新能源汽车水冷板材料的开发与应用

张 斌

（银邦金属复合材料股份有限公司，江苏 无锡 214145）

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料，但采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括有：混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、氢发动机汽车、燃气汽车以及醇醚汽车等，其中混合电动汽车一般由燃油和电池按需要提供动力，而电池动力汽车只有电池给电动机提供动力，以驱动汽车前行[1-2]。

发展新能源汽车，各国纷纷推出国家发展计划，比如我国到2025年，电动汽车数量将超过百万辆，2035年，城市交通将基本摆脱化石燃料。

以电池为动力的新能源汽车的关键技术之一是电池冷却降温，该技术主要分为风冷、液冷和直冷三种方式[3-4]。其中，风冷被广泛应用于电动大巴中，液冷在乘用车中较为普及，而直冷技术要求最高，是电动汽车未来的发展方向[5-6]。

风冷系统是以空气为介质进行温度传递，利用风机将热空气吹至蒸发器处降温，吹出冷空气用于电池降温，如此循环。风冷系统中应用到电动压缩机、膨胀阀、冷凝器、蒸发器和其他器件[7-8]。

液冷模式即电池采用水冷方式换热，其结构如图1所示。一般会增加一个换热器与制冷循环耦合起来，通过制冷剂将电池的热量带走。

图1 电池冷却单元结构示意图Fig.1 structure diagram of battery cooling unit

直冷模式（制冷剂直接冷却）：利用制冷剂（R134a等）蒸发潜热的原理，在整车或电池系统中建立空调系统，将空调系统的蒸发器安装在电池系统中，制冷剂在蒸发器中蒸发，并快速高效地将电池系统的热量带走，从而完成对电池系统冷却的作业。

1 新能源用水冷板材料开发设计

1.1 钎焊水冷板的材料设计与应用

常用电池用钎焊水冷结构主要有两种：水冷板结构和直冷板结构，如图2所示。通常铝质钎焊板产品是采用上下两块O态铝板料钎焊而成，其中一块板料冲压流道结构，以方便冷却电池的防冻液流通，从而给电池进行持续降温。

图2 电池冷却单元的主要部件Fig.2 Main components of battery cooling unit

对于这两种结构零件的水冷板材料，通常主要考虑材料强度和产品的耐腐蚀能力。高强度的复合材料结合水冷板结构设计可以达到减薄和降低成本的目的，所以不断地开发新材料也是水冷板发展的重要基础。

1.2 材料成分设计中合金元素作用

表1为铝合金中常见的主要元素，以及每个元素的主要作用。在进行钎焊铝合金设计时，在满足主要特性前提下需要进行合理的合金成分设计。

表1 铝合金中不同合金元素的添加量和主要作用Tab.1 Adding amounts and main functions of different alloying elements in Al alloys

1.3 材料的工艺设计

水冷板工艺主要为原材料冲压—清洗—涂钎剂—铆接—钎焊—检测—封胶等主要过程。所以，为了保证水冷板冲压拉伸要求，通常从工艺角度保证材料有良好的拉伸能力。图3分别为热处理前、后的铝合金铸锭微观形貌。为了保证钎焊水冷板原材料的良好拉伸能力，通常需要对铝合金铸锭进行热处理，保证成品的晶粒尺寸均匀和满足高拉伸需求。

图3 铝合金铸造态和热处理后的组织Fig.3 Microstructures of the as-cast and heat-treated Al alloy

2 满足水冷板的新材料开发

2.1 三种不同芯材合金设计

主要对比标准的3003铝合金和三种新开发材料A、B和C三种芯材的成分设计。从表2中可以看出，A和B为3003铝合金改进型材料，相比3003铝合金而言，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，还含有较高含量的Si元素。

表2 不同芯材合金的成分（质量分数/%）Tab.2 Compositions of different core alloys (mass fraction/%)

2.2 不同材料模拟钎焊后性能

表3为不同芯材合金性能对比，A、B和C芯材相比较标准3003铝合金水冷板而言，强度都有30%以上的提高。而C芯材达到更高的强度级别，可以满足减薄、降低成本的效果。

表3 不同芯材合金的性能Tab.3 Properties of different core alloys

2.3 不同材料钎焊后电势

图4为主要的合金元素对铝合金电势的影响。随着Mn、Cu等含量的增加，合金的电势明显升高；而随着Zn含量的增加，合金的电势明显降低，然后再逐渐达到平稳。而Si和Mg对合金电势的影响相对较小。本文中，不同合金钎焊模拟后的腐蚀电势如表4所示。

表4 不同合金模拟钎焊后的腐蚀电势Tab.4 Corrosion potentials of different alloys after simulated brazing

图4 合金元素对电势的影响Fig. 4 Effect of alloying element on electric potential

2.4 不同铝合金复合材料的腐蚀形貌

图5为1 mm厚的不同材料模拟海水腐蚀试验30 d后的形貌图。从图5中可以看出，普通3003/4343铝合金复合材料的腐蚀深度最深，为0.83 mm（见图5a）。而新设计的高强度材料A/4343铝合金复合材料和B/4343铝合金复合材料经过30 d的模拟海水腐蚀试验后，腐蚀深度为0.30～0.35 mm（分别见图5b和图5c）。C/4343铝合金复合材料为更高强度的材料，其腐蚀深度为0.57 mm（见图5），也明显好于普通标准材料3003/4343铝合金复合材料。最好的材料腐蚀效果是在材料表面增加中间层后，经过30 d模拟海水腐蚀试验后，可以明显地看出腐蚀的最大深度依然在牺牲层，还没有到达芯材(见图5e)。

图5 1 mm厚的不同材料30 d模拟海水腐蚀试验后的形貌图Fig.5 Morphologies of 1 mm thick different materials after 30 d simulated seawater corrosion test

3 讨 论

3.1 材料结构设计对腐蚀的影响

从材料腐蚀试验结果可以看出，普通3003铝合金容易发生点腐蚀。如果在材料表面增加一层牺牲层后，材料腐蚀机制会发生改变，即：从点腐蚀变为层状腐蚀（见图6），从而可大大提高材料的耐腐蚀能力。

图6 增加牺牲层后腐蚀形貌的变化Fig.6 Changes of corrosion morphology after adding sacrificial layer

根据上述思路，通过复合耐腐蚀性能优良、含Zn低电位的牺牲层材料，与芯材层形成30～100 mV电势差，会优先沿着牺牲层发生层状腐蚀，从而提高芯材寿命。

3.2 材料电势差设计

材料设计达到表面电势和芯材电势差，从而产生布朗带，提高腐蚀能力。通过合金化和复合结构匹配的复合材料，其钎焊层与芯材层会形成一层30～50 μm的高密度沉淀区，如图7所示。其电势比芯材的低约50 mV，会优先沿着高密度沉淀区发生层状腐蚀，从而延长芯材寿命。这也可以说明为何A/B铝合金复合材料腐蚀能力优于C的，更明显优于3003铝合金的，就是因为A/B铝合金复合材料通过优化成分设计可以产生布朗带的效果。

图7 不同合金设计产生的不同电势带Fig.7 Different potential bands produced by different alloy designs

4 结 论

（1）水冷板是新能源汽车必备的电池冷却管理的重要换热器，可以通过不同合金设计达到提高强度的同时，提高耐腐蚀能力。

（2）可以通过添加牺牲层，或者通过设计产生不同电位带的组织结构，达到提升耐腐蚀的能力。