智能電動(dòng)汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)問(wèn)題

引言
在汽車(chē)?yán)锩妫捎谄?chē)所面對(duì)的環(huán)境溫度在一個(gè)很寬泛的范圍，所以對(duì)于汽車(chē)內(nèi)部的熱管理是一個(gè)很大的課題。汽車(chē)熱管理的出發(fā)點(diǎn)更多偏向于“各個(gè)零部件沒(méi)有熱害風(fēng)險(xiǎn)”，每個(gè)零部件的性能、成本和發(fā)展趨勢(shì)都是不一樣的。在設(shè)計(jì)中，需要從考慮惡劣工況下部件熱害風(fēng)險(xiǎn)，考慮低負(fù)荷工況下，熱管理系統(tǒng)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(lái)探討一下設(shè)計(jì)和材料的問(wèn)題。

01

智能電動(dòng)汽車(chē)提出的新需求? ?

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1）?? ?鋰電池在汽車(chē)行業(yè)里面的應(yīng)用
鋰電池是一個(gè)重要的能源，如前面所述，在汽車(chē)?yán)锩婵梢苑譃?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(dòng)散熱、 液冷和冷媒直冷等方式。

12V 電池：輔助供電，電流大，需要被動(dòng)散熱?

48V 和 HEV 電池：能量回收，電流大，在設(shè)計(jì)中可以采用被動(dòng)散熱、風(fēng)冷兩種不同的形式，也有企業(yè)考慮選用液冷?

動(dòng)力電池：驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，功率輸出持續(xù)性，目前主流的選擇是采用主動(dòng)冷卻的方式進(jìn)行?

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圖 1 鋰電池在汽車(chē)?yán)锩娴膽?yīng)用?

在汽車(chē)?yán)锩?，鋰電池的工作溫度區(qū)間是有限的，如下圖所示，在低溫區(qū)和高溫區(qū)，溫度都會(huì)影響電池的工作特性，特別是在高溫區(qū)影響電池壽命，低溫區(qū)工作甚至?xí)绊懓踩?

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圖 2 鋰電池的工作區(qū)域

因此電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力鋰電池組熱設(shè)計(jì)是保證電池可靠工作的關(guān)鍵技術(shù)，而如何把電芯的熱量導(dǎo)出來(lái)是核心的設(shè)計(jì)考量因素。通常動(dòng)力電池組液冷散熱部分由液冷管和導(dǎo)熱膠組成，液冷管包括內(nèi)部的冷卻液，重要完成鋰離子電池組工作出現(xiàn)熱量的散熱，導(dǎo)熱膠完成電芯與液冷管之間的熱傳導(dǎo)。導(dǎo)熱膠是目前新能源電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用較為廣泛的導(dǎo)熱材料，能夠在室溫條件下通過(guò)加成固化反應(yīng)形成一種柔軟、有彈性且表面具有粘附性的有機(jī)硅彈性體，同時(shí)還具有優(yōu)異的電氣絕緣性能。

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圖 3 導(dǎo)熱膠的傳導(dǎo)?

2）?? ?功率電子的使用?
在為電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)高功率密度電子技術(shù)的過(guò)程中，核心的挑戰(zhàn)是管理功率電子（逆變器 DC-AC、直流變壓器 DCDC、充電機(jī) ACDC）在高負(fù)荷工作所產(chǎn)生的熱量。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，在這方面采用導(dǎo)熱灌封化合物是一種快速有效地將熱量從功率部件傳導(dǎo)到散熱器。對(duì)于功率電子器件來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體工作溫度也是有天花板的，高溫區(qū)會(huì)影響壽命。

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圖 4 功率電子方面的熱傳導(dǎo)?

3）智能汽車(chē)的核心運(yùn)算計(jì)算機(jī)?
在車(chē)載計(jì)算平臺(tái)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為了保證自動(dòng)駕駛的實(shí)時(shí)性要求，需要保證軟件響應(yīng)的最大延遲在可接受的范圍內(nèi)，對(duì)于計(jì)算資源的要求也因此變得極高。未來(lái)的計(jì)算平臺(tái)是異構(gòu)的，會(huì)使用 CPU+GPU+FPGA 的計(jì)算平臺(tái)，計(jì)算所需要的功率非常大。因此在未來(lái)開(kāi)始衡量算力和功耗，需要通過(guò)導(dǎo)熱技術(shù)把熱量盡快帶出。
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圖 5 未來(lái)車(chē)載電腦的計(jì)算量需求

02

導(dǎo)熱材料在這些應(yīng)用中起到作用

在這種設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)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(lái)看，主要有以下的材料可以用：?

