在汽車電氣化的新應(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。換句話說，有必要為所用的電氣化部件專門設(shè)計(jì)合適的熱管理系統(tǒng)。

如果電池工作溫度過高，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?？焖俪潆姇r(shí)的最佳溫度可能不同于駕駛或泊車 (停車) 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 (也稱為浸液式冷卻) 和相變材料等類型。[1]

各種冷卻系統(tǒng)說明

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、成本低廉且無泄漏問題。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)汽車的首選技術(shù)。[1]

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。

通過使用特定的熱界面材料 (TIM) ，可以改善冷卻效果。熱界面材料這一主題，包括其概況、性能以及在間接液冷中的重要性我們已在之前一篇文章1中討論過。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，而無需使用熱交換器，這在效率方面帶來顯著提升。電動(dòng)汽車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)，例如法拉第未來公司的擁有專利的全浸式電芯系統(tǒng) [2]、達(dá)喀爾拉力賽汽車奧迪RS Q e-tron的浸液式冷卻技術(shù) [3] 或者松下和特斯拉前員工創(chuàng)立的行兢科技的IMMERSIO?系統(tǒng)  [4]。

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。人們?cè)絹碓疥P(guān)注可生物降解的介電液體。

冷卻液的特性在熱管理中起著重要作用，應(yīng)滿足以下幾個(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。

各種冷卻液說明

氫氟醚 - 來自電力電子應(yīng)用領(lǐng)域的氫氟醚在純電動(dòng)汽車的浸液式冷卻領(lǐng)域得到了極大的關(guān)注。文獻(xiàn)表明，與風(fēng)冷系統(tǒng)相比，其冷卻效率顯著提高。由于氫氟醚的不易燃性，并且?guī)缀醪淮嬖陂W點(diǎn)，系統(tǒng)安全性也得到了改善。這種氫氟醚浸液式冷卻系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)的性能表現(xiàn)仍有待研究。此外，氫氟醚的密度大約比水-乙二醇系統(tǒng)高40%，這對(duì)純電動(dòng)汽車的重量和續(xù)航里程都有不利影響。此外，材料成本和環(huán)保性也是阻礙氫氟醚在電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)中大量使用的重要因素。

烴類化合物 - 包括礦物油、聚α-烯烴 (PAO) 和合成烴油。烴類化合物是石油的蒸餾產(chǎn)物，這使得它們具有低成本、低毒性的特點(diǎn)，適合在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟确秶鷥?nèi)用于浸液式冷卻。這種液體的缺點(diǎn)是它們可能易燃并具有閃點(diǎn)。

酯類 - 由于其成本低、高閃點(diǎn)、擁有良好的介電性能和生物可降解性，它們已在各個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。酯類分為合成和天然兩種。合成酯是多元醇和羧酸之間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，而天然酯是植物油的產(chǎn)物。兩種來源也對(duì)應(yīng)著不同屬性。合成酯具有良好的氧化穩(wěn)定性，這對(duì)延長(zhǎng)車輛保養(yǎng)周期有著積極影響；但與天然酯相比，通常其閃點(diǎn)較低。酯基系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于，隨著材料的老化粘度升高，進(jìn)而使其冷卻能力降低。

硅油 - 硅油的主要優(yōu)點(diǎn)是其對(duì)高、低溫情況下均具有良好的耐溫性及介電性能。

水/乙二醇 - 水和乙二醇的混合液。與其他系統(tǒng)相比，水/乙二醇具有相當(dāng)高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，并且具有成本優(yōu)勢(shì)。但是，水型乙二醇混合液的傳導(dǎo)性限制了它只能用于間接液冷，而且在使用過程中，間接液冷系統(tǒng)的密封措施非常重要，因?yàn)檫@可以防止混合液泄漏到電池或接線上，繼而能防止短路和最終熱失控。[5]

總之，熱管理的解決方案有很多；在德特威勒，我們相信通過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，無論在電動(dòng)車上使用哪種冷卻液，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)防由此帶來的問題。[1]

安全性至關(guān)重要

電池系統(tǒng)安全問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)域必須用專門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型的冷卻液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和精確分析；通過這些測(cè)試，可以確定哪些類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)注無鹵、無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。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浸液式冷卻液的其他候選材料。德特威勒使用不同專有配方進(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。

我們將在下一篇文章中專門介紹進(jìn)行配方優(yōu)化過后的下一組試驗(yàn)的結(jié)果。同時(shí)，如欲了解有關(guān)我們材料開發(fā)的更多信息，請(qǐng)隨時(shí)聯(lián)系我們：materials@datwyler.com。

德特威勒 - 高品質(zhì)系統(tǒng)關(guān)鍵密封件及橡膠彈性體的市場(chǎng)引領(lǐng)者

德特威勒專注于高品質(zhì)系統(tǒng)關(guān)鍵密封件及橡膠彈性體的研發(fā)和生產(chǎn)，是全球密封技術(shù)的市場(chǎng)引領(lǐng)者，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于移動(dòng)出行、醫(yī)療保健、食品飲料及通用工業(yè)等領(lǐng)域。憑借領(lǐng)先的技術(shù)和廣泛認(rèn)可的核心競(jìng)爭(zhēng)力，德特威勒為全球各個(gè)市場(chǎng)的客戶提供增值服務(wù)。德特威勒總部位于瑞士，在四大洲擁有20多家運(yùn)營公司，銷售遍及100多個(gè)國家，擁有約7,000名員工，年銷售額超過10億瑞士法郎。公司自1986 年以來一直在瑞士證券交易所上市（證券編號(hào)：3048677）。

參考文獻(xiàn)

[1] Charlotte Roe、Xuning Feng、Gavin White、Ruihe Li、Huaibin Wang、Xinyu Rui、Cheng Li、Feng Zhang、Volker Null、Michael Parkes、Yatish Patel、Yan Wang、Hewu Wang、Minggao Ouyang、Gregory Offer、Billy Wu，鋰離子電池的浸液式冷卻 – 概述，《電源雜志》，第525卷，2022，231094，ISSN 0378-7753。

[2] W. Porter Harris，車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)用全浸式電芯，專利號(hào)US 9692095 B2，2017年。

[3]https://www.audi-mediacenter.com/en/press-releases/staying-cool-complex-cooling-systems-for-the-dakar-rally-in-the-audi-rs-q-e-tron-14439

[4] https://www.xingmobility.com/

[5]https://www.futurebridge.com/industry/perspectives-mobility/immersion-cooling-potential-alternative-to-traditional-battery-cooling/

作者：Jakub Kadlcak，Datwyler 材料開發(fā)移動(dòng)和一般工業(yè)主管