2018年，在整個(gè)車(chē)市下行的環(huán)境下，新能源汽車(chē)的市場(chǎng)表現(xiàn)成為寒冬中的一抹亮色。中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2018年，我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量同比大漲61．7％至125．6萬(wàn)輛，超額完成此前規(guī)劃的100萬(wàn)輛銷(xiāo)量目標(biāo)。而未來(lái)幾年，新能源汽車(chē)市場(chǎng)有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，這對(duì)相關(guān)技術(shù)及部件的發(fā)展帶來(lái)新的空間與挑戰(zhàn)，如熱管理系統(tǒng)。

傳統(tǒng)汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)主要集中于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器的散熱系統(tǒng)和汽車(chē)空調(diào)，而新能源車(chē)的熱管理系統(tǒng)涵蓋了新能源汽車(chē)幾乎所有的組成部分，相對(duì)而言，后者對(duì)于綜合熱管理有更高的需求，例如怎樣使被冷卻部件維持在最佳工作范圍內(nèi)，如何使芯片支持最大的功率輸出等，這些對(duì)熱管理工作均提出較大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)此，近日，蓋世汽車(chē)微課堂特邀請(qǐng)德納（無(wú)錫）技術(shù)有限公司先期技術(shù)銷(xiāo)售及工程經(jīng)理曹岳，以“電動(dòng)汽車(chē)電池及IGBT芯片熱管理”為主題，與行業(yè)朋友進(jìn)行了分享與交流，以下為現(xiàn)場(chǎng)演講實(shí)錄，供參閱！

一、電池為何會(huì)發(fā)熱

關(guān)于新能源汽車(chē)熱管理產(chǎn)品種類(lèi)比較多，今天我們集中會(huì)講到電池?zé)峁芾砗虸GBT雙面散熱器。首先從電池?zé)峁芾碇v起，大家可能會(huì)比較好奇的問(wèn)題是電池為何會(huì)發(fā)熱？簡(jiǎn)單來(lái)講，電池本身被視作一個(gè)大的電阻，當(dāng)有電流通過(guò)的時(shí)候就會(huì)發(fā)熱。

當(dāng)我們了解到電池為什么會(huì)發(fā)熱后，那么真實(shí)反映到電動(dòng)汽車(chē)行駛工況下發(fā)熱量究竟該怎么計(jì)算？我們做了一些案例分析，請(qǐng)見(jiàn)以下圖片，第一個(gè)是基于UDDS的行駛工況，這是美國(guó)城市道路的一個(gè)行駛工況，同時(shí)也有US06的（US06是在UDDS的基礎(chǔ)上，加上了其他道路的行駛工況），在這兩種工況下，電流的輸入和輸出情況如何？同時(shí)，電流的輸入和輸出對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的熱負(fù)載是什么情況？在這個(gè)圖片中均可以得到很好的解釋。

二、為什么需要電池?zé)峁芾恚?br/>
我們知道了電池因?yàn)殡娏靼l(fā)熱，也知道電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中會(huì)有電流的輸入和輸出，那么接下來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是為什么我們需要電池?zé)峁芾砟兀?br/>
其實(shí)，電池本身跟人是比較類(lèi)似的，它要求環(huán)境溫度不能太高也不能太低，如果溫度太高，離子活性比較強(qiáng)，壽命會(huì)受到影響；而溫度比較低的話，充電放電效率會(huì)大幅降低，因此我們需要將電池保持在一個(gè)比較合適的工作溫度范圍內(nèi)。

目前我們做的開(kāi)發(fā)，大部分客戶(hù)要求的電池工作最佳溫度區(qū)間是25°～40°，對(duì)于整個(gè)電池包內(nèi)電池均溫性要求的話，在同一個(gè)平面內(nèi)，電池的均溫性要小于5°。

那么，如果電池?zé)崃繘](méi)有被及時(shí)帶走的話，將會(huì)帶來(lái)什么樣的后果呢？

我們通過(guò)一個(gè)案例來(lái)分析，這個(gè)分析是基于US06的行駛工況來(lái)的，在電池的環(huán)境溫度處于20°、35°、50°情況下做個(gè)對(duì)比，在行駛100000英里的情況下，當(dāng)電池環(huán)境溫度是50°的話，電池的衰減是非常厲害的，已經(jīng)超過(guò)40％，而當(dāng)電池環(huán)境溫度在20°左右的情況下，它的衰減則不到20％。所以通過(guò)這個(gè)案例，我們可以直觀感受到電池為何要降溫。對(duì)于現(xiàn)有市場(chǎng)需求的話，如快充或者對(duì)于高性能電機(jī)輸出需求，這都需要大電流的輸出。另外對(duì)于PHEV而言，因?yàn)殡姵厝萘啃。某浞烹姳堵时葌鹘y(tǒng)BEV要高很多……，基于以上因素，提高電池?zé)峁芾碛斜容^大的市場(chǎng)需求。

