鄧善慶

摘 要：隨著新能源汽車動力電池的能量密度和功率密度越來越高，電池充放電倍率較大，電池發(fā)熱量也隨之增大。傳統(tǒng)的電池散熱方式如自然冷卻或者風(fēng)冷已經(jīng)不能滿足要求，水冷散熱逐漸成為主流的散熱方式，水冷板的設(shè)計開發(fā)是電池pack集成設(shè)計的一個重中之重。闡述了動力電池水冷板的設(shè)計開發(fā)過程，包括功能分析，結(jié)構(gòu)形式，生產(chǎn)工藝，質(zhì)量檢驗和試驗驗證。

關(guān)鍵詞：動力電池;散熱;水冷板

1 引言

新能源汽車是指采用常規(guī)車用燃料以外的能量源作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料，但采用新型車載動力裝置），綜合車輛的能源控制和驅(qū)動控制的先進(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[1]。開發(fā)實時高效熱管理系統(tǒng)，保障電池組溫度處于最佳工作溫度區(qū)間（25℃～40℃）和單體間的最大溫差不超過5℃，對于動力電池組性能的保障具有重要意義。熱管理的方式有：（1）自然冷卻，如使用磷酸鐵鋰電池的BYD秦、唐和宋;（2）被動式風(fēng)冷，如DS5 HEV;（3）主動式風(fēng)冷，如日產(chǎn)e-NV200（2014）和日產(chǎn)聆風(fēng)等;（4）水冷，如廣汽Aion S和特斯拉Model 3等。水冷散熱的引入作為動力電池?zé)峁芾矸绞?，實踐驗證，此方式有效地提高冷卻效率和保證電池模組溫度均勻性。

2 水冷板設(shè)計輸入分析

水冷板的設(shè)計不僅需要考慮散熱功能，也要在給定的包絡(luò)空間內(nèi)不與其他零部件發(fā)生干涉。一般水冷板的設(shè)計需要考慮電池模組種類、電池發(fā)熱量、電池最高承受溫度、電池允許最大溫差、電池模組數(shù)量、水冷板布置位置、界面材料、入水溫度、入水流速和水側(cè)壓降等。

3 水冷板結(jié)構(gòu)形式

水冷板結(jié)構(gòu)一般采用口琴管或沖壓板形式?？谇俟苄问降乃浒灏ü苈?，進(jìn)口接頭，出口接頭，集流體，定位支架，口琴管，如圖1所示。

4 水冷板生產(chǎn)工藝

水冷板采用可控氣氛隧道爐生產(chǎn)，采用氮氣作為保護(hù)氣體，傳統(tǒng)換熱器如發(fā)動機(jī)散熱器、空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、暖風(fēng)芯體、中冷器、油冷器等釬焊式換熱器均在此種隧道爐生產(chǎn)，工藝成熟穩(wěn)定。水冷板的生產(chǎn)工藝過程包括部件加工、裝配組裝、脫脂、噴釬劑、干燥、釬焊、冷卻和檢驗，如圖2所示。

5 水冷板質(zhì)量檢驗

水冷板完成釬焊出爐后，需要根據(jù)質(zhì)量檢驗操作指導(dǎo)書進(jìn)行檢驗，檢驗內(nèi)容有（1）氣密性檢測，根據(jù)不同整車廠要求，可采用氦檢或者水檢，測漏壓力一般為3bar，測漏時間60s，泄露率小于2cc/min。泄漏的不良品需要水檢查找泄露點，分析問題產(chǎn)生的原因并落實糾正預(yù)防措施;（2）爆破測試，每爐釬焊成品都需要做一定樣本量的爆破測試，來衡量產(chǎn)品是否存在虛焊、過焊或者焊穿等缺陷，需要達(dá)到整車廠規(guī)定的最小爆破壓力值;（3）尺寸檢驗，需要制作專門的檢具，測量水冷板的平面度、位置度、垂直度以及一些重要的尺寸，并由質(zhì)量檢驗員出具出貨報告。所有安裝到實車上的車身、內(nèi)外飾模塊的定位基準(zhǔn)、安裝基準(zhǔn)按照GD&T圖紙信息進(jìn)行設(shè)計，以保證基準(zhǔn)的統(tǒng)一性[2]。產(chǎn)品零件在車體模塊上安裝時的定位孔、定位面等應(yīng)與車身實際狀況一致[3]。

