智能汽車和新能源汽車遇到了熱管理問(wèn)題

　　【太平洋汽車網(wǎng) 行情頻道】在汽車?yán)锩?由于汽車所面對(duì)的環(huán)境溫度在一個(gè)很寬泛的范圍,所以對(duì)于汽車內(nèi)部的熱管理是一個(gè)很大的課題。汽車熱管理的出發(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。

第一部分 智能電動(dòng)汽車提出的新需求

1) 鋰電池在汽車行業(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?yán)锩婵梢苑譃?2V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。

l 12V電池:輔助供電,電流大,需要被動(dòng)散熱

l 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

 l 動(dòng)力電池:驅(qū)動(dòng)車輛,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

圖1 鋰電池在汽車?yán)锩娴膽?yīng)用

在汽車?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?/p>

圖2 鋰電池的工作區(qū)域

因此電動(dòng)汽車的動(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。

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。

圖4 功率電子方面的熱傳導(dǎo)

3)智能汽車的核心運(yùn)算計(jì)算機(jī)

在車載計(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。

圖5 未來(lái)車載電腦的計(jì)算量需求

第二部分 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)是伴隨著客戶和行業(yè)一起成長(zhǎng)的。近些年,隨著智能汽車和新能源汽車的快速發(fā)展,車輛越來(lái)越依賴動(dòng)力電池和電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種功能。針對(duì)汽車動(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)品滿足不同客戶需求。

   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, 從而滿足新能源汽車等行業(yè)輕量化的需求。此外TC-5515 LT產(chǎn)品目前能夠滿足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) 材料到車上的應(yīng)用

實(shí)際上,原有的汽車和零部件企業(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。

圖6 逐步完善汽車的子系統(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。