三、電池冷卻板類(lèi)型

了解完電池?zé)峁芾恚旅嫖覀儊?lái)談下電池冷卻板，對(duì)于目前市場(chǎng)上電池冷卻板的形式，我們自己總結(jié)了下，主要有三種結(jié)構(gòu)：板式、管式、蛇形。

第一種板式結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍比較廣，從方型電池到軟包電池再到圓柱形電池都可以用。其冷卻類(lèi)型也較為多樣，可以做電池底部冷卻，也可以做電芯到電芯之間的冷卻。

第二種管式結(jié)構(gòu)局限性比較大，用在方型電池底部冷卻比較多一些。

第三種蛇形結(jié)構(gòu)，這種大家應(yīng)該比較熟悉，就是特斯拉圓柱形電池的液冷板。

基于不同類(lèi)型的冷卻板他們對(duì)應(yīng)的加工工藝也是有區(qū)別的，板式結(jié)構(gòu)的工藝方式是比較多樣化的，有沖壓連續(xù)爐帶助焊劑釬焊，也有沖壓連續(xù)爐無(wú)助焊劑釬焊，還有沖壓真空焊以及擠壓釬焊等，而我們德納關(guān)注的主要是沖壓連續(xù)爐無(wú)助焊劑釬焊。而管式和蛇形結(jié)構(gòu)主要是擠壓＋釬焊的形式。

那么接下來(lái)我要講的是三種釬焊工藝之間優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比：

首先是帶焊料連續(xù)爐釬焊，這個(gè)工藝現(xiàn)在用的非常多，本身涂助焊劑的目的是防止鋁材在釬焊過(guò)程中產(chǎn)生氧化（產(chǎn)生三氧化二鋁），因?yàn)檠趸瘜訉?duì)釬焊的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生非常大的挑戰(zhàn)。不過(guò)涂釬焊劑也有一個(gè)危害是清潔度會(huì)受到影響，因?yàn)椴荒鼙ＷC內(nèi)腔中涂的釬焊劑能夠100％的被清洗掉。

第二種是真空焊，顧名思義是在完全真空狀態(tài)下做的釬焊，此工藝不用擔(dān)心氧化層的出現(xiàn)，不過(guò)它的缺點(diǎn)是連續(xù)性不夠強(qiáng)，可能放一批產(chǎn)品到真空爐后要五六個(gè)小時(shí)才能取出來(lái)，這樣導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)奏會(huì)比較緩慢。

第三種是德納的一個(gè)專(zhuān)利技術(shù)“無(wú)焊料連續(xù)釬焊”，我們通過(guò)在原材料上集成鍍鎳的涂層，在可以使用連續(xù)爐釬焊的條件下，不用涂釬焊劑，這樣一方面最大限度保證清潔度，另一方面可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的連續(xù)化生產(chǎn)，保證生產(chǎn)節(jié)拍。

四、關(guān)于電池冷卻板德納的技術(shù)解決方案

下面具體給大家具體分析下我們已經(jīng)量產(chǎn)的相關(guān)技術(shù)解決方案：

第一個(gè)給大家分享的是通用沃蘭達(dá)的軟包電池的電芯間電池冷卻板，這個(gè)產(chǎn)品我們從2010年開(kāi)始給通用沃蘭達(dá)批量供貨，截止2017年底已經(jīng)供應(yīng)超過(guò)1590萬(wàn)片的冷板，這個(gè)冷板非常薄，總厚度1mm，上下表面集成了一個(gè)3500V的高壓膜。

第二款是福特福克斯的EV，此款車(chē)在北美市場(chǎng)銷(xiāo)售，我們的產(chǎn)品是在2012年左右實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，厚度1．2mm，集成了3500v的高壓膜，設(shè)計(jì)本身抗擠壓強(qiáng)度超過(guò)2bar。

接下來(lái)這個(gè)產(chǎn)品，是我們2017年底投產(chǎn)的電芯間電池冷卻板，總厚度1．2mm，流道高度0．8mm，值得一提的是，我們采取了并聯(lián)的流道設(shè)計(jì)可以將冷卻液引流到溫度高的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)最佳的電池均溫性。

還有一個(gè)是我們?cè)?015年量產(chǎn)的底部冷卻板，針對(duì)方型電池，終端客戶(hù)是菲亞特，截止2017年底，已供應(yīng)超過(guò)53000片。

同時(shí)針對(duì)于下一代電池冷板的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)我們也做了一些工作，像目前市場(chǎng)上主流的電池冷板它的流道形式都是U型，取決于電池包的空間，需要把進(jìn)口和出口布置在同一側(cè)，以便于更高效的管路設(shè)計(jì)。但是帶來(lái)的缺點(diǎn)是，當(dāng)冷卻液從一端進(jìn)入后會(huì)吸收電池?zé)崃浚瑥牧硪欢顺鰜?lái)，這樣在冷卻液本身同一個(gè)截面之內(nèi)會(huì)有一定溫差，而這一溫差會(huì)反應(yīng)到電池模組底部，對(duì)電池模組底部在同一個(gè)截面而言的話溫差還是很大的。

