在汽車(chē)電氣化的新應(yīng)用中，冷卻和加熱電氣部件以使其保持在最佳工作溫度非常重要，因?yàn)檫@可以保障電氣部件的使用壽命和效能。因此，合適的熱管理系統(tǒng)必不可少。換句話(huà)說(shuō)，有必要為所用的電氣化部件專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)合適的熱管理系統(tǒng)。

如果電池工作溫度過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致電池容量的損失，在極端情況下會(huì)導(dǎo)致熱失控。如果電池工作溫度過(guò)低，可能會(huì)導(dǎo)致電池使用效率降低、電阻增大、電池容量降低和鋰枝晶的形成 (鍍鋰層) 。鍍鋰層會(huì)導(dǎo)致電芯的加速老化和失效。

熱管理的目標(biāo)是確保系統(tǒng)處在最佳的運(yùn)行和安全溫度。更為復(fù)雜的是，電池系統(tǒng)的最佳溫度可能會(huì)隨著運(yùn)行模式的變化而變化。快速充電時(shí)的最佳溫度可能不同于駕駛或泊車(chē) (停車(chē)) 時(shí)的最佳溫度。

目前使用的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要有氣冷、間接液冷、直接液冷 (也稱(chēng)為浸液式冷卻) 和相變材料等類(lèi)型。

一、各種冷卻系統(tǒng)說(shuō)明

氣冷系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)樗鼈冊(cè)O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉且無(wú)泄漏問(wèn)題。氣冷分為采用強(qiáng)制對(duì)流的主動(dòng)式和采用自然對(duì)流的被動(dòng)式。與液體等介質(zhì)相比，空氣的熱容量小 (標(biāo)準(zhǔn)溫度下Cp = 1.006 kJ/kgK) 且熱導(dǎo)率低，因此氣冷不太可能成為電池包更大、充電速度更快的下一代電動(dòng)汽車(chē)的首選技術(shù)。

液冷可以分為間接和直接兩種方式。與空氣相比，冷卻液具有更大的熱容量和更高的熱導(dǎo)率。由于溫度控制均衡，間接液冷是目前電池?zé)峁芾碇凶畛Ｓ玫慕鉀Q方案之一。最常用的冷卻液是水和乙二醇的混合物。間接冷卻的原理是讓冷卻液流經(jīng)電芯/電池模組底部或側(cè)面的通道，將熱量從系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移出去。

通過(guò)使用特定的熱界面材料 (TIM) ，可以改善冷卻效果。與氣冷相比，間接液冷的缺點(diǎn)在于系統(tǒng)的復(fù)雜性。更多的部件以及通道/管路可能會(huì)導(dǎo)致更多的故障、額外重量和泄漏問(wèn)題。

還有一種新興的冷卻技術(shù)是直接液冷，也叫做浸液式冷卻，它將電池完全浸沒(méi)在介電液體中。這是一種不導(dǎo)電的液體，具有很高的抗電擊穿能力。這項(xiàng)技術(shù)的引入意味著電池工藝和部件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性可以大大降低，也有助于減輕系統(tǒng)的重量和體積，顯著提高電池溫度控制的穩(wěn)定性和均衡性。浸液式冷卻可以按照需要加熱或冷卻電池，而無(wú)需使用熱交換器，這在效率方面帶來(lái)顯著提升。電動(dòng)汽車(chē)電池的浸液式冷卻目前仍處于初級(jí)階段，但已經(jīng)有一些使用案例出現(xiàn)，例如法拉第未來(lái)公司的擁有專(zhuān)利的全浸式電芯系統(tǒng)、達(dá)喀爾拉力賽汽車(chē)奧迪RS Q e-tron的浸液式冷卻技術(shù)或者松下和特斯拉前員工創(chuàng)立的行兢科技的IMMERSIO?系統(tǒng)。

圖1：奧迪RS Q e-tron中用于達(dá)喀爾拉力賽的浸液式冷卻系統(tǒng)

浸液式冷卻中通常使用的介電液體都是阻燃的，可以抑制熱失控事件。目前，市場(chǎng)上有幾組冷卻介質(zhì)可供選擇 - 氫氟醚、烴油、硅油和氟化烴。同時(shí)人們?cè)絹?lái)越關(guān)注可生物降解的介電液體。

二、冷卻液的特性在熱管理中起著重要作用，應(yīng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)要求：

· 電氣絕緣性好

· 高比熱容和高熱導(dǎo)率

· 不易燃和/或閃點(diǎn)高

· 易于生產(chǎn)，可大量供應(yīng)

· 有合適的工作溫度范圍

· 液體的保質(zhì)期長(zhǎng)

