電動汽車用低電導(dǎo)率冷卻液的應(yīng)用研究

高珍琪 楊操 王娟 趙康

江蘇龍蟠科技股份有限公司

近年來，世界主要汽車大國紛紛加強(qiáng)戰(zhàn)略謀劃，強(qiáng)化政策支持，各大車企加大研發(fā)投入，完善產(chǎn)業(yè)布局，新能源汽車已成為全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的主要方向和促進(jìn)世界經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的重要引擎。按照產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，2025 年我國新能源汽車市場競爭力將明顯增強(qiáng)，新能源汽車新車銷售量將達(dá)到汽車新車銷售總量的20%左右，其中純電動汽車將成為新銷售車輛的主流[1]。新能源汽車與傳統(tǒng)燃油車的主要區(qū)別在于，新能源汽車是采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、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(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[2]。隨著環(huán)保和低碳生活理念的不斷提升以及新能源技術(shù)的不斷進(jìn)步，新能源汽車已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，與傳統(tǒng)燃油車相比具有環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，為人們帶來更加舒適的出行體驗(yàn)，新能源汽車越來越受到消費(fèi)者的關(guān)注和追捧。

按照動力輸出裝置，目前市面上推廣使用的新能源汽車主要包括純電動汽車（PEV，以下簡稱電動汽車）、燃料電池汽車（FCV）和混合動力電動汽車（HEV）[3]，在這三種新能源汽車中，以電動汽車發(fā)展最為迅速。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2023 年6 月底，全國新能源汽車保有量達(dá)1 620 萬輛，占汽車總量的4.9%。其中，電動汽車保有量1 259.4 萬輛，占新能源汽車總量的77.8%，到2035 年電動汽車將成為新銷售汽車的主流[4]。由于石油是不可再生資源，能源危機(jī)正困擾著世界各國，發(fā)展電動汽車可以有效緩解能源危機(jī)。其次，電動汽車相比燃油車不會排放有毒有害物質(zhì)和溫室氣體。另外，發(fā)展電動汽車可以解決電網(wǎng)晝夜間不平衡的問題，目前世界上各個國家都受到這個問題的困擾，電動汽車白天在路上行駛，晚上可以利用“谷電”充電，有利于調(diào)節(jié)電網(wǎng)晝夜間負(fù)荷不平衡的問題。

目前國內(nèi)多數(shù)主機(jī)廠將傳統(tǒng)燃油車?yán)鋮s液用于電動汽車的熱管理系統(tǒng)中；隨著電動汽車的發(fā)展，一些主機(jī)廠開始關(guān)注電動汽車中冷卻液的電導(dǎo)率對電動汽車性能及安全方面的影響。國家能源局在2021 年11 月16 日發(fā)布了NB/SH/T 6047—2021《 電動汽車?yán)鋮s液》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]，該標(biāo)準(zhǔn)中提出了電動汽車用冷卻液的技術(shù)要求，但是標(biāo)準(zhǔn)中未對電動汽車?yán)鋮s液的電導(dǎo)率做出要求，GB 29743.2《電動汽車?yán)鋮s液》目前在征求意見階段，尚未正式發(fā)布（征求意見稿中要求電動汽車用冷卻液初始電導(dǎo)率不大于100 μS/cm）。本文自主研發(fā)了一款用于電動汽車的低電導(dǎo)率冷卻液，該產(chǎn)品在滿足NB/SH/T 6047—2021《電動汽車?yán)鋮s液》的基礎(chǔ)上，具有良好的低電導(dǎo)率，目前已配套國內(nèi)知名的主機(jī)廠。行車試驗(yàn)是評價冷卻液性能最佳的方法，通過對行車試驗(yàn)中冷卻液的理化指標(biāo)及車輛零部件腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測，能夠檢驗(yàn)冷卻液性能的優(yōu)劣。為驗(yàn)證所研發(fā)的低電導(dǎo)率冷卻液產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用性能，本文在3 輛出租車（均為電動汽車）上進(jìn)行了100 000 km 的行車試驗(yàn)研究。

本文采用-40 ℃低電導(dǎo)率冷卻液在純電動乘用車上進(jìn)行了100 000 km 的行車試驗(yàn)應(yīng)用研究。行車試驗(yàn)結(jié)果表明， -40 ℃低電導(dǎo)率冷卻液具有優(yōu)異的電導(dǎo)率和pH 值保持能力，同時具有良好的金屬保護(hù)性能，能夠滿足電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的使用要求。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)用的冷卻液

本次行車試驗(yàn)所用的冷卻液為-40 ℃低電導(dǎo)率冷卻液，其理化性能典型數(shù)據(jù)見表1。

表1 -40 ℃低電導(dǎo)率冷卻液理化性能典型數(shù)據(jù)

