2018年,在整個車市下行的環境下,新能源汽車的市場表現成為寒冬中的一抹亮色。中汽協數據顯示,2018年,我國新能源汽車銷量同比大漲61.7%至125.6萬輛,超額完成此前規劃的100萬輛銷量目標。而未來幾年,新能源汽車市場有望進一步實現爆炸式增長,這對相關技術及部件的發展帶來新的空間與挑戰,如熱管理系統。

傳統汽車的熱管理系統主要集中于發動機、變速器的散熱系統和汽車空調,而新能源車的熱管理系統涵蓋了新能源汽車幾乎所有的組成部分,相對而言,后者對于綜合熱管理有更高的需求,例如怎樣使被冷卻部件維持在最佳工作范圍內,如何使芯片支持最大的功率輸出等,這些對熱管理工作均提出較大的挑戰。

針對此,近日,蓋世汽車微課堂特邀請德納(無錫)技術有限公司先期技術銷售及工程經理曹岳,以“電動汽車電池及IGBT芯片熱管理”為主題,與行業朋友進行了分享與交流,以下為現場演講實錄,供參閱!

本期演講嘉賓個人簡介:

演講內容:

一、電池為何會發熱  

關于新能源汽車熱管理產品種類比較多,今天我們集中會講到電池熱管理和IGBT雙面散熱器。首先從電池熱管理講起,大家可能會比較好奇的問題是電池為何會發熱?簡單來講,電池本身被視作一個大的電阻,當有電流通過的時候就會發熱。

從我上面圖片可以看到,電池的熱量是電流的平方乘以電池的內阻。所以理論上來說,當電池的內阻是一定的情況下,電流越大,電池的發熱量越大。

當我們了解到電池為什么會發熱后,那么真實反映到電動汽車行駛工況下發熱量究竟該怎么計算?我們做了一些案例分析,請見以下圖片,第一個是基于UDDS的行駛工況,這是美國城市道路的一個行駛工況,同時也有US06的(US06是在UDDS的基礎上,加上了其他道路的行駛工況),在這兩種工況下,電流的輸入和輸出情況如何?同時,電流的輸入和輸出對應產生的熱負載是什么情況?在這個圖片中均可以得到很好的解釋。

二、為什么需要電池熱管理?

我們知道了電池因為電流發熱,也知道電動汽車在行駛過程中會有電流的輸入和輸出,那么接下來的一個問題是為什么我們需要電池熱管理呢?

其實,電池本身跟人是比較類似的,它要求環境溫度不能太高也不能太低,如果溫度太高,離子活性比較強,壽命會受到影響;而溫度比較低的話,充電放電效率會大幅降低,因此我們需要將電池保持在一個比較合適的工作溫度范圍內。

目前我們做的開發,大部分客戶要求的電池工作最佳溫度區間是25°~40°,對于整個電池包內電池均溫性要求的話,在同一個平面內,電池的均溫性要小于5°。

那么,如果電池熱量沒有被及時帶走的話,將會帶來什么樣的后果呢?

我們通過一個案例來分析,這個分析是基于US06的行駛工況來的,在電池的環境溫度處于20°、35°、50°情況下做個對比,在行駛100000英里的情況下,當電池環境溫度是50°的話,電池的衰減是非常厲害的,已經超過40%,而當電池環境溫度在20°左右的情況下,它的衰減則不到20%。所以通過這個案例,我們可以直觀感受到電池為何要降溫。對于現有市場需求的話,如快充或者對于高性能電機輸出需求,這都需要大電流的輸出。另外對于PHEV而言,因為電池容量小,它的充放電倍率比傳統BEV要高很多……,基于以上因素,提高電池熱管理有比較大的市場需求。

