd.和Warwick Manufacturing Group，希望創(chuàng)造一種新穎的熱管理方法。
核心技術(shù)是一種稱為MIVOLT的可生物降解介電體。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，這種液體可以更快地充電，以及更高性能的EV電池。這種液體環(huán)保，具有成本效益，預(yù)計使用壽命長，維護(hù)要求低。
"通過浸入式冷卻，我們可以在200英里的范圍內(nèi)充電不到7分鐘：足以讓您插入電動汽車，去喝杯咖啡，并有足夠的電量來保持良好的狀態(tài)，"M&I Materials的Mark Lashbrook技術(shù)總監(jiān)說。
"浸入式冷卻的第一個應(yīng)用[將涉及豪華車]，但該項目還將解決將其應(yīng)用于主流應(yīng)用的挑戰(zhàn)，"Lashbrook說。"新的冷卻概念和流體的驗證將通過針對當(dāng)前在汽車行業(yè)廣泛使用的冷板冷卻方法進(jìn)行建模和測試來實現(xiàn)。此外，還將進(jìn)行測試，以評估用酯類液體浸泡冷卻的能力，以防止電池模塊內(nèi)的熱失控。
M&I Materials一直在與Faraday Future Intelligent Electric Inc.的工程師合作開發(fā)這家初創(chuàng)公司的FF 91豪華電動汽車，該電動汽車將采用完全浸沒式電池冷卻系統(tǒng)。備受期待的車輛的生產(chǎn)計劃于2022年7月在加利福尼亞州漢福德的一家最先進(jìn)的工廠開始。
法拉第未來FF91將使用浸沒在車載冷去系統(tǒng)中的液體電池。圖片來源于由法拉第未來智能電氣公司
MIVOLT的先進(jìn)介電冷卻液材料將用于法拉第未來獲得專利的液態(tài)電池浸沒式車載冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個獨(dú)立的故障安全架構(gòu)電池組設(shè)計。
"我們正在與領(lǐng)先的技術(shù)合作伙伴合作，推進(jìn)我們的技術(shù)創(chuàng)新，MIVOLT繼續(xù)建立在創(chuàng)新產(chǎn)品和卓越技術(shù)知識的聲譽(yù)之上，"法拉第未來產(chǎn)品執(zhí)行和車輛工程高級副總裁Bob Kruse說。
"[我們]在設(shè)計可變平臺架構(gòu)時探索了許多冷卻方法，"Kruse解釋說。"[我們]最終設(shè)計了一個完全淹沒的系統(tǒng)，其中所有主要的電池組件都淹沒在冷卻液中。
"電池在室溫下表現(xiàn)最佳，但是當(dāng)它們釋放或儲存能量時，它們往往會變熱，"Kruse指出。"因此，冷卻方案對于確保車輛使用壽命期間的最佳性能至關(guān)重要。我們選擇的冷卻劑是一種非導(dǎo)電液體，具有熱性能，使電池組在其所有組件上具有均勻的溫度。
冷卻系統(tǒng)還消除了潛在的腐蝕風(fēng)險，因為所有電氣元件及其連接都浸沒在流體中。法拉第未來工程師減少了電池之間的間距，并增加了電池組的總能量密度，因此冷卻液可以自由流動。
它還提供相對于組件振動的自然阻尼效果。FF 91中使用的電池組采用創(chuàng)新的冷卻液流動設(shè)計，使每個電池都可以單獨(dú)冷卻。
馬勒有限公司的工程師也在開發(fā)浸入式冷卻技術(shù)，以實現(xiàn)更快的車輛充電速度。
"[我們的]浸入式冷卻概念包括一種在電池周圍流動的電非導(dǎo)電冷卻液，"馬勒企業(yè)研究和高級工程副總裁Martin Berger說。"這種冷卻液可確保電池的最高溫度在充電過程中明顯下降。因此，整體溫度分布更加均勻。
電動汽車在路上的火災(zāi)風(fēng)險
IDTechEx最近的一份報告說明了對電動汽車熱管理技術(shù)關(guān)注和投資不足所帶來的風(fēng)險。
雖然在碰撞或電池?fù)p壞后可能會發(fā)生火災(zāi)，但三分之一的電動汽車火災(zāi)發(fā)生在車輛靜止時。當(dāng)電池不充電并且通常沒有明顯的觸發(fā)因素時，也會發(fā)生火災(zāi)。
IDTechEx認(rèn)為，這種情況為組件和材料供應(yīng)商提供了機(jī)會。熱界面材料、阻燃材料或防火材料都可以發(fā)揮作用。
例如，熱界面材料可以幫助電動汽車電池的熱管理，使其不太可能過熱。阻燃建筑材料和防火材料有利于圍住火災(zāi)或延長熱失控事件與電池組火災(zāi)之間的時間。
"浸入式冷卻為新一代電池系統(tǒng)鋪平了道路，"Berger說。"由于浸入式冷卻縮短了電動汽車的充電時間，因此電池可以更小。因此，電動汽車可以變得更便宜，更節(jié)省資源。
在最近在密歇根州諾維舉行的電池展上，ESI Automotive展示了一種可能對電動汽車效率產(chǎn)生重大影響的系統(tǒng)。該公司使用銀燒結(jié)來幫助原始設(shè)備制造商將電動汽車逆變器中芯片粘合的導(dǎo)熱性提高多達(dá)六倍。
該應(yīng)用程序使用ESI Automotive的Alpha Argomax銀燒結(jié)技術(shù)，有助于提高車輛性能并降低生產(chǎn)成本。
銀燒結(jié)技術(shù)可以提高電動汽車的導(dǎo)熱性。圖片來源于ESI Automotine
"導(dǎo)熱性是銀燒結(jié)可以在電動汽車中發(fā)揮作用的一個領(lǐng)域，"ESI Automotive汽車電氣化總監(jiān)Chris Klok說。"研究表明，銀燒結(jié)可以產(chǎn)生熔點為962°C且導(dǎo)熱系數(shù)極高的塊狀銀鍵，在每米開爾文（W / m-K）200至300瓦的范圍內(nèi)，而焊料為26至55 W / m-K。
"Argomax可以提高效率40%，并將芯片數(shù)量和逆變器重量分別減少75%和34%，"Klok說。"此外，它可以將產(chǎn)品的功率密度提高一倍，增加峰值功率，并通過200萬次功率循環(huán)提供可靠的性能。