試驗(yàn)車輛

本次行車試驗(yàn)采用3 輛吉利帝豪純電動汽車，車輛使用年限1～2年，試驗(yàn)車輛相關(guān)信息見表2。

表2 行車試驗(yàn)車輛的相關(guān)信息

試驗(yàn)前準(zhǔn)備

在行車試驗(yàn)開始之前，將3 輛電動汽車?yán)鋮s液系統(tǒng)中的冷卻液全部排空，然后加入去離子水，使液位達(dá)到膨脹水壺中間位置，啟動車輛，怠速10 min，將液體放出，觀察放出液體的顏色，如果放出液體有顏色，重復(fù)上述步驟，直至放出的沖洗純水為無色，然后加注試驗(yàn)冷卻液，啟動車輛，怠速10 min 后取樣檢測液體電導(dǎo)率，如電導(dǎo)率測試結(jié)果在60～80 μs/cm，表明冷卻系統(tǒng)已清洗干凈。啟動車輛怠速10 min，采集樣品作為0 km 試樣，繼續(xù)加注試驗(yàn)冷卻液至液位線。

試驗(yàn)過程中取樣和項(xiàng)目評定

為了減少行車試驗(yàn)過程中取樣對試驗(yàn)結(jié)果的影響，根據(jù)行車試驗(yàn)大綱，取樣間隔為0 km、10 000 km、20 000 km、30 000 km、40 000 km、50 000 km、60 000 km、70 000 km、80 000 km、90 000 km、100 000 km，共計(jì)采集11次樣，每次取樣300 mL，每次取樣后補(bǔ)加相同數(shù)量的新液。對所取樣品進(jìn)行pH、冰點(diǎn)、電導(dǎo)率、沸點(diǎn)、金屬含量（鐵、鋁、銅）等項(xiàng)目分析，其中金屬含量作為參考數(shù)據(jù)。

電動汽車用低電導(dǎo)率冷卻液與傳統(tǒng)燃油車?yán)鋮s液最大的區(qū)別在于低電導(dǎo)率冷卻液具有較低的電導(dǎo)率，傳統(tǒng)燃油車?yán)鋮s液電導(dǎo)率一般在3 000 μS/cm 以上。冷卻液電導(dǎo)安全相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，選用電導(dǎo)率為300 μS/cm、500 μS/cm 和3 200 μS/cm 的冷卻液進(jìn)行電導(dǎo)安全試驗(yàn)（組件測試），在800 V的高壓下電導(dǎo)率3 200 μS/cm 的冷卻液會快速引起異常情況，電導(dǎo)率500 μS/cm 的冷卻液在13 h 后也出現(xiàn)打火爆燃的情況，電導(dǎo)率300 μS/cm 的冷卻液72 h 未發(fā)現(xiàn)異常，因此參考試驗(yàn)結(jié)果，將行車試驗(yàn)過程中冷卻液電導(dǎo)率換液標(biāo)準(zhǔn)定為不大于300 μS/cm。

電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)使用了較多的鋁材質(zhì)，主要包括3 系鋁、4 系鋁和6 系鋁，所以電動汽車?yán)鋮s液在配方設(shè)計(jì)時將防腐蝕的重點(diǎn)放在了鋁系合金材料上，根據(jù)布拜圖（E電位-pH 圖）鋁金屬防護(hù)的最佳pH 值范圍是4.0～8.5，對于銅和焊錫材料而言，pH 值范圍在7.0～8.5可以獲得較佳的防護(hù)效果，因冷卻液在使用過程中會出現(xiàn)酸化導(dǎo)致pH值出現(xiàn)下降，因此，將試驗(yàn)過程中冷卻液pH 值換液標(biāo)準(zhǔn)定為不小于7.0。

冷卻液的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)主要與乙二醇和水的配比有關(guān)，在一定范圍內(nèi)，隨著乙二醇的加劑量提高，沸點(diǎn)越高，冰點(diǎn)越低，當(dāng)冷卻液的冰點(diǎn)確定后，沸點(diǎn)也基本確定，因此，行車試驗(yàn)過程中冰點(diǎn)和沸點(diǎn)的換液標(biāo)準(zhǔn)參照NB/SH/T 6047—2021《 電動汽車?yán)鋮s液》。綜合以上，本次行車試驗(yàn)中冷卻液的換液指標(biāo)見表3。

表3 行車試驗(yàn)冷卻液換液標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)果與討論

pH 值變化

pH 值是冷卻液重要的技術(shù)指標(biāo)。冷卻系統(tǒng)中金屬發(fā)生腐蝕的實(shí)質(zhì)是電化學(xué)氧化還原反應(yīng)的過程，冷卻液的pH 值是影響金屬電化學(xué)腐蝕速率的重要因素， pH 值在合適的范圍內(nèi)才能對冷卻系統(tǒng)的金屬材料有較好的保護(hù)性能，pH 值偏高或者偏低都會影響冷卻液在汽車中的使用效果和使用壽命。冷卻液的pH 值下降會加速金屬的腐蝕，同時也會造成冷卻系統(tǒng)的非金屬件（如橡膠管）的腐蝕，極端情況下可能導(dǎo)致冷卻液的泄漏，對冷卻液系統(tǒng)的危害較大。試驗(yàn)冷卻液pH 值的變化趨勢如圖1 所示。