基于這種狀態(tài)，德納開(kāi)發(fā)了一個(gè)新型的流道——對(duì)流流道，這也是我們的專(zhuān)利。我們通過(guò)對(duì)流道進(jìn)行設(shè)計(jì)，將進(jìn)口的冷卻液和出口的冷卻液充分打散，盡可能使同一個(gè)截面內(nèi)的冷卻液溫度保持均衡，反應(yīng)到電池模組底部的話，它的均溫性、包括對(duì)于電池模組底部最高溫度都有很大的幫助。這個(gè)好處是我們并不需要對(duì)冷板的尺寸做任何要求，在原來(lái)的U型流的情況下通過(guò)改變流道的方式，就可以?xún)?yōu)化電池最高溫度及均溫性。

而今年，我們有一些項(xiàng)目和產(chǎn)品將在鹽城工廠實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，其中兩個(gè)是自主品牌一個(gè)合資品牌。

五、什么是IGBT？

我們本身不是做IGBT芯片的，但為了更好的講解IGBT散熱，在這里還是先介紹下什么是IGBT芯片。

其實(shí)本質(zhì)上來(lái)講，IGBT是一個(gè)控制電流通斷的開(kāi)關(guān)，通過(guò)軟件來(lái)控制電壓的通斷。比如在逆變器里面將DC轉(zhuǎn)成AC的話通過(guò)PWM控制電壓的通斷，使輸入的直流電變成類(lèi)似于正弦波的交流電輸出，然后交流電去支持三相交流電機(jī)的一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)。

但是現(xiàn)在目前技術(shù)應(yīng)用，包括電機(jī)對(duì)高功率輸入要求，對(duì)電壓需求的開(kāi)關(guān)頻次越來(lái)越高，同時(shí)需要支持的電壓值越來(lái)越高，然為滿足整車(chē)的緊湊化設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)的芯片尺寸缺越來(lái)越小，因此對(duì)應(yīng)的熱接觸面積也是越來(lái)越少，這對(duì)于熱管理是很大的挑戰(zhàn)。

六、IGBT功率器件的熱管理演變

接下來(lái)我們對(duì)功率器件的熱管理演變做下闡述。

第一代和第二代功率器件熱管理都是基于單面散熱為主，主要的技術(shù)從工業(yè)延伸到汽車(chē)行業(yè)。第一代有散熱片，第二代取消散熱片后，用導(dǎo)熱墊或其他材料替代。流道結(jié)構(gòu)主要是以Pin－fin結(jié)構(gòu)為主。同時(shí)，有些廠家也在做雙面散熱，包括我們接觸的很多客戶(hù)基于未來(lái)3－5年的新車(chē)型，大部分會(huì)考慮雙面散熱這個(gè)技術(shù)。

相對(duì)于單面散熱，雙面散熱究竟有什么好處呢？下面這張圖片我們從熱阻和最高溫度兩個(gè)方面的對(duì)比可以直觀感受到。

在總的流量相同的前提下，雙面散熱器的芯片節(jié)點(diǎn)到冷卻液的整個(gè)傳遞路徑過(guò)程中的熱阻要比單面散熱器低32％－33％左右。而在基于分配到每個(gè)單片的散熱器流量相等的前提下，雙面散熱器芯片節(jié)點(diǎn)到冷卻液的熱阻要比單面散熱器低39％左右。

此外，在同樣熱負(fù)載的情況下，雙面散熱器芯片的節(jié)點(diǎn)溫度175°，而對(duì)應(yīng)的單面散熱器是220°，可能他們用的時(shí)間差不多，但最終達(dá)到的溫度值明顯不一樣的，雙面散熱器要比單面低很多。

此外，雙面散熱器從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)講，靈活性還是比較大的，兩個(gè)不同散熱器可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)，取決于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。此外，流量分配的靈活性也是比較大的，最終我們要確保分配到單個(gè)散熱器的流量盡可能均衡。同時(shí)可在散熱器內(nèi)部集成高性能的翅片，去降低對(duì)流換熱的熱阻，另外我們也有可變高度的密封圈，靈活調(diào)整密封壓力，降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)。在不需要二次加工的前提下，散熱器本身和芯片接觸區(qū)域的平面度可以達(dá)到50微米。

以下是我們量產(chǎn)案例的介紹，雙面散熱器我們2016年就在北美市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，供給車(chē)型是寶馬i3和沃爾沃的XC90。同時(shí)德納無(wú)錫也會(huì)在2019年中旬給國(guó)內(nèi)車(chē)型實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，終端客戶(hù)4－5家左右。

針對(duì)于后續(xù)，我們也在做一些多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。同時(shí)在某些應(yīng)用場(chǎng)景，我們的鋁材可以升級(jí)為銅，因?yàn)殂~的傳熱效率是鋁的3倍左右，銅散熱器我們也會(huì)在2020年于德納無(wú)錫實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。