【微课堂实录】电动汽车电池及IGBT芯片热管理解析

2018年，在整个车市下行的环境下，新能源汽车的市场表现成为寒冬中的一抹亮色。中汽协数据显示，2018年，我国新能源汽车销量同比大涨61.7%至125.6万辆，超额完成此前规划的100万辆销量目标。而未来几年，新能源汽车市场有望进一步实现爆炸式增长，这对相关技术及部件的发展带来新的空间与挑战，如热管理系统。

传统汽车的热管理系统主要集中于发动机、变速器的散热系统和汽车空调，而新能源车的热管理系统涵盖了新能源汽车几乎所有的组成部分，相对而言，后者对于综合热管理有更高的需求，例如怎样使被冷却部件维持在最佳工作范围内，如何使芯片支持最大的功率输出等，这些对热管理工作均提出较大的挑战。

针对此，近日，盖世汽车微课堂特邀请德纳（无锡）技术有限公司先期技术销售及工程经理曹岳，以“电动汽车电池及IGBT芯片热管理”为主题，与行业朋友进行了分享与交流，以下为现场演讲实录，供参阅！

本期演讲嘉宾个人简介：

演讲内容：

一、电池为何会发热  

关于新能源汽车热管理产品种类比较多，今天我们集中会讲到电池热管理和IGBT双面散热器。首先从电池热管理讲起，大家可能会比较好奇的问题是电池为何会发热？简单来讲，电池本身被视作一个大的电阻，当有电流通过的时候就会发热。

从我上面图片可以看到，电池的热量是电流的平方乘以电池的内阻。所以理论上来说，当电池的内阻是一定的情况下，电流越大，电池的发热量越大。

当我们了解到电池为什么会发热后，那么真实反映到电动汽车行驶工况下发热量究竟该怎么计算？我们做了一些案例分析，请见以下图片，第一个是基于UDDS的行驶工况，这是美国城市道路的一个行驶工况，同时也有US06的（US06是在UDDS的基础上，加上了其他道路的行驶工况），在这两种工况下，电流的输入和输出情况如何？同时，电流的输入和输出对应产生的热负载是什么情况？在这个图片中均可以得到很好的解释。

二、为什么需要电池热管理？

我们知道了电池因为电流发热，也知道电动汽车在行驶过程中会有电流的输入和输出，那么接下来的一个问题是为什么我们需要电池热管理呢？

其实，电池本身跟人是比较类似的，它要求环境温度不能太高也不能太低，如果温度太高，离子活性比较强，寿命会受到影响；而温度比较低的话，充电放电效率会大幅降低，因此我们需要将电池保持在一个比较合适的工作温度范围内。

目前我们做的开发，大部分客户要求的电池工作最佳温度区间是25°~40°，对于整个电池包内电池均温性要求的话，在同一个平面内，电池的均温性要小于5°。

那么，如果电池热量没有被及时带走的话，将会带来什么样的后果呢？

我们通过一个案例来分析，这个分析是基于US06的行驶工况来的，在电池的环境温度处于20°、35°、50°情况下做个对比，在行驶100000英里的情况下，当电池环境温度是50°的话，电池的衰减是非常厉害的，已经超过40%，而当电池环境温度在20°左右的情况下，它的衰减则不到20%。所以通过这个案例，我们可以直观感受到电池为何要降温。对于现有市场需求的话，如快充或者对于高性能电机输出需求，这都需要大电流的输出。另外对于PHEV而言，因为电池容量小，它的充放电倍率比传统BEV要高很多……，基于以上因素，提高电池热管理有比较大的市场需求。