在選擇合適的浸液式冷卻液時(shí)，除了上述要求外，還必須考慮材料兼容性、低密度、低粘度和環(huán)保性。

在德特威勒，我們相信通過(guò)合理使用正確的材料和復(fù)合材料可以改進(jìn)純電動(dòng)汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)。隨著移動(dòng)出行行業(yè)朝著電氣化方向穩(wěn)步發(fā)展，現(xiàn)在的重點(diǎn)在于支持冷卻液制造商、各級(jí)供應(yīng)商和OEM在熱管理系統(tǒng)方面不斷升級(jí)；在這方面，德特威勒的材料專(zhuān)業(yè)知識(shí)得到了高水平的應(yīng)用?；瘜W(xué)相容性是直接浸液式冷卻方式的關(guān)鍵，因?yàn)樗玫睦鋮s液不同，可能會(huì)導(dǎo)致密封解決方案不同。

為每種浸液式冷卻系統(tǒng)選擇最佳密封解決方案時(shí)，都必須進(jìn)行試驗(yàn)。就電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)而言，全氟聚醚 (PFPE) 似乎處于冷卻液應(yīng)用的前沿，因?yàn)樗鼈兙哂胁灰兹己偷驼扯鹊奶攸c(diǎn)。但是，無(wú)論在電動(dòng)車(chē)上使用哪種冷卻液，都必須確保與密封解決方案相容，以避免在這種惡劣環(huán)境中隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)密封件的腐蝕/退化，并預(yù)防由此帶來(lái)的問(wèn)題。

三、安全性至關(guān)重要

電池系統(tǒng)安全問(wèn)題最主要的就是要防止著火和熱失控。由于采用浸液式冷卻的電池系統(tǒng)直接浸泡在冷卻液中，整個(gè)區(qū)域必須用專(zhuān)門(mén)的密封彈性體部件進(jìn)行密封，而該彈性體的選擇必須正確，最好在車(chē)輛的整個(gè)使用生命周期內(nèi)均具有一定水平的耐化學(xué)性和耐侯性。

在德特威勒，我們正在對(duì)與不同材料接觸的各種類(lèi)型的冷卻液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和精確分析；通過(guò)這些測(cè)試，可以確定哪些類(lèi)型的聚合物或彈性體最適合密封這些液體。

即使在仿真分析階段也需要控制的一個(gè)重要參數(shù)是熱老化。材料在高溫 (高達(dá)100°C) 下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試 (長(zhǎng)達(dá)1000小時(shí)) 。從針對(duì)PFPE、硅油和種子油的第一組測(cè)試來(lái)看，德特威勒基于IC-DAT10和IC-DAT30的配方在大多數(shù)冷卻液中表現(xiàn)良好，通常應(yīng)作為密封材料的選擇。每個(gè)IC-DAT代碼代表不同的彈性體系列，因此該研究對(duì)比了不同聚合物系列在所選液體中的表現(xiàn)。

按照這一嚴(yán)格的測(cè)試過(guò)程，對(duì)比了將材料浸入這些液體前后的物理性能。下圖所示的體積變化被用作浸入冷卻液之后隨時(shí)間變化的化學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)。此外，我們還對(duì)熱穩(wěn)定性、抗拉性能的變化、壓縮永久變形和泄漏情況進(jìn)行了檢查和了解。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)橡膠配方浸入用于浸液式冷卻系統(tǒng)的不同類(lèi)型的冷卻液 (種子油、硅油和各種PFPE) 后的化學(xué)穩(wěn)定性結(jié)果

在圖2所示的第二組測(cè)試中，我們重點(diǎn)關(guān)注無(wú)鹵、無(wú)毒生物基以及可生物降解的冷卻液。所有被測(cè)冷卻液被分為全球變暖潛能值 (GWP) 為0和 <1兩類(lèi)。此外，本研究也包括所謂的混合液體，它們不僅提供冷卻效果，還為推進(jìn)系提供潤(rùn)滑效果。

標(biāo)準(zhǔn)橡膠配方在這些液體中浸泡后的體積變化表明，大多數(shù)被測(cè)橡膠配方都有明顯的變化?？梢钥闯?，在所有的被測(cè)材料中，只有代碼為IC-DAT41的配方才是合適的候選配方。

圖3：標(biāo)準(zhǔn)橡膠配方浸入用于浸液式冷卻系統(tǒng)的特定類(lèi)型的生物基冷卻液后的化學(xué)穩(wěn)定性結(jié)果

據(jù)推測(cè)，密封材料的極性會(huì)影響到密封件的化學(xué)穩(wěn)定性。除了IC-DAT41，德特威勒正在研究適合用作生物基類(lèi)浸液式冷卻液的其他候選材料。德特威勒使用不同專(zhuān)有配方進(jìn)行測(cè)試，最終選出了哪種配方才是最適合所測(cè)特定冷卻液的最佳密封材料。