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22.Aug.2022
熱傳導-TC 淺談EV電動車熱管理測試方案
帶您了解EV電動車熱管理測試方案
以電為驅動力的電動車有著高電壓、高功率、高溫等特性，功率器件必須適應運行環境，幫助電動汽車更高效、更節能地完成能量的傳遞和輸出。針對電動車的熱管理便是重要的課題，目前的電動車熱管理方案大致分成四種：氣冷、液冷、直冷、相變化材料冷卻。本篇我們將探討Tesla車系所使用的液體冷卻(liquid cooling)熱管理方案。
液冷是透過冷卻液間接與電池作熱交換，將電池產生的熱量帶走來降低電池溫度。選擇的液體目前主流為乙二醇，具有熱傳導係數大、比熱大，對降低最高溫度、提升電池包均溫性效果顯著等特點。同時，熱管理系統的體積也相對較小。液冷系統形式較為靈活：可將電池單體或模塊沉浸在液體中，也可在電池模塊間設置冷卻通道，或在電池底部採用水冷板。電池與液體直接接觸時，液體必須確保絕緣(如礦物油)避免短路。同時，液冷系統對於氣密性、機械強度、耐振動性以及壽命要求也是非常高的。液冷是目前許多電動車的優先選擇，典型產品如BMW i3、Tesla車系。
我們以Tesla Model S電池板結構為例， Tesla電池板是由16個電池組串聯在電池底板上，每組電池組由444節鋰電池，每74節並聯形成。因此特斯拉Model S電池組板由7104節18650鋰電池組成。這款電池板的最大特點就是電池和冷卻系統結合在一起的。由於電池在蓄能和放電的過程中，電解等化學作用會釋放大量的熱，這是電池產品的通病，所以冷卻系統顯得非常重要。如下圖所示，特斯拉的冷卻管道就密密麻麻的分布在這些電池組當中，通過冷卻液的循環帶走這些多餘的熱量。同樣國內很多電動汽車品牌也使用同樣思維帶走電池所產生的熱量。
液冷是透過冷卻液間接與電池作熱交換，將電池產生的熱量帶走來降低電池溫度。選擇的液體目前主流為乙二醇，具有熱傳導係數大、比熱大，對降低最高溫度、提升電池包均溫性效果顯著等特點。同時，熱管理系統的體積也相對較小。液冷系統形式較為靈活：可將電池單體或模塊沉浸在液體中，也可在電池模塊間設置冷卻通道，或在電池底部採用水冷板。電池與液體直接接觸時，液體必須確保絕緣(如礦物油)避免短路。同時，液冷系統對於氣密性、機械強度、耐振動性以及壽命要求也是非常高的。液冷是目前許多電動車的優先選擇，典型產品如BMW i3、Tesla車系。
我們以Tesla Model S電池板結構為例， Tesla電池板是由16個電池組串聯在電池底板上，每組電池組由444節鋰電池，每74節並聯形成。因此特斯拉Model S電池組板由7104節18650鋰電池組成。這款電池板的最大特點就是電池和冷卻系統結合在一起的。由於電池在蓄能和放電的過程中，電解等化學作用會釋放大量的熱，這是電池產品的通病，所以冷卻系統顯得非常重要。如下圖所示，特斯拉的冷卻管道就密密麻麻的分布在這些電池組當中，通過冷卻液的循環帶走這些多餘的熱量。同樣國內很多電動汽車品牌也使用同樣思維帶走電池所產生的熱量。
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考量傳熱冷卻路徑的材質並選擇兼容的傳熱流體，將有效降低腐蝕風險並優化熱性能。銅和鋁一般為冷卻管常見使用的材質。使用Hot Disk高熱傳片狀測試模組(Slab)量測銅合金與鋁合金之導熱率。。
| Parameters: Sensor: C 5501(radius 6.403mm) Temp.: Room Temperature Power: 0.8W Time: 1sec |
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Parameters: Sensor: C 5501(radius 6.403mm) Temp.: Room Temperature Power: 2.5W Time: 1sec |
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| Sample | Mean Thermal Conductivity(W/mK) | Mean Specific Heat(MJ/m3K) |
| Copper 2mm | 382.2 | 3.505 |
| Copper 4mm | 382.1 | 3.515 |
| Aluminum 2mm | 172.5 | 2.714 |
| Aluminum 4mm | 174.6 | 2.594 |
| Brass 4mm | 109.9 | 3.356 |
▲Hot Disk分別量測五種薄型金屬片的平均熱傳導係數與比熱容
探討完傳熱冷卻路徑的材質後，接著我們要討論冷卻系統液體，當今液體冷卻系統中最常用的冷卻劑分別是水(Water)、去離子水(Deionized Water)、乙二醇(Glycol)和介電流體 (Dieletronic Fluids)。透過選擇兼容的傳熱流體和路徑材料配對，可以有效的降低腐蝕風險並優化熱性能。舉例來說，銅與水和乙二醇/水溶液相容，鋁與乙二醇/水溶液、介電流體和油相容。但是，當使用去離子水或其他腐蝕性流體時，通常建議使用不銹鋼，因為它比其他金屬更耐腐蝕。（參見下表）大多數冷卻系統與水或乙二醇/水溶液兼容，但需要特殊的管道才能與去離子水或介電流體。
| Materials & Fluid Compatibility | Water | Glycol | Deionized Water | Dieletronic Fluids(Fluorinert, PAO) |
| Copper | ✓ | ✓ | ✓ | |
| Aluminum | ✓ | ✓ | ||
| Stainless Steel | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
這邊也統整了四種冷卻液體各自的優劣特性：
- Water 水：0.6W/mK，高熱容和高熱傳特性，需考量氯、鈣、鎂離子。
- Deionized Water 去離子水：添加抗腐蝕劑(磷酸鹽)，高電阻率(電氣元件)，與空氣接觸具腐蝕性。
- Glycol EGW 乙二醇+水：具高沸點、低凝固點、低黏度，高比熱和熱導率。具抗凍效果。
- Dieletronic Fluids 介電流體：不導電且腐蝕性低，儘管介電流體為電子產品提供低風險的液體冷卻，但它們的熱導率通常比水和大多數水溶液來得低。
選擇正確的流體路徑材質同時兼容適當的傳熱流體是必要，不論是高導熱的傳熱路徑亦或是低導熱傳熱流體之熱傳導測試，科邁斯皆能提供一系列的熱管理方案。
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