三、電池冷卻板類型

了解完電池熱管理,下面我們來談下電池冷卻板,對于目前市場上電池冷卻板的形式,我們自己總結了下,主要有三種結構:板式、管式、蛇形。

第一種板式結構應用范圍比較廣,從方型電池到軟包電池再到圓柱形電池都可以用。其冷卻類型也較為多樣,可以做電池底部冷卻,也可以做電芯到電芯之間的冷卻。

第二種管式結構局限性比較大,用在方型電池底部冷卻比較多一些。

第三種蛇形結構,這種大家應該比較熟悉,就是特斯拉圓柱形電池的液冷板。

基于不同類型的冷卻板他們對應的加工工藝也是有區別的,板式結構的工藝方式是比較多樣化的,有沖壓連續爐帶助焊劑釬焊,也有沖壓連續爐無助焊劑釬焊,還有沖壓真空焊以及擠壓釬焊等,而我們德納關注的主要是沖壓連續爐無助焊劑釬焊。而管式和蛇形結構主要是擠壓+釬焊的形式。

那么接下來我要講的是三種釬焊工藝之間優缺點的對比:

首先是帶焊料連續爐釬焊,這個工藝現在用的非常多,本身涂助焊劑的目的是防止鋁材在釬焊過程中產生氧化(產生三氧化二鋁),因為氧化層對釬焊的質量會產生非常大的挑戰。不過涂釬焊劑也有一個危害是清潔度會受到影響,因為不能保證內腔中涂的釬焊劑能夠100%的被清洗掉。

第二種是真空焊,顧名思義是在完全真空狀態下做的釬焊,此工藝不用擔心氧化層的出現,不過它的缺點是連續性不夠強,可能放一批產品到真空爐后要五六個小時才能取出來,這樣導致生產節奏會比較緩慢。

第三種是德納的一個專利技術“無焊料連續釬焊”,我們通過在原材料上集成鍍鎳的涂層,在可以使用連續爐釬焊的條件下,不用涂釬焊劑,這樣一方面最大限度保證清潔度,另一方面可以實現產品的連續化生產,保證生產節拍。

四、關于電池冷卻板 德納的技術解決方案

下面具體給大家具體分析下我們已經量產的相關技術解決方案:

第一個給大家分享的是通用沃蘭達的軟包電池的電芯間電池冷卻板,這個產品我們從2010年開始給通用沃蘭達批量供貨,截止2017年底已經供應超過1590萬片的冷板,這個冷板非常薄,總厚度1mm,上下表面集成了一個3500V的高壓膜。

第二款是福特福克斯的EV,此款車在北美市場銷售,我們的產品是在2012年左右實現量產,厚度1.2mm,集成了3500v的高壓膜,設計本身抗擠壓強度超過2bar。

接下來這個產品,是我們2017年底投產的電芯間電池冷卻板,總厚度1.2mm,流道高度0.8mm,值得一提的是,我們采取了并聯的流道設計可以將冷卻液引流到溫度高的區域,從而實現最佳的電池均溫性。

還有一個是我們在2015年量產的底部冷卻板,針對方型電池,終端客戶是菲亞特,截止2017年底,已供應超過53000片。

同時針對于下一代電池冷板的設計開發我們也做了一些工作,像目前市場上主流的電池冷板它的流道形式都是U型,取決于電池包的空間,需要把進口和出口布置在同一側,以便于更高效的管路設計。但是帶來的缺點是,當冷卻液從一端進入后會吸收電池熱量,從另一端出來,這樣在冷卻液本身同一個截面之內會有一定溫差,而這一溫差會反應到電池模組底部,對電池模組底部在同一個截面而言的話溫差還是很大的。

基于這種狀態,德納開發了一個新型的流道——對流流道,這也是我們的專利。我們通過對流道進行設計,將進口的冷卻液和出口的冷卻液充分打散,盡可能使同一個截面內的冷卻液溫度保持均衡,反應到電池模組底部的話,它的均溫性、包括對于電池模組底部最高溫度都有很大的幫助。這個好處是我們并不需要對冷板的尺寸做任何要求,在原來的U型流的情況下通過改變流道的方式,就可以優化電池最高溫度及均溫性。

而以下這張圖片是對電池冷板的生產工藝做個簡單的介紹,從原材料的沖壓,到無焊料釬焊、激光焊接(主要是針對接管的激光焊接)、泄漏測試、終檢,這些所有的工藝在德納于2018年在鹽城投資的新工廠都可以實現。

而今年,我們有一些項目和產品將在鹽城工廠實現量產,其中兩個是自主品牌一個合資品牌。  

五、什么是 IGBT?