三、电池冷却板类型

了解完电池热管理，下面我们来谈下电池冷却板，对于目前市场上电池冷却板的形式，我们自己总结了下，主要有三种结构：板式、管式、蛇形。

第一种板式结构应用范围比较广，从方型电池到软包电池再到圆柱形电池都可以用。其冷却类型也较为多样，可以做电池底部冷却，也可以做电芯到电芯之间的冷却。

第二种管式结构局限性比较大，用在方型电池底部冷却比较多一些。

第三种蛇形结构，这种大家应该比较熟悉，就是特斯拉圆柱形电池的液冷板。

基于不同类型的冷却板他们对应的加工工艺也是有区别的，板式结构的工艺方式是比较多样化的，有冲压连续炉带助焊剂钎焊，也有冲压连续炉无助焊剂钎焊，还有冲压真空焊以及挤压钎焊等，而我们德纳关注的主要是冲压连续炉无助焊剂钎焊。而管式和蛇形结构主要是挤压+钎焊的形式。

那么接下来我要讲的是三种钎焊工艺之间优缺点的对比：

首先是带焊料连续炉钎焊，这个工艺现在用的非常多，本身涂助焊剂的目的是防止铝材在钎焊过程中产生氧化（产生三氧化二铝），因为氧化层对钎焊的质量会产生非常大的挑战。不过涂钎焊剂也有一个危害是清洁度会受到影响，因为不能保证内腔中涂的钎焊剂能够100%的被清洗掉。

第二种是真空焊，顾名思义是在完全真空状态下做的钎焊，此工艺不用担心氧化层的出现，不过它的缺点是连续性不够强，可能放一批产品到真空炉后要五六个小时才能取出来，这样导致生产节奏会比较缓慢。

第三种是德纳的一个专利技术“无焊料连续钎焊”，我们通过在原材料上集成镀镍的涂层，在可以使用连续炉钎焊的条件下，不用涂钎焊剂，这样一方面最大限度保证清洁度，另一方面可以实现产品的连续化生产，保证生产节拍。

四、关于电池冷却板 德纳的技术解决方案

下面具体给大家具体分析下我们已经量产的相关技术解决方案：

第一个给大家分享的是通用沃兰达的软包电池的电芯间电池冷却板，这个产品我们从2010年开始给通用沃兰达批量供货，截止2017年底已经供应超过1590万片的冷板，这个冷板非常薄，总厚度1mm，上下表面集成了一个3500V的高压膜。

第二款是福特福克斯的EV，此款车在北美市场销售，我们的产品是在2012年左右实现量产，厚度1.2mm,集成了3500v的高压膜，设计本身抗挤压强度超过2bar。

接下来这个产品，是我们2017年底投产的电芯间电池冷却板，总厚度1.2mm，流道高度0.8mm，值得一提的是，我们采取了并联的流道设计可以将冷却液引流到温度高的区域，从而实现最佳的电池均温性。

还有一个是我们在2015年量产的底部冷却板，针对方型电池，终端客户是菲亚特，截止2017年底，已供应超过53000片。

同时针对于下一代电池冷板的设计开发我们也做了一些工作，像目前市场上主流的电池冷板它的流道形式都是U型，取决于电池包的空间，需要把进口和出口布置在同一侧，以便于更高效的管路设计。但是带来的缺点是，当冷却液从一端进入后会吸收电池热量，从另一端出来，这样在冷却液本身同一个截面之内会有一定温差，而这一温差会反应到电池模组底部，对电池模组底部在同一个截面而言的话温差还是很大的。

基于这种状态，德纳开发了一个新型的流道——对流流道，这也是我们的专利。我们通过对流道进行设计，将进口的冷却液和出口的冷却液充分打散，尽可能使同一个截面内的冷却液温度保持均衡，反应到电池模组底部的话，它的均温性、包括对于电池模组底部最高温度都有很大的帮助。这个好处是我们并不需要对冷板的尺寸做任何要求，在原来的U型流的情况下通过改变流道的方式，就可以优化电池最高温度及均温性。

而以下这张图片是对电池冷板的生产工艺做个简单的介绍，从原材料的冲压，到无焊料钎焊、激光焊接（主要是针对接管的激光焊接）、泄漏测试、终检，这些所有的工艺在德纳于2018年在盐城投资的新工厂都可以实现。

而今年，我们有一些项目和产品将在盐城工厂实现量产，其中两个是自主品牌一个合资品牌。