摘要：

新能源汽車的電池冷卻系統(tǒng)主要包括電池、電池冷卻器和水冷板等重要部件，是新能源汽車熱管理系統(tǒng)的重要組成部件。新能源汽車水冷板部件在承重和耐腐蝕的環(huán)境和條件下使用，因此，需要開發(fā)高強(qiáng)和高耐腐蝕的釬焊復(fù)合材料來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)和材料開發(fā)角度說明幾種新的可以滿足新能源汽車的電池水冷板應(yīng)用需求的釬焊復(fù)合材料開發(fā)成果。

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

新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力來源（或使用常規(guī)的車用燃料，但采用新型車載動(dòng)力裝置），綜合車輛的動(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。新能源汽車包括有：混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車、燃?xì)馄囈约按济哑嚨?，其中混合電?dòng)汽車一般由燃油和電池按需要提供動(dòng)力，而電池動(dòng)力汽車只有電池給電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，以驅(qū)動(dòng)汽車前行。

發(fā)展新能源汽車，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)汽車數(shù)量將超過百萬輛， 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，液冷在乘用車中較為普及，而直冷技術(shù)要求最高，是電動(dòng)汽車未來的發(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，通過制冷劑將電池的熱量帶走。

圖1 電池冷卻單元結(jié)構(gòu)示意圖

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。

圖2 電池冷卻單元的主要部件

表1 鋁合金中不同合金元素的添加量和主要作用

圖3  鋁合金鑄造態(tài)和熱處理后的組織

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；

表2  不同芯材合金的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表3  不同芯材合金的性能

圖4  合金元素對(duì)電勢(shì)的影響

表4  不同合金模擬釬焊后的腐蝕電勢(shì)

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 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 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，還沒有到達(dá)芯材  (見圖5e)。

圖5  1mm 厚的不同材料30 d模擬海水腐蝕試驗(yàn)后的形貌圖

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。

圖6  增加犧牲層后腐蝕形貌的變化

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)?A/B鋁合金復(fù)合材料通過優(yōu)化成分設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生布朗帶的效果。

圖7  不同合金設(shè)計(jì)產(chǎn)生的不同電勢(shì)帶

4  結(jié)論

（1）水冷板是新能源汽車必備的電池冷卻管理的重要換熱器，可以通過不同合金設(shè)計(jì)達(dá)到提高強(qiáng)度的同時(shí)，提高耐腐蝕能力。

（2）可以通過添加犧牲層，或者通過設(shè)計(jì)產(chǎn)生不同電位帶的組織結(jié)構(gòu)，達(dá)到提升耐腐蝕的能力。

作者：張斌

來源：有色金屬材料與工程

本文標(biāo)題：新能源汽車水冷板材料的開發(fā)與應(yīng)用

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