冷卻液溢出問題研究

宋軍 靳浩 張戎斌

摘 要：文章主要針對試驗過程電池包液冷板冷卻液上漲的現(xiàn)象進(jìn)行研究，結(jié)合微觀檢測和觀察，對冷卻液上漲現(xiàn)象進(jìn)行了原理上的分析。現(xiàn)象表明，冷卻液液位上升的直接原因是液冷系統(tǒng)產(chǎn)生氣體。通過對冷卻部件級驗證確認(rèn)氣體產(chǎn)生來源于電池包內(nèi)部。通過對不同材料，不同焊接方式及不同冷卻液進(jìn)行試驗，判斷焊接部位與產(chǎn)氣現(xiàn)象關(guān)聯(lián)性較大。最后對產(chǎn)氣原理進(jìn)行了分析，指出了產(chǎn)氣現(xiàn)象出現(xiàn)的多種可能。

關(guān)鍵詞：液冷板;冷卻液;產(chǎn)氣;上漲

中圖分類號：TM911.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-127-03

Abstract： This paper mainly studies on the rising of coolant for new energy vehicles， combined with the microscopic detection and observation of the target object， and analyzes it in principle. The test shows that the direct cause of the rise is the gas produced by cooling system. The gas is produced from the internal pack due to the test of the cooling part. The weld of the cooling plate is more relevant to the gas production after the test using different material， weld method and coolant. The principle of gas production is then analyzed and point out multiple probabilities.

Keywords： Electric vehicle; Coolant; Gas production; Overflow

CLC NO.： TM911.3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-127-03

前言

隨著鋰電池技術(shù)的逐漸成熟和國家政策的傾斜，以鋰離子電池為動力的純電動汽車在我國的汽車市場逐漸占領(lǐng)了一席之地。然而鋰離子動力電池對溫度敏感度高，高溫環(huán)境下工作壽命會受到影響，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致電池?zé)崾Э?而溫度過低則會帶來充電安全和電池容量下降等問題，不利于人們的駕駛體驗和安全。因此動力電池系統(tǒng)的熱管理顯得格外重要。由于液體冷卻效果好，因此目前大多數(shù)新能源汽車都采用液冷方案，冷卻液作為換熱介質(zhì)，必須保證其在整個系統(tǒng)中的量滿足換熱需求，若缺少則會導(dǎo)致電池溫度快速升高，引起安全問題。

1 基于液冷電池?zé)峁芾砘驹?/p>

基于液冷的電池?zé)峁芾硎抢靡后w具有高對流換熱系數(shù)的特性，將電池所產(chǎn)生的熱量帶走，將電池的溫度維持在合適的范圍內(nèi)，并且保證溫度的均勻性。液冷板作為冷卻系統(tǒng)的重要組成部件，由于其位置的特殊性，冷卻板成為設(shè)計過程中的重中之重。液冷板設(shè)計不僅需要保證與電芯充分接觸，同時考慮液冷板的耐久腐蝕性問題，因此液冷板的材料選擇往往成為設(shè)計中需要考慮的重要因素。

鋁合金是一種導(dǎo)熱性好、密度低、強(qiáng)度高的金屬，因此在動力電池系統(tǒng)中常常被用做液冷板材料以用于電池內(nèi)部的散熱。乙二醇溶液作為一種主流的冷卻液，具有比熱容高、冰點低、流動性強(qiáng)和應(yīng)用成熟的特點，不僅廣泛用于發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)，也被用在新能源汽車的熱管理系統(tǒng)上，原則上鋁合金和冷卻液之間不會發(fā)生明顯的反應(yīng)。

然而在測試匹配不同接頭與液冷板耐久時發(fā)現(xiàn)部分試驗樣品出現(xiàn)了氣泡。針對此現(xiàn)象，通過試驗的方法對其進(jìn)行研究，從結(jié)果統(tǒng)計的角度總結(jié)了反應(yīng)發(fā)生的規(guī)律并對其反應(yīng)原理進(jìn)行了探究和分析。

2 試驗?zāi)康募霸囼炦^程

2.1 試驗簡介

本文關(guān)于冷卻液的研究以微觀成分檢測為導(dǎo)向，通過宏觀觀察來和試驗來對問題進(jìn)行研究。試驗主要圍繞冷卻液，開展不同材料液冷管與接頭焊接。

2.2 問題及試驗過程

對靜置的試驗臺架進(jìn)行長期觀察，發(fā)現(xiàn)其中一批試驗樣品出現(xiàn)氣泡。懷疑液冷板內(nèi)部可能產(chǎn)生氣體，轉(zhuǎn)動水泵，有氣泡隨著冷卻液運動。取冷卻液中氣體樣品。從表1可以看出，氣體成分異常，其成分主要是氫氣、一氧化碳和烷烴;從表2中可以得知，冷卻液PH值異常上升，且有硅析出?？紤]到氫氣屬于異常成分和化學(xué)反應(yīng)的可行性，因此從氫氣的產(chǎn)生的原因開展試驗。