6 試驗驗證

水冷板要完成設(shè)計認(rèn)可開發(fā)，順利進(jìn)入量產(chǎn)，需要做一系列測試驗證，包括氣候環(huán)境類、機(jī)械強(qiáng)度類、耐久類和安全法規(guī)類試驗驗證。

6.1 氣候環(huán)境類測試

氣候環(huán)境類測試主要考核水冷板在不同溫度、濕度和酸鹽環(huán)境等的耐受程度，電池在充放電過程中，隨著環(huán)境溫度的升高，電池外表的散熱速度減慢，電池的溫度也會逐漸升高。主要有以下這幾個測試：（1）換熱性能測試，基于給定一定的水冷板入口水溫、入口流速、環(huán)境溫度和濕度，利用電池模擬器來進(jìn)行水冷板液側(cè)換熱量測試，同時關(guān)注電池溫度變化情況和溫差;（2）耐高溫測試，基于不同整車廠的要求進(jìn)行測試，如+80攝氏度持續(xù)360小時;（3）耐低溫測試;（4）內(nèi)外部腐蝕測試，包括中性、酸性和堿性。

6.2 機(jī)械強(qiáng)度類測試

機(jī)械強(qiáng)度類測試主要考核水冷板對于來自內(nèi)部和外部的機(jī)械沖擊的耐受程度。主要有以下這幾個測試：（1）爆破測試;（2）耐壓測試;（3）振動測試;（4）沖擊測試。

6.3 耐久類測試

耐久類測試主要考核水冷板疲勞耐久可靠程度，滿足一定的質(zhì)保周期和設(shè)計壽命周期，提前發(fā)現(xiàn)潛在失效點，并進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。主要有以下這幾個測試：（1）壓力脈沖循環(huán)測試，基于不同整車廠的要求，給定一定的高壓壓力和低壓壓力、一定的入水溫度和環(huán)境溫度、脈沖頻率和循環(huán)周期進(jìn)行測試;（2）溫度交變循環(huán)測試;（3）老化測試。

6.4 安全法規(guī)類測試

因水冷板位于電池pack內(nèi)，需要滿足一定的安全法規(guī)要求。此類測試一般包括：（1）可燃性要求，主要是針對非金屬的零部件，如水冷板的管路和密封膠圈等，須滿足UL94相關(guān)燃燒等級要求;（2）等電位連接要求，因電池是高壓帶電體，整車廠一般有要求水冷板需要有等電位連接;（3）IP67要求，整個電池包需要滿足IP67要求;（4）禁用物質(zhì)要求，水冷板需要滿足CAMDS或IMDS關(guān)于禁用物質(zhì)要求，并在有資質(zhì)的測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試，且在CAMDS或IMDS官網(wǎng)進(jìn)行申報;（5）GB/T要求，另外水冷板還需要連同整個電池包一起完成GB/T要求的相關(guān)測試。

7 結(jié)束語

電池溫度過高和溫差過大不僅對電池性能壽命有很大影響，而且也會存在安全風(fēng)險。本文從功能分析，結(jié)構(gòu)形式，生產(chǎn)工藝，質(zhì)量檢驗和試驗驗證這幾個方面闡述新能源汽車動力電池水冷板的開發(fā)設(shè)計驗證過程，產(chǎn)品通過質(zhì)量檢驗、氣候環(huán)境類測試、機(jī)械強(qiáng)度類測試、耐久類測試和安全法規(guī)類測試，保證水冷板在開發(fā)過程中能兼顧各方面考慮，滿足整車設(shè)計壽命和性能目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚曉軍.電動汽車動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計[M]. 廣州：中山大學(xué)出版社，2016.

[2]王浩.整車匹配檢具的設(shè)計開發(fā)[J]. 裝備制造技術(shù)，2019（3）：99-99.

[3]侯軍，楊 智，代丕云.CUBING開發(fā)與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2014（31）：69-69.