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，因為這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)計合適的熱管理系統(tǒng)。

　　如果電池工作溫度過高，可能會導致電池容量的損失，在極端情況下會導致熱失控。如果電池工作溫度過低，可能會導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) 。鍍鋰層會導致電芯的加速老化和失效。

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

　　目前使用的電池熱管理系統(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。

　　各種冷卻系統(tǒng)說明

　　氣冷系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，因為它們設(shè)計簡單、成本低廉且無泄漏問題。氣冷分為采用強制對流的主動式和采用自然對流的被動式。與液體等介質(zhì)相比，空氣的熱容量小 (標準溫度下Cp = 1.006 kJ/kgK) 且熱導率低，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汽車的首選技術(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率。由于溫度控制均衡，間接液冷是目前電池熱管理中最常用的解決方案之一。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。與氣冷相比，間接液冷的缺點在于系統(tǒng)的復雜性。更多的部件以及通道/管路可能會導致更多的故障、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。這是一種不導電的液體，具有很高的抗電擊穿能力。這項技術(shù)的引入意味著電池工藝和部件設(shè)計的復雜性可以大大降低，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。電動汽車電池的浸液式冷卻目前仍處于初級階段，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)、達喀爾拉力賽汽車奧迪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。同時人們越來越關(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)滿足以下幾個要求：

　　1、電氣絕緣性好

　　2、高比熱容和高熱導率

　　3、不易燃和/或閃點高

　　4、易于生產(chǎn)，可大量供應(yīng)

　　5、有合適的工作溫度范圍

　　6、液體的保質(zhì)期長

　　在選擇合適的浸液式冷卻液時，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，我們相信通過合理使用正確的材料和復合材料可以改進純電動汽車的熱管理系統(tǒng)。隨著移動出行行業(yè)朝著電氣化方向穩(wěn)步發(fā)展，現(xiàn)在的重點在于支持冷卻液制造商、各級供應(yīng)商和OEM在熱管理系統(tǒng)方面不斷升級;在這方面，德特威勒的材料專業(yè)知識得到了高水平的應(yīng)用。化學相容性是直接浸液式冷卻方式的關(guān)鍵，因為所用的冷卻液不同，可能會導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，都必須進行試驗。就電動汽車行業(yè)而言，全氟聚醚 (PFPE) 似乎處于冷卻液應(yīng)用的前沿，因為它們具有不易燃和低粘度的特點。但是，無論在電動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。

　　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，整個區(qū)域必須用專門的密封彈性體部件進行密封，而該彈性體的選擇必須正確，最好在車輛的整個使用生命周期內(nèi)均具有一定水平的耐化學性和耐侯性。

　　在德特威勒，我們正在對與不同材料接觸的各種類型的冷卻液進行實驗和精確分析;通過這些測試，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重要參數(shù)是熱老化。材料在高溫 (高達100°C) 下進行長時間測試 (長達1000小時) 。從針對PFPE、硅油和種子油的第一組測試來看，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IC-DAT代碼代表不同的彈性體系列，因此該研究對比了不同聚合物系列在所選液體中的表現(xiàn)。

　　按照這一嚴格的測試過程，對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間變化的化學穩(wěn)定性指標。此外，我們還對熱穩(wěn)定性、抗拉性能的變化、壓縮永久變形和泄漏情況進行了檢查和了解。

圖2：標準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) 后的化學穩(wěn)定性結(jié)果

　　在圖2所示的第二組測試中，我們重點關(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，還為推進系提供潤滑效果。

　　標準橡膠配方在這些液體中浸泡后的體積變化表明，大多數(shù)被測橡膠配方都有明顯的變化。可以看出，在所有的被測材料中，只有代碼為IC-DAT41的配方才是合適的候選配方。

圖3：標準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穩(wěn)定性結(jié)果

　　據(jù)推測，密封材料的極性會影響到密封件的化學穩(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行測試，最終選出了哪種配方才是最適合所測特定冷卻液的最佳密封材料。