考慮不同冷卻液成分的影響，采用其他廠家的冷卻液，其主要成分都是乙二醇，且冰點都是-45℃。進(jìn)行冷卻板驗證。選取10根液冷板置于工裝上并向其中先灌入不同冷卻液進(jìn)行驗證，分別靜置觀察一周。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同冷卻液產(chǎn)氣效果也不同，說明冷卻液不是產(chǎn)生氫氣的重要原因。

將液冷板的鋁板和接頭分別置于問題冷卻液中觀察，同時在另一個容器中放入焊絲加入冷卻液，發(fā)現(xiàn)無氣體產(chǎn)生。靜置一個月，發(fā)現(xiàn)液位無變化，因此可以確認(rèn)單獨液冷板或單獨的接頭以及焊環(huán)都不與冷卻液發(fā)生反應(yīng)。

為了進(jìn)一步判斷氣體產(chǎn)生的位置，考慮問題出在焊接后的焊料。首先采用膠封的方式對液冷板及其接頭進(jìn)行連接，并在其中灌入冷卻液，在35℃的環(huán)境艙中靜置觀察，發(fā)現(xiàn)冷卻液并未出現(xiàn)上升，可以斷定氣體產(chǎn)生位置在焊接處。

改變助焊劑材料，使用含銀焊環(huán)對液冷板和接頭進(jìn)行焊接，共得到6根液冷板，在其中加入冷卻液，發(fā)現(xiàn)部分液冷板中的冷卻液出現(xiàn)上漲，說明選擇含銀助焊劑后出現(xiàn)冷卻液上漲問題。

考慮液冷板材料的問題，更換不同材料液冷板，共選擇14根置于工裝灌入問題冷卻液置于35℃的環(huán)境艙進(jìn)行觀察一周。發(fā)現(xiàn)冷卻液的液位長期保持不變，后續(xù)隔兩周后進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)液位上漲趨勢仍保持不變。因此可以說明3系鋁材料與乙二醇冷卻液之間的相容性較好，具有更強(qiáng)的抑制氣體產(chǎn)生的效果。從試驗的結(jié)構(gòu)可以看出，接頭與液冷板選用相同的材料對抑制冷卻液液位上漲起到較為明顯的效果，但未能從根本上解決產(chǎn)氣問題。

3 溢出原理及可能性分析

根據(jù)以上描述可以得知，冷卻液產(chǎn)生氣泡是由于接頭與液冷板選用不同材料所致，而產(chǎn)生氣體的原因涉及微觀化學(xué)反應(yīng)原理，難以通過宏觀試驗獲得，且相關(guān)文獻(xiàn)少，無法精準(zhǔn)判斷反應(yīng)過程。然而在所查閱的文獻(xiàn)中，依然存在許多與此現(xiàn)象有聯(lián)系的化學(xué)反應(yīng)原理，下面將對文獻(xiàn)中涉及到的可能導(dǎo)致產(chǎn)氣反應(yīng)的原理進(jìn)行陳述，并結(jié)合試驗結(jié)果對這些原理在本試驗中的適用性進(jìn)行分析。

3.1 冷卻液溢出原理概述

3.1.1 液冷板與接頭之間形成宏電池[1，2，3]

常見的電偶序為：鎂、鋅、鋁、低碳鋼、Cr13/Cr17、黃銅、青銅、Cr17不銹鋼、Cr18不銹鋼（純態(tài)）、銹鋼（純態(tài)）、銀、鈦、鉑。在使用含銀助焊劑后，通過觀察可以看到冷卻液液位漲幅度遠(yuǎn)高于使用原助焊劑材料的上漲情況，這可能是因為助焊劑含銀，是電位較正的貴金屬，而其周邊以鋁為主的液冷板便成為了賤金屬，腐蝕速度加快。因此以鋁為主的液冷板作為陽極金屬加速腐蝕，而以銀為主的助焊劑作為陰極金屬則被保護(hù)，在此過程中反應(yīng)產(chǎn)生氣體。

3.1.2 鋁和乙二醇之間反應(yīng)生成氣體

當(dāng)液冷板內(nèi)部界面上的O2耗光后或乙二醇以較強(qiáng)的吸附作用吸附在液冷板表面，液冷板表面會優(yōu)先形成鋁-醇相的鈍化膜。鋁-醇相鈍化膜取代氧化鋁鈍化膜對基體起保護(hù)作用，但鋁-醇相相較于氧化鋁更不致密，鋁-醇相比例的增加會降低點蝕發(fā)生的傾向，延長點蝕孕育期，因此上述反應(yīng)只會在反應(yīng)初期進(jìn)行。

3.1.3 氟鋁酸鉀助焊劑與乙二醇反應(yīng)[7]

