新能源汽車(chē)水冷板材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

熱設(shè)計(jì) 2023-08-07

來(lái)源：有色金屬材料與工程

張斌銀邦金屬?gòu)?fù)合材料股份有限公司

摘要：新能源汽車(chē)的電池冷卻系統(tǒng)主要包括電池、電池冷卻器和水冷板等重要部件，是新能源汽車(chē)熱管理系統(tǒng)的重要組成部件。新能源汽車(chē)水冷板部件在承重和耐腐蝕的環(huán)境和條件下使用，因此，需要開(kāi)發(fā)高強(qiáng)和高耐腐蝕的釬焊復(fù)合材料來(lái)滿足不同水冷板的設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求。從合金設(shè)計(jì)和材料開(kāi)發(fā)角度說(shuō)明幾種新的可以滿足新能源汽車(chē)的電池水冷板應(yīng)用需求的釬焊復(fù)合材料開(kāi)發(fā)成果。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē)；電池冷卻系統(tǒng)；復(fù)合材料；釬焊

0 前沿

新能源汽車(chē)是指采用非常規(guī)的車(chē)用燃料作為動(dòng)力來(lái)源（或使用常規(guī)的車(chē)用燃料，但采用新型車(chē)載動(dòng)力裝置），綜合車(chē)輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車(chē)。新能源汽車(chē)包括有：混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)、燃?xì)馄?chē)以及醇醚汽車(chē)等，其中混合電動(dòng)汽車(chē)一般由燃油和電池按需要提供動(dòng)力，而電池動(dòng)力汽車(chē)只有電池給電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，以驅(qū)動(dòng)汽車(chē)前行。

發(fā)展新能源汽車(chē)，各國(guó)紛紛推出國(guó)家發(fā)展計(jì)劃，比如我國(guó)到 2025 年，電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量將超過(guò)百萬(wàn)輛，2035 年，城市交通將基本擺脫化石燃料。

以電池為動(dòng)力的新能源汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一是電池冷卻降溫，該技術(shù)主要分為風(fēng)冷、液冷和直冷三種方式。其中，風(fēng)冷被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)大巴中，液冷在乘用車(chē)中較為普及，而直冷技術(shù)要求最高，是電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)的發(fā)展方向。

風(fēng)冷系統(tǒng)是以空氣為介質(zhì)進(jìn)行溫度傳遞，利用風(fēng)機(jī)將熱空氣吹至蒸發(fā)器處降溫，吹出冷空氣用于電池降溫，如此循環(huán)。風(fēng)冷系統(tǒng)中應(yīng)用到電動(dòng)壓縮機(jī)、膨脹閥、冷凝器、蒸發(fā)器和其他器件。

液冷模式即電池采用水冷方式換熱，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。一般會(huì)增加一個(gè)換熱器與制冷循環(huán)耦合起來(lái)，通過(guò)制冷劑將電池的熱量帶走。

直冷模式（制冷劑直接冷卻）：利用制冷劑（R134a 等）蒸發(fā)潛熱的原理，在整車(chē)或電池系統(tǒng)中建立空調(diào)系統(tǒng)，將空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器安裝在電池系統(tǒng)中，制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，并快速高效地將電池系統(tǒng)的熱量帶走，從而完成對(duì)電池系統(tǒng)冷卻的作業(yè)。

1 新能源用水冷板材料開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

1.1 釬焊水冷板的材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用

常用電池用釬焊水冷結(jié)構(gòu)主要有兩種：水冷板結(jié)構(gòu)和直冷板結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。通常鋁質(zhì)釬焊板產(chǎn)品是采用上下兩塊 O 態(tài)鋁板料釬焊而成，其中一塊板料沖壓流道結(jié)構(gòu)，以方便冷卻電池的防凍液流通，從而給電池進(jìn)行持續(xù)降溫。

對(duì)于這兩種結(jié)構(gòu)零件的水冷板材料，通常主要考慮材料強(qiáng)度和產(chǎn)品的耐腐蝕能力。高強(qiáng)度的復(fù)合材料結(jié)合水冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以達(dá)到減薄和降低成本的目的，所以不斷地開(kāi)發(fā)新材料也是水冷板發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

1.2 材料成分設(shè)計(jì)中合金元素作用

表 1 為鋁合金中常見(jiàn)的主要元素，以及每個(gè)元素的主要作用。在進(jìn)行釬焊鋁合金設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足主要特性前提下需要進(jìn)行合理的合金成分設(shè)計(jì)。

1.3 材料的工藝設(shè)計(jì)