我們本身不是做IGBT芯片的,但為了更好的講解IGBT散熱,在這里還是先介紹下什么是IGBT芯片。

其實本質上來講,IGBT是一個控制電流通斷的開關,通過軟件來控制電壓的通斷。比如在逆變器里面將DC轉成AC的話通過PWM控制電壓的通斷,使輸入的直流電變成類似于正弦波的交流電輸出,然后交流電去支持三相交流電機的一個運轉。

上面這張圖片是非常典型的應用場景:高壓電池直流電出來到逆變器,逆變器將直流電轉成三相交流電,交流電輸入到電機,然后輸出功率。整個傳遞過程傳遞效率是有限的,只有將近90%的傳遞效率,這也意味著約有10%的熱量產生。

但是現在目前技術應用,包括電機對高功率輸入要求,對電壓需求的開關頻次越來越高,同時需要支持的電壓值越來越高,然為滿足整車的緊湊化設計,對應的芯片尺寸缺越來越小,因此對應的熱接觸面積也是越來越少,這對于熱管理是很大的挑戰。

六、IGBT功率器件的熱管理演變

接下來我們對功率器件的熱管理演變做下闡述。

第一代和第二代功率器件熱管理都是基于單面散熱為主,主要的技術從工業延伸到汽車行業。第一代有散熱片,第二代取消散熱片后,用導熱墊或其他材料替代。流道結構主要是以Pin-fin結構為主。同時,有些廠家也在做雙面散熱,包括我們接觸的很多客戶基于未來3-5年的新車型,大部分會考慮雙面散熱這個技術。

相對于單面散熱,雙面散熱究竟有什么好處呢?下面這張圖片我們從熱阻和最高溫度兩個方面的對比可以直觀感受到。

在總的流量相同的前提下,雙面散熱器的芯片節點到冷卻液的整個傳遞路徑過程中的熱阻要比單面散熱器低32%-33%左右。而在基于分配到每個單片的散熱器流量相等的前提下,雙面散熱器芯片節點到冷卻液的熱阻要比單面散熱器低39%左右。

此外,在同樣熱負載的情況下,雙面散熱器芯片的節點溫度175°,而對應的單面散熱器是220° ,可能他們用的時間差不多,但最終達到的溫度值明顯不一樣的,雙面散熱器要比單面低很多。

此外,雙面散熱器從結構設計來講,靈活性還是比較大的,兩個不同散熱器可以實現串聯或并聯,取決于不同的應用場景。此外,流量分配的靈活性也是比較大的,最終我們要確保分配到單個散熱器的流量盡可能均衡。同時可在散熱器內部集成高性能的翅片,去降低對流換熱的熱阻,另外我們也有可變高度的密封圈,靈活調整密封壓力,降低泄漏風險。在不需要二次加工的前提下,散熱器本身和芯片接觸區域的平面度可以達到50微米。

以下是我們量產案例的介紹,雙面散熱器我們2016年就在北美市場實現量產,供給車型是寶馬i3和沃爾沃的XC90。同時德納無錫也會在2019年中旬給國內車型實現批量生產,終端客戶4-5家左右。

針對于后續潛在需求,我們也在做一些多層結構的設計。同時在某些應用場景,我們的鋁材可以升級為銅,因為銅的傳熱效率是鋁的3倍左右,銅散熱器我們也會在2020年于德納無錫實現量產。