a)?? ?有機(jī)硅是一種最通用的化學(xué)物質(zhì)，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(shè)計(jì)中考慮阻燃、耐高溫和永久彈性時(shí)候，有機(jī)硅產(chǎn)品是作為首選的。?

b)?? ?環(huán)氧樹(shù)脂具有強(qiáng)度高、用途廣、耐用性高、粘接度強(qiáng)、耐化學(xué)腐蝕與耐高溫的優(yōu)點(diǎn)。?

c)?? ?聚氨酯應(yīng)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(hù)敏感的電子器件，而且具有防水性。 事實(shí)上，這些不同的材料首先是應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，然后慢慢擴(kuò)展到汽車(chē)上的。

這里我們首先來(lái)看一下有機(jī)硅材料，這方面不得不提一下陶氏，在有機(jī)硅材料領(lǐng)域居于世界領(lǐng)先地位，為全球 25,000 多家客戶(hù)提供 7,000 余種有機(jī)硅產(chǎn)品以及相關(guān)服務(wù)。陶氏的導(dǎo)熱有機(jī)硅材料具有廣泛的粘度、固化速度和導(dǎo)熱系數(shù)，可滿(mǎn)足幾乎所有行業(yè)的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)熱管理日益增長(zhǎng)的需求。導(dǎo)熱材料業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)是伴隨著客戶(hù)和行業(yè)一起成長(zhǎng)的。近些年，隨著智能汽車(chē)和新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，車(chē)輛越來(lái)越依賴(lài)動(dòng)力電池和電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種功能。針對(duì)汽車(chē)動(dòng)力電池和電子設(shè)備日益增長(zhǎng)的導(dǎo)熱需求，陶氏開(kāi)發(fā)了一系列更高性能、可靠性，使用壽命和更具成本效益的導(dǎo)熱解決方案。

陶氏有機(jī)硅的專(zhuān)長(zhǎng)是 70 多年的技術(shù)和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累，高質(zhì)量上游原材料保證下游產(chǎn)品的穩(wěn)定和可靠性，產(chǎn)品線(xiàn)寬囊括了導(dǎo)熱填縫劑，導(dǎo)熱粘接劑，導(dǎo)熱灌封膠和凝膠，導(dǎo)熱硅脂等不同類(lèi)型的導(dǎo)熱產(chǎn)品。此外，陶氏有機(jī)硅部門(mén)可以針對(duì)客戶(hù)的具體需求快速調(diào)整導(dǎo)熱產(chǎn)品的性能如粘度、固化速度和導(dǎo)熱系數(shù)從而開(kāi)發(fā)出創(chuàng)新產(chǎn)品滿(mǎn)足不同客戶(hù)需求。?

以 2.0/m·kW 導(dǎo)熱填縫劑為例，以前同等導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱填縫劑往往需要 2.7g/cm3 的密度，現(xiàn)如今通過(guò)本地化的技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及全球技術(shù)專(zhuān)家的支持，新開(kāi)發(fā)的 2.0/m·kW 導(dǎo)熱填縫 TC-5515 LT 密度大幅降低 28%為 1.95 g/cm3, 從而滿(mǎn)足新能源汽車(chē)等行業(yè)輕量化的需求。此外 TC-5515 LT 產(chǎn)品目前能夠滿(mǎn)足 3000 小時(shí)可靠性老化測(cè)試要求，3 倍于行業(yè)基本要求。

2）?? ?材料到車(chē)上的應(yīng)用
實(shí)際上，原有的汽車(chē)和零部件企業(yè)和材料企業(yè)的分工，是通過(guò)產(chǎn)品一級(jí)級(jí)的要求來(lái)逐步完善的，整車(chē)層面主要通過(guò)預(yù)定義要求，通過(guò)完善的測(cè)試要求和售后迭代反饋來(lái)逐步晚上要求。零部件企業(yè)，通過(guò)分解需求，一步步對(duì)要求進(jìn)行完善，而材料企業(yè)則是對(duì)這些要求進(jìn)行性能方面的矩陣特性評(píng)估，最后迭代的鏈條把一個(gè)子系統(tǒng)逐步完善。這是一種協(xié)作和完善的過(guò)程。 由于汽車(chē)的使用年限比較長(zhǎng)，和質(zhì)量、可靠性和壽命有關(guān)的內(nèi)容，如果在后期發(fā)現(xiàn)會(huì)比較難處理，整體的處理成本比較高，所以這套分工協(xié)作的方法就一直廣泛使用。

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圖 6 逐步完善汽車(chē)的子系統(tǒng)

小結(jié)：隨著產(chǎn)業(yè)界對(duì)于 10 年 100 萬(wàn)公里甚至是 15 年 200 萬(wàn)公里的電池壽命目標(biāo)的提出，未來(lái)電池的熱管理會(huì)扮演越來(lái)越重要的角色。