新能源pack系統散熱解決方案-液冷板工藝
液冷板,似乎并沒有什么統一的定義,我們僅就動力電池包的液冷板這個應用場景,給它下個定義,暫且這樣描述:動力電池系統中,電池工作產生多余熱量,熱量通過電池或者模組與板型鋁質器件表面接觸的方式傳遞,最終被器件內部流道中通過的冷卻液帶走。
對液冷板的一般要求散熱功率大,能夠及時導出動力電池工作過程中產生的多余熱量,避免過量溫升的發生;可靠性高,在道路車輛環境工作,振動、沖擊、高低溫交變環境,對多數產品都是比較嚴酷的工作條件,而動力電池電壓動輒幾百伏,冷卻液泄漏是個嚴重問題,即使你使用絕緣性能好的冷卻液,但遇到外部雜質后,絕緣性能會立即降低,因此,冷板密封可靠性很重要;散熱設計精準,避免系統內溫差過大,這是出于鋰電池自身性能的要求,電池的性能和老化都與工作溫度密切相關;對冷板的重量有嚴格要求,這來自于動力電池系統對能量密度的追求,嚴重拉低系統能量密度的冷卻系統,是客戶和設計者都根本無法接受的。
溫度是確保動力電池性能最重要的參數之一,適宜的工作溫度,能夠有效減緩電池的老化、鼓包和安全性問題,同時能夠發揮電池的最優性能。通常的動力電池包內,集成了多個電池單體,單體性能的一致性直接影響電池組整體的性能和壽命。處在電池包內不同位置的電池單體,其散熱條件也有所不同。動力電池的液冷板的性能主要取決于:
A 電池包內部整體維持在合理溫度范圍內;
B 不同電池單體的溫差盡可能小;
C 電池與液冷板之間的接觸熱阻盡可能得小;
D 冷卻液與冷板的熱阻小;
E 冷板內的冷卻液流速均勻性要求;
F 液冷板密封可靠性要求;
G 液冷板輕量化要求;
電池與液冷板的熱阻小,有利于把電池的熱量更快傳導至液冷板,同時更小的熱阻有利于冷卻液更好的進行對流換熱。冷卻液流速的均勻性,是保障散熱的均勻性,減少局部溫度過高的前提。
水冷板中的水道為什么要設計成彎彎曲曲的
水冷板的水道主要功能是利用水的流動帶走熱量,設計成彎彎曲曲的是因為這樣可以與熱源充分接觸,
更好的快速帶走熱量,另外就是從均溫性方面的考慮,
設計成彎彎曲曲的可以使得整塊水冷板均溫性較好,避免較大的溫差。
目前冷板的主要的工藝如下:
型材+焊接:
利用擠壓工藝將冷板流道直接成型,再通過機加方式打通循環,通常采用摩擦焊接、釬焊焊接等焊接工藝進行密封,此工藝生產效率高,成本低;不適用于散熱密度過大,表面不適合太多螺絲孔而限制水道走向或降低可靠性。主要應用于:動力電池水冷散熱加熱裝置、分水盒以及標準功率模塊一體化散熱產品。
機加+焊接:
水冷板采用機加的方式,內部流道尺寸、路徑均可自由設計,適合功率密度較大、熱源布局不規則、空間受限的熱管理產品,主要應用于:風電變流器、光伏逆變器、IGBT、電機控制器、激光器、儲能電源、超算服務器等領域的散熱產品設計上。
壓鑄+焊接:
內壓鑄工藝是非常成熟且應用廣泛的成型方式,隨著新能源汽車的快速發展, 成為電機控制器、動力電池包托盤及散熱箱體成批量生產的首選方式,但需在工藝上控制壓鑄雜質、汽孔等問題,保守采用密封圈方式或者采用摩擦焊焊接的方式,都需要在工藝上提高可靠性避免導致漏水問題。
摩擦焊是實現焊接的固態焊接方法。在壓力作用下,是在恒定或遞增壓力以及扭矩的作用下,利用焊接接觸端面之間的相對運動在摩擦面及其附近區域產生摩擦熱和塑形變形熱,使及其附近區域溫度上升到接近但1一般低于熔點的溫度區間,材料的變形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎,在頂鍛壓力的作用下,伴隨材料產生塑性變形及流動,通過界面的分子擴散和再結晶而實現焊接的固態焊接方法。摩擦焊相較傳統熔焊最大的不同點在于整個焊接過程中,待焊金屬獲得能量升高達到的溫度并沒有達到其熔點,即金屬是在熱塑性狀態下實現的類鍛態固相連接。
相對傳統熔焊,摩擦焊具有焊接接頭質量高——能達到焊縫強度與基體材料等強度,焊接效率高、質量穩定、一致性好,可實現異種材料焊接等。
散熱器采用摩擦焊接可解決高倍數超寬型材技術瓶頸,用兩個或兩個以上型材拼接實現超寬結構高密度型材,且模具開發成本低、周期短、穩定性高;
摩擦焊通常由如下四個步驟構成:
1、機械能轉化為熱能;
2、材料塑性變形;
3、熱塑性下的鍛壓力;
4、分子間擴散再結晶。
攪拌摩擦焊散熱器有以下的優點:
(1)實現了高倍數超寬體、大尺寸散熱器結構制作,解決了型材散熱器的技術瓶頸;
(2)摩擦焊是無介質熱融合,等同于型材一次擠壓成型,達到100%原型材的導熱率;
(3)開發成本較低;
(4)開發周期較短;
(5)攪拌摩擦焊散熱器穩定性高,易于維護。
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