新能源汽車水冷板材料的開發(fā)與應(yīng)用

熱設(shè)計 2023-08-07

來源：有色金屬材料與工程

張斌銀邦金屬復(fù)合材料股份有限公司

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)計和應(yīng)用要求。從合金設(shè)計和材料開發(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

0 前沿

新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料，但采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。新能源汽車包括有：混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車、氫發(fā)動機汽車、燃氣汽車以及醇醚汽車等，其中混合電動汽車一般由燃油和電池按需要提供動力，而電池動力汽車只有電池給電動機提供動力，以驅(qū)動汽車前行。

發(fā)展新能源汽車，各國紛紛推出國家發(fā)展計劃，比如我國到 2025 年，電動汽車數(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)進行溫度傳遞，利用風(fēng)機將熱空氣吹至蒸發(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)用到電動壓縮機、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。一般會增加一個換熱器與制冷循環(huán)耦合起來，通過制冷劑將電池的熱量帶走。

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

1.1 釬焊水冷板的材料設(shè)計與應(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，從而給電池進行持續(xù)降溫。

對于這兩種結(jié)構(gòu)零件的水冷板材料，通常主要考慮材料強度和產(chǎn)品的耐腐蝕能力。高強度的復(fù)合材料結(jié)合水冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計可以達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，以及每個元素的主要作用。在進行釬焊鋁合金設(shè)計時，在滿足主要特性前提下需要進行合理的合金成分設(shè)計。

1.3 材料的工藝設(shè)計

水冷板工藝主要為原材料沖壓—清洗—涂釬劑—鉚接—釬焊—檢測—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，通常需要對鋁合金鑄錠進行熱處理，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

主要對比標準的 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。從表 2 中可以看出，A 和 B 為 3003 鋁合金改進型材料，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比，A、B 和 C 芯材相比較標準 3003 鋁合金水冷板而言，強度都有30% 以上的提高。而 C 芯材達到更高的強度級別，可以滿足減薄、降低成本的效果。

2.3 不同材料釬焊后電勢

圖 4 為主要的合金元素對鋁合金電勢的影響。隨著 Mn、Cu 等含量的增加，合金的電勢明顯升高；而隨著 Zn 含量的增加，合金的電勢明顯降低，然后再逐漸達到平穩(wěn)。而 Si 和 Mg 對合金電勢的影響相對較小。本文中，不同合金釬焊模擬后的腐蝕電勢如表 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)計的高強度材料 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)合材料為更高強度的材料，其腐蝕深度為 0.57 mm（見圖 5），也明顯好于普通標準材料 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，還沒有到達芯材 (見圖 5e)。

3 討論

3.1 材料結(jié)構(gòu)設(shè)計對腐蝕的影響

從材料腐蝕試驗結(jié)果可以看出，普通 3003 鋁合金容易發(fā)生點腐蝕。如果在材料表面增加一層犧牲層后，材料腐蝕機制會發(fā)生改變，即：從點腐蝕變?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電勢差，會優(yōu)先沿著犧牲層發(fā)生層狀腐蝕，從而提高芯材壽命。

3.2 材料電勢差設(shè)計

材料設(shè)計達到表面電勢和芯材電勢差，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形成一層30～50 μm 的高密度沉淀區(qū)，如圖 7 所示。其電勢比芯材的低約 50 mV，會優(yōu)先沿著高密度沉淀區(qū)發(fā)生層狀腐蝕，從而延長芯材壽命。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，就是因為 A/B 鋁合金復(fù)合材料通過優(yōu)化成分設(shè)計可以產(chǎn)生布朗帶的效果。