七、關于德納

最后,對于德納也給大家做個介紹,我們是家美資公司,總部位于美國俄亥俄州莫米市,2017年全球銷售額72億美元,2018年的銷售額超81億美元,全球擁有超過3萬名員工、22個研發中心。

整個德納根據服務的市場不同分為四個業務集團:輕型車傳動系統,商用車傳動系統,非公路車輛傳動系統以及動力技術事業部,我們部門屬于動力技術事業部。

德納動力技術集團2017年的銷售額11億美金,全球5000名員工。以下我們事業部的全球布局,我們在亞太主要是印度和中國市場,而在中國無錫有研發中心和工廠,在鹽城有工廠。

目前我們大部分產品集中于傳統的發動機和變速箱的熱管理和密封產品,而對于新能源汽車主要是電池冷卻板和IGBT的雙面散熱器。 

非常感謝大家,今天的問題到此結束,大家有什么問題,可以提問。

以下是微課堂期間參會人員提問及嘉賓的相關答復:

Q1、IGBT目前發展狀況如何,從芯片到模塊再到逆變器總成,行業內的供應鏈現狀?

曹岳：目前整個供應鏈體系而言,IGBT芯片是底層,再往上是模塊,然后是逆變器總成,終端是OEM。

IGBT芯片,市場份額最大的是英飛凌,而一些主機廠如比亞迪和豐田都有自己的芯片。而到了模組和總成這一級別有很多競爭對手,如博世、電裝、法雷奧等。不過,就整個供應鏈而言,垂直整合比較好的有兩家,比亞迪和豐田。

Q2、IGBT 熱管理技術目前行業狀態及后續發展方向?

曹岳：針對這個問題我們無法概況整個行業,目前主要應用還是單面散熱為主,但是我們接觸到的未來3-5年內會量產的新車型,大多都在開發雙面散熱這一塊。

Q3、電池水冷板設計時需要考慮哪些因素?

曹岳：我們需要從整個系統層級去考慮,如壓力降,散熱效率,能達到的均溫性,水冷板安裝方式,電池模組和底部的安裝方式等等,承載式還是非承載式,這些因素決定了水冷板的結構類型。

Q4、能否介紹下下一代SiC產品的應用進展?國內企業目前跟國外的差距與應用現狀?

曹岳：碳化硅的話優勢很明顯,熱膨脹系數很小,熱阻也很小,非常適合用于IGBT。但目前實現量產的不是很多,因為材料成本比較高,集成話難度也比較高,但不可否認的是其作為下一代技術,各個主機廠和公司會去進一步研發。

Q5、電池熱管理系統目前技術上存在的問題有哪些?未來發展趨勢?一體化冷板或單個模組配單個冷板?

曹岳：未來的發展趨勢是一體化的還是小尺寸的,也即是單個模組配單個冷板,這個問題我們經常會遇到,每個客戶的側重點不一樣。

集成化優勢很明顯,接口數量會大幅降低,進而減少泄漏的風險。但是它對于流道的設計要求很高,就是你通過一個大尺寸的冷板,如何將總的流量精確分布到每個模組下面,這對流道設計是比較大的挑戰。而小尺寸的冷板,單個模組配單個水冷板的話,它可以通過管路的設計非常容易實現流量的均衡性,但是它的接口數量會大幅增加,而對應的泄漏的風險也會增加。

無論是大的冷板還是小的冷板,從整個系統級別考慮,現在無法知道哪個技術方案的系統成本會更高,因為大尺寸的冷板雖然接口數量減少,對應的接口成本相對低,然加工工藝會大幅增加,況且這個增加不是幾何級別的增加。

Q6、您如何看待電動汽車熱管理行業未來格局?

曹岳：這個領域競爭還是比較激烈的,有像我們德納這樣的從傳統熱管理切到新能源熱管理,也有很多新進入的企業,市場空間很大,而相對來說競爭也很大。

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