新能源汽車水冷板材料的開發與應用

熱設計 2023-08-07

來源：有色金屬材料與工程

張斌銀邦金屬復合材料股份有限公司

摘要：新能源汽車的電池冷卻系統主要包括電池、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境和條件下使用，因此，需要開發高強和高耐腐蝕的釬焊復合材料來滿足不同水冷板的設計和應用要求。從合金設計和材料開發角度說明幾種新的可以滿足新能源汽車的電池水冷板應用需求的釬焊復合材料開發成果。

關鍵詞：新能源汽車；電池冷卻系統；復合材料；釬焊

0 前沿

新能源汽車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源（或使用常規的車用燃料，但采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。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，以驅動汽車前行。

發展新能源汽車，各國紛紛推出國家發展計劃，比如我國到 2025 年，電動汽車數量將超過百萬輛，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鍵技術之一是電池冷卻降溫，該技術主要分為風冷、液冷和直冷三種方式。其中，風冷被廣泛應用于電動大巴中，液冷在乘用車中較為普及，而直冷技術要求最高，是電動汽車未來的發展方向。

風冷系統是以空氣為介質進行溫度傳遞，利用風機將熱空氣吹至蒸發器處降溫，吹出冷空氣用于電池降溫，如此循環。風冷系統中應用到電動壓縮機、膨脹閥、冷凝器、蒸發器和其他器件。

液冷模式即電池采用水冷方式換熱，其結構如圖 1 所示。一般會增加一個換熱器與制冷循環耦合起來，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）蒸發潛熱的原理，在整車或電池系統中建立空調系統，將空調系統的蒸發器安裝在電池系統中，制冷劑在蒸發器中蒸發，并快速高效地將電池系統的熱量帶走，從而完成對電池系統冷卻的作業。

1 新能源用水冷板材料開發設計

1.1 釬焊水冷板的材料設計與應用

常用電池用釬焊水冷結構主要有兩種：水冷板結構和直冷板結構，如圖 2 所示。通常鋁質釬焊板產品是采用上下兩塊 O 態鋁板料釬焊而成，其中一塊板料沖壓流道結構，以方便冷卻電池的防凍液流通，從而給電池進行持續降溫。

對于這兩種結構零件的水冷板材料，通常主要考慮材料強度和產品的耐腐蝕能力。高強度的復合材料結合水冷板結構設計可以達到減薄和降低成本的目的，所以不斷地開發新材料也是水冷板發展的重要基礎。

1.2 材料成分設計中合金元素作用

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計時，在滿足主要特性前提下需要進行合理的合金成分設計。

1.3 材料的工藝設計

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

2.1 三種不同芯材合金設計

主要對比標準的 3003 鋁合金和三種新開發材料 A、B 和 C 三種芯材的成分設計。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。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 鋁合金復合材料的腐蝕深度最深，為 0.83 mm（見圖 5a）。而新設計的高強度材料 A/4343 鋁合金復合材料和 B/4343 鋁合金復合材料經過 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 材料結構設計對腐蝕的影響

從材料腐蝕試驗結果可以看出，普通 3003 鋁合金容易發生點腐蝕。如果在材料表面增加一層犧牲層后，材料腐蝕機制會發生改變，即：從點腐蝕變為層狀腐蝕（見圖 6），從而可大大提高材料的耐腐蝕能力。

根據上述思路，通過復合耐腐蝕性能優良、含 Zn 低電位的犧牲層材料，與芯材層形成 30～100 mV電勢差，會優先沿著犧牲層發生層狀腐蝕，從而提高芯材壽命。

3.2 材料電勢差設計

材料設計達到表面電勢和芯材電勢差，從而產生布朗帶，提高腐蝕能力。通過合金化和復合結構匹配的復合材料，其釬焊層與芯材層會形成一層30～50 μm 的高密度沉淀區，如圖 7 所示。其電勢比芯材的低約 50 mV，會優先沿著高密度沉淀區發生層狀腐蝕，從而延長芯材壽命。這也可以說明為何 A/B 鋁合金復合材料腐蝕能力優于 C 的，更明顯優于 3003 鋁合金的，就是因為 A/B 鋁合金復合材料通過優化成分設計可以產生布朗帶的效果。