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散熱對新能源汽車是非常重要的,因為其發(fā)熱功率特別大,這就需要用到***的大功率散熱器,而傳統(tǒng)的風冷散熱器一般無法滿足其散熱需求,特別是新能源汽車動力電池包的散熱,其具有密封性特點,設(shè)計指標要求電動汽車能在全年各種天氣條件下都能夠有高效穩(wěn)定地運行,而且汽車電池組直接影響汽車的加速度和續(xù)航距離,所以它的穩(wěn)定性是整車的關(guān)鍵技術(shù)中的一環(huán),而保證電池組穩(wěn)定發(fā)揮的關(guān)鍵技術(shù)在于其散熱。動力汽車的電池散熱一般會采用水冷散熱系統(tǒng)散熱,出色的水冷板散熱器及相關(guān)的管路連接技術(shù)保證其處于合適的溫度下運行。一個好的的動力電池包的溫度管理系統(tǒng)需要保證了每一個單電池的溫度都是全年恒定的,即使是在極端炎熱天氣下大量使用電池,能夠保證及時的散熱,防止電池的壽命減弱或者膨脹損壞,而且在極端寒冷的天氣下大量使用電池,保證電池的內(nèi)部足夠溫暖,不會影響性能與壽命。電池的散熱是用液體的冷卻劑流經(jīng)電池組的底部的水冷板,再由導熱性好的冷卻板與單電池直接接觸,從而使電池快速降溫。
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基于液冷電池熱管理基本原理
液冷板作為冷卻系統(tǒng)的重要組成部件,由于其位置的特殊性,冷卻板成為設(shè)計過程中的重中之重。液冷板設(shè)計不僅需要保證與電芯充分接觸,同時考慮液冷板的耐久腐蝕性問題,因此液冷板的材料選擇往往成為設(shè)計中需要考慮的重要因素。
鋁合金是一種導熱性好、密度低、強度高的金屬,因此在動力電池系統(tǒng)中常常被用做液冷板材料以用于電池內(nèi)部的散熱。乙二醇溶液作為一種主流的冷卻液,具有比熱容高、冰點低、流動性強和應用成熟的特點,不僅多用于發(fā)動機冷卻系統(tǒng),也被用在新能源汽車的熱管理系統(tǒng)上,原則上鋁合金和冷卻液之間不會發(fā)生明顯的反應。
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水冷散熱器的設(shè)計原則
1基材的選擇:盡量避免一個系統(tǒng)中有兩種電極電位差較大的金屬,減少電化學腐蝕。
2冷板種類選擇:基于液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和是否承載重去選擇
3 流量的確定:由于水冷的系統(tǒng)比較龐大,一般不會對整個系統(tǒng)做仿真分析,而是先設(shè)定水冷散熱器流量,再根據(jù)對應的系統(tǒng)流動阻力匹配水泵。總熱量和工質(zhì)的物性參數(shù)確定后,流量和溫升成反比;若溫升較高,則水冷系統(tǒng)的換熱器(冷卻水用)需要設(shè)計的比較大;若溫升過低,則需要選用比較大的水泵。因此溫升過高或過低都會引起成本的增加?;诮?jīng)濟性考慮,常常有個經(jīng)濟型溫升范圍,也就同步確定了散熱器的流量。
4.水冷流道截面的設(shè)計:經(jīng)理論推導,對流熱阻與截面的水力直徑成正相關(guān)的關(guān)系。也就是說,其他條件相當,水力直徑越大,對流熱阻越大。我們知道,水力直徑D=4A/X,其中A為流道截面積,X為流道截面周長,也就是說,截面積相等的條件下,周長越大,水力直徑越小,對流熱阻越小。
根據(jù)功率模塊的實際工況中的發(fā)熱量、所述簡化熱阻模型及水冷板模型,建立仿真模型,并進行仿真之后,根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化水冷板流道結(jié)構(gòu)的過程,包括:根據(jù)功率模塊的簡化熱阻模型及水冷板模型,建立仿真模型;根據(jù)功率模塊的實際工況的發(fā)熱量,設(shè)置每個芯片的發(fā)熱量、冷卻介質(zhì)的入口溫度及入口流量,對仿真模型進行水冷板散熱仿真之后,得到簡化熱阻模型中的每個芯片的雙熱阻模型的結(jié)溫;根據(jù)每個芯片的雙熱阻模型的結(jié)溫及工作溫度要求,判斷每個芯片的雙熱阻模型的結(jié)溫是否在其正常工作溫度范圍內(nèi),及各個芯片之間的結(jié)溫偏差是否超過預設(shè)偏差值;當至少一個芯片的雙熱阻模型的結(jié)溫不在其正常工作溫度范圍內(nèi),或各個芯片之間的結(jié)溫偏差超過預設(shè)偏差值時,對水冷板流道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。水冷板使用時,需要注意哪些問題呢?
目前新能源車市場的液冷板類型主要有以下幾種:
口琴管式液冷板
口琴管式液冷板具有成本低、重量輕、結(jié)構(gòu)相對簡單、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點,但由于其流道單一、接觸面積小、管道壁薄,導致它的換熱效果一般且承重能力較差。
壓式液冷板
沖壓式液冷板具有流道可任意設(shè)計、接觸面積大、換熱效果好、生產(chǎn)效率高、耐壓與強度好等優(yōu)點,但由于其需要開模,因此成本較高,且對平整度要求高,安裝難度大
吹脹式液冷板
吹脹式液冷板具有成本低、換熱效果好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點,但由于其材質(zhì)偏軟,因此在耐壓與強度方面存在較大的短板。
平行流管式液冷帶
平行流管式液冷帶具有換熱效果好、適用于圓柱形電芯的優(yōu)點,但由于其結(jié)構(gòu)復雜,因此成本高。
型材加攪拌摩擦焊
這種將型材通過攪拌摩擦焊連接成型的液冷板具有可靠性好、承重能力好、表面平整度好、換熱效果好等優(yōu)點,但由于其厚度較厚且加工方式復雜,因此成本高、重量重且空間占有率高。
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液體冷板和熱交換器用于許多不同的流體,通常涉及相同流體的再循環(huán)。一種不應該用于鋁冷板和熱交換器的液體是
自來水。自來水可能含有活性離子,如銅、碳酸氫鹽、氯化物和/或其他促進腐蝕的雜質(zhì)。另外,隨著時間的推移,同樣
的流體在閉環(huán)循環(huán)中會導致溶解氧從溶液中出來。由此產(chǎn)生的缺氧會阻止氧化層的形成。如果時間足夠長,鋁與氧氣隔離
并暴露在低質(zhì)量的水中,然后會被腐蝕。當水是傳熱系統(tǒng)的優(yōu)先選擇時,蒸餾水通常與乙二醇結(jié)合以降低其凝固點并提高其沸
點。由于上述原因,使用緩蝕劑是至關(guān)重要的。緩蝕劑是控制數(shù)量的活性離子(通常磷酸鹽),在形成耐腐蝕層接管氧的作
用。由于這些抑制劑依賴于鋁的化學反應,使用低質(zhì)量的水,如自來水將減少抑制劑的有效性。
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