Audi e-tron电池导热Gap filler的开发
Gap filler位于模组与下箱体内表面之间,主要起导热和(模组与箱体之间)公差消除的作用。
Audi首先在e-tron上量产采用了这种热界面方案,Audi采用的Gap filler来自于BMWi research的一个项目技术联合开发,项目代号叫做OWES。
Gap filler并非什么新鲜的技术,在消费类电子产品领域是很常见的。但开发一款适合于汽车领域、大规模量产的Gap filler则有许多现实的问题需要解决:
(1)首选要有足够的导热率
目前的导热胶导热率大概在3 W/(m∙K)的水平,这相对于金属铝的导热率(约220W/W/(m∙K)的)低了两个数量级;所以,就需要对胶进行些改性设计,增加些利于导热的材料;
(2)不能增加太多重要
为了加大导热率,有可能会需要些金属成分,如果处理不得当,可能会让胶的重要过大,不利于电池包的轻量化;
(3)胶的流阻大,粘性高
这个不利于快节奏的自动化生产
(4)涂胶设备容易磨损
不仅增加成本,还有可能需要经常更换,降低生产效率。
(5)成本
有些胶的性能是比较好的,但成本太高,比如人工合成球形filler,但价格太高。
尤其是前面三个,导热率、质量密度和流动性,OWES希望能在这三都上取得一个更优的产品,它们三都之间的目标值如下。
第一种思路是加氧化铝,采用铝粉的方式话,体积填充度限制为60%,以保证良好的工艺性能,这样导热率可达到2 W/(m∙K)。OWES的研究表明,铝只能对渗透结构(percolating structures)保持一个高的导热率;
第二种思路是采用石墨,好处是能够获得较高的导热率(在体积填充度达30%时,就能够获得2 W/(m∙K)的导热率),并且石墨的质量较铝低(铝的密度为2.7g/cm³,石墨的为2.3g/cm³),不足之处在于粘度非常高,这让石墨的填充度限制为~6.5 %,导热率可达1.8 W/(m∙K)。
第三种思路是采用石墨-氧化铝混合添加剂,不同比例的混合特性如下,前面数字表示是体积比,后面数字表示质量比,如50_1,表示体积比为50%,质量比为1%。
目前,OWES在以铝氧化物为基础的材料上已经取得了不错的成果,将导热率提高到了5 W/(m∙K),并且没有影响到胶的工艺特性。
接下来主要是工艺和设备上的开发。在具体实施时,有几点要特别注意:
(1) 在对胶进行施压的过程中,不能出现局部力的集中,以免对电芯造成伤害;
(2) 胶最终应平满地填充在模组与下箱体之间,不能有气泡;
(3) 操作时间要能满足生产要求。
量产工艺主要在Audi进行的开发,为了节省时间和成本,大量采用了仿真的手段。总的来说有两种,一种是FSI (fluid structure simulation)和VOF(volume-of-fluidmethod)的方法。重点把控的因素是压力、形变和胶的高度,通过仿真与测试不断地调校,下图展示的是Audi的整个仿真思路。
Audi主要是采用了基于FSI的两种方法,首选在小的测试件上进行验证仿真,如下:
随后,在假模组结构件上再进行测试验证:
胶这个小材料,在之前的电池系统中应用的还不算多,现在的电池包中已经大量在使用了,所以它的性能和成本也就越发敏感,对于像Model3/Y的PACK设计,特斯拉有动力来自己进行胶的生产。
参考材料放在知识星球“知化汽车的百宝箱”上。
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