水冷板工藝主要為原材料沖壓—清洗—涂釬劑—鉚接—釬焊—檢測(cè)—封膠等主要過(guò)程。所以，為了保證水冷板沖壓拉伸要求，通常從工藝角度保證材料有良好的拉伸能力。圖 3 分別為熱處理前、后的鋁合金鑄錠微觀形貌。為了保證釬焊水冷板原材料的良好拉伸能力，通常需要對(duì)鋁合金鑄錠進(jìn)行熱處理，保證成品的晶粒尺寸均勻和滿足高拉伸需求。

2 滿足水冷板的新材料開(kāi)發(fā)

2.1 三種不同芯材合金設(shè)計(jì)

主要對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的 3003 鋁合金和三種新開(kāi)發(fā)材料 A、B 和 C 三種芯材的成分設(shè)計(jì)。從表 2 中可以看出，A 和 B 為 3003 鋁合金改進(jìn)型材料，相比3003 鋁合金而言，含有更高的 Cu 和 Mn 元素；而 C 芯材中除了更高含量的 Cu、Mn 元素外，還含有較高含量的 Si 元素。

2.2 不同材料模擬釬焊后性能

表 3 為不同芯材合金性能對(duì)比，A、B 和 C 芯材相比較標(biāo)準(zhǔn) 3003 鋁合金水冷板而言，強(qiáng)度都有30% 以上的提高。而 C 芯材達(dá)到更高的強(qiáng)度級(jí)別，可以滿足減薄、降低成本的效果。

2.3 不同材料釬焊后電勢(shì)

圖 4 為主要的合金元素對(duì)鋁合金電勢(shì)的影響。隨著 Mn、Cu 等含量的增加，合金的電勢(shì)明顯升高；而隨著 Zn 含量的增加，合金的電勢(shì)明顯降低，然后再逐漸達(dá)到平穩(wěn)。而 Si 和 Mg 對(duì)合金電勢(shì)的影響相對(duì)較小。本文中，不同合金釬焊模擬后的腐蝕電勢(shì)如表 4 所示。

2.4 不同鋁合金復(fù)合材料的腐蝕形貌

圖 5 為 1 mm 厚的不同材料模擬海水腐蝕試驗(yàn)30 d 后的形貌圖。從圖 5 中可以看出，普通 3003/4343 鋁合金復(fù)合材料的腐蝕深度最深，為 0.83 mm（見(jiàn)圖 5a）。而新設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度材料 A/4343 鋁合金復(fù)合材料和 B/4343 鋁合金復(fù)合材料經(jīng)過(guò) 30 d 的模擬海水腐蝕試驗(yàn)后，腐蝕深度為 0.30～0.35 mm（分別見(jiàn)圖 5b 和圖 5c）。C/4343 鋁合金復(fù)合材料為更高強(qiáng)度的材料，其腐蝕深度為 0.57 mm（見(jiàn)圖 5），也明顯好于普通標(biāo)準(zhǔn)材料 3003/4343 鋁合金復(fù)合材料。最好的材料腐蝕效果是在材料表面增加中間層后，經(jīng)過(guò) 30 d 模擬海水腐蝕試驗(yàn)后，可以明顯地看出腐蝕的最大深度依然在犧牲層，還沒(méi)有到達(dá)芯材 (見(jiàn)圖 5e)。

3 討論

3.1 材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)腐蝕的影響

從材料腐蝕試驗(yàn)結(jié)果可以看出，普通 3003 鋁合金容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕。如果在材料表面增加一層犧牲層后，材料腐蝕機(jī)制會(huì)發(fā)生改變，即：從點(diǎn)腐蝕變?yōu)閷訝罡g（見(jiàn)圖 6），從而可大大提高材料的耐腐蝕能力。

根據(jù)上述思路，通過(guò)復(fù)合耐腐蝕性能優(yōu)良、含 Zn 低電位的犧牲層材料，與芯材層形成 30～100 mV電勢(shì)差，會(huì)優(yōu)先沿著犧牲層發(fā)生層狀腐蝕，從而提高芯材壽命。

3.2 材料電勢(shì)差設(shè)計(jì)

材料設(shè)計(jì)達(dá)到表面電勢(shì)和芯材電勢(shì)差，從而產(chǎn)生布朗帶，提高腐蝕能力。通過(guò)合金化和復(fù)合結(jié)構(gòu)匹配的復(fù)合材料，其釬焊層與芯材層會(huì)形成一層30～50 μm 的高密度沉淀區(qū)，如圖 7 所示。其電勢(shì)比芯材的低約 50 mV，會(huì)優(yōu)先沿著高密度沉淀區(qū)發(fā)生層狀腐蝕，從而延長(zhǎng)芯材壽命。這也可以說(shuō)明為何 A/B 鋁合金復(fù)合材料腐蝕能力優(yōu)于 C 的，更明顯優(yōu)于 3003 鋁合金的，就是因?yàn)?nbsp;A/B 鋁合金復(fù)合材料通過(guò)優(yōu)化成分設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生布朗帶的效果。