液冷板的基體材料的內(nèi)部代號是9系鋁合金，并使用鋁硅鎂作為焊料進(jìn)行焊接，從而形成多個流道。在焊接過程中，焊接處很容易產(chǎn)生重熔產(chǎn)物，且釬料的厚度越厚越多產(chǎn)生情況越明顯。根據(jù)文獻(xiàn)，產(chǎn)生氫氣的水冷管相比于未產(chǎn)生氫氣的水冷管，其在焊接區(qū)、底版區(qū)以及焊接區(qū)的外表面比較粗糙，在元素分析的過程中可以發(fā)現(xiàn)明顯的硅偏析現(xiàn)象，而未產(chǎn)生氫氣的水冷管的翅片區(qū)則比較光滑，翅片上硅含量較少，與母材的硅含量接近。因此可以認(rèn)為，產(chǎn)氣現(xiàn)象與硅偏析往往是伴隨產(chǎn)生的，該現(xiàn)象可能導(dǎo)致產(chǎn)氣現(xiàn)象的差異和管道內(nèi)壓力的增加。

3.2 冷卻液溢出原理可能性分析

對于宏電池的說法，由于液冷板與接頭和焊料材料之間存在著差異，因此焊接處可能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而生成氫氣，這是有可能的，正因如此在使用3系鋁合金替代9系鋁合金的試驗中，產(chǎn)氣現(xiàn)象得到了明顯改善。

對于鋁和乙二醇之間發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣體的說法，該說法不能作為主要的產(chǎn)氣原因。雖然鋁合金醇化反應(yīng)和乙二酸腐蝕反應(yīng)會產(chǎn)生氣體，但是一方面冷卻液中有抑制劑抑制腐蝕，另一方面醇化反應(yīng)不可持續(xù)，乙二酸腐蝕是長期氧化的結(jié)果，都與短期的試驗結(jié)果不符，因此該反應(yīng)不是問題的主要原因。

對于氟氯酸鉀助焊劑與乙二醇之間反應(yīng)導(dǎo)致氣體產(chǎn)生的觀點，即產(chǎn)氣現(xiàn)象與硅偏析現(xiàn)象之間有著密切的聯(lián)系。該現(xiàn)象與當(dāng)前所遇到的問題最為接近，但也是只有現(xiàn)象而無具體的化學(xué)反應(yīng)原理。因此若要進(jìn)行進(jìn)一步研究，則可以通過探究硅偏析現(xiàn)象的來源從而找到問題和原理。

4 結(jié)論

針對液冷板產(chǎn)氣現(xiàn)象，前后分別進(jìn)行了部件級驗證。發(fā)現(xiàn)液冷板產(chǎn)氣現(xiàn)象在當(dāng)前使用的產(chǎn)品中是不可避免的，因此只能采取抑制產(chǎn)氣的措施來保證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的正常運行。不考慮液冷板的結(jié)構(gòu)因素，產(chǎn)氣位置主要在液冷板焊接處，因此在液冷板生產(chǎn)的過程中必須對其進(jìn)行嚴(yán)格的驗證從而杜絕產(chǎn)氣現(xiàn)象產(chǎn)生;從原理角度，認(rèn)為產(chǎn)氣現(xiàn)象可能與形成宏電池、液冷板與冷卻液間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和硅偏析現(xiàn)象有關(guān)聯(lián)。其中氟鋁酸鉀助焊劑焊接后與乙二醇冷卻液之間發(fā)生的硅偏析現(xiàn)象與產(chǎn)氣現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)程度較高。因此可以針對焊接部分，通過改善焊接材料成分、調(diào)整冷卻液添加劑成分和改變助焊劑成分和焊環(huán)厚度三方面來對液冷板產(chǎn)氣現(xiàn)象進(jìn)行改善。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙天亮，張梁娟，錢吉裕，彭子軒，杜翠薇，李曉剛.3A21、5A05和6063鋁合金在低電導(dǎo)率乙二醇冷卻液中的腐蝕行為[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2017，29（05）：507-514.

[2] 胡國高，楊俊，鄭興文.鋁制冷板在乙二醇冷卻液中的腐蝕行為[J].腐蝕與防護(hù)，2017，38（11）：871-876.

[3] 范金龍，龔敏，侯肖，李興強(qiáng)，羅焱桄，康波，孫偉，郭美波，梁賢忠.3A21鋁合金在乙二醇水溶液中的腐蝕行為[J].腐蝕與防護(hù)，2014，35（11）： 1116-1121.

[4] 周麗霞.鋁合金在汽車?yán)鋮s液中的腐蝕機(jī)理與防護(hù)技術(shù)研究[D].上海電力學(xué)院，2013.12.

[5] 昝世超，鐘瑜，王博，商允恒，王磊.乙二醇在制冷系統(tǒng)中的腐蝕及防護(hù)研究[J].制冷與空調(diào)，2012，12（02）：77-80.2.

[6] 金星，饒楚儀，高立新，張大全.鋁合金在乙二醇-水模擬冷卻液中的腐蝕行為[J].材料保護(hù)，2011，44（09）：15-17+91-92.2.

[7] 劉相，高峰，劉向陽，趙丕盛，董文平，李英斌，朱艷芳，張春艷.鋁硅鎂4004釬料對冷板與硅酸鹽體系乙二醇冷卻液腐蝕相容性的影響研究[J].裝備環(huán)境工程，2019，16（05）：30-3.