圖1 pH值的變化趨勢

由圖1 可以看出，行車試驗(yàn)過程中冷卻液的pH 呈現(xiàn)下降的趨勢，主要是因?yàn)槔鋮s液中的乙二醇在使用過程中高溫氧化產(chǎn)生酸性離子，從而造成pH 值下降，整個行車試驗(yàn)過程中3 臺車試驗(yàn)冷卻液的pH值沒有出現(xiàn)大幅下降，表明 -40 ℃低電導(dǎo)率冷卻液具有良好的pH 值保持性。

冰點(diǎn)變化

冰點(diǎn)是冷卻液重要的功能性指標(biāo)，直接關(guān)系到冷卻液的防凍能力。冷卻液的冰點(diǎn)越低，防凍能力越強(qiáng)，在低溫的條件下能夠保持良好的流動狀態(tài)，可以有效防止因液體凍結(jié)體積膨脹而導(dǎo)致的冷卻系統(tǒng)漲裂。冷卻液的冰點(diǎn)與防凍劑（乙二醇）和純水的添加比例有關(guān)，在一定的濃度范圍內(nèi)，隨著防凍劑的添加比例的升高，冷卻液的冰點(diǎn)會降低，當(dāng)防凍劑比例超過70%（體積分?jǐn)?shù)）后，冷卻液的冰點(diǎn)會隨著防凍劑的添加比例升高而升高。試驗(yàn)冷卻液冰點(diǎn)的變化趨勢如圖2 所示。

圖2 冰點(diǎn)的變化趨勢

由圖2 可以看出，行車試驗(yàn)過程中冷卻液的冰點(diǎn)在持續(xù)下降，主要原因是行車試驗(yàn)過程中有一定量的水分蒸發(fā)，冷卻液的乙二醇含量升高，從而出現(xiàn)冰點(diǎn)下降的現(xiàn)象。

電導(dǎo)率變化

電導(dǎo)率又稱為導(dǎo)電率，是用來描述物質(zhì)中電荷流動難易程度的參數(shù)，是表示物質(zhì)傳輸電流能力強(qiáng)弱的一種測量值。電動汽車?yán)鋮s液主要是對三電系統(tǒng)進(jìn)行熱管理，冷卻液管路流經(jīng)大量的電氣元件。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，電動汽車三電系統(tǒng)的故障主要是因?yàn)殡姵乩鋮s液系統(tǒng)的失效造成的，冷卻液進(jìn)入三電系統(tǒng)內(nèi)部可能會造成動力電池系統(tǒng)中電氣回路故障，在極端情況下有可能會引起熱失控，造成車輛起火，存在較為嚴(yán)重的安全隱患。傳統(tǒng)燃油車?yán)鋮s液電導(dǎo)率基本在3 000 μs/cm以上，冷卻液電導(dǎo)率越高，短路電流與短路釋放的熱功率就會越大，如果冷卻液泄漏接觸到電氣元件，會引起嚴(yán)重的事故。低電導(dǎo)率冷卻液能顯著降低因冷卻液泄漏導(dǎo)致高壓電氣元件安全問題發(fā)生的概率。試驗(yàn)冷卻液電導(dǎo)率的變化趨勢如圖3 所示。

圖3 電導(dǎo)率的變化趨勢

由圖3 可以看出，行車試驗(yàn)在60 000 km 之前，電導(dǎo)率升高較快，在70 000 km 以后電導(dǎo)率逐漸趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)車輛在行車試驗(yàn)結(jié)束后冷卻液的電導(dǎo)率均未超出前期設(shè)定的換液指標(biāo)。試驗(yàn)前期冷卻液電導(dǎo)率升高速度較快，主要原因是試驗(yàn)車輛冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的污染，隨著行車試驗(yàn)的進(jìn)行，冷卻液電導(dǎo)率逐漸趨于穩(wěn)定，緩蝕劑在冷卻系統(tǒng)金屬表面形成了保護(hù)膜，降低了金屬腐蝕離子的析出速度[5]，同時冷卻系統(tǒng)中的非金屬材料可溶性離子隨著行車試驗(yàn)的進(jìn)行，析出速度也在減小，因而降低了電導(dǎo)率升高的速度。

沸點(diǎn)變化

沸點(diǎn)是考察冷卻液中防凍劑質(zhì)量和添加量的重要指標(biāo)之一。以乙二醇作為防凍劑的冷卻液，防凍劑（乙二醇）添加量越大，沸點(diǎn)越高，當(dāng)冷卻液中防凍劑（乙二醇）與水的添加比例確定后，冷卻液的冰點(diǎn)、沸點(diǎn)和密度基本也確定了。試驗(yàn)冷卻液沸點(diǎn)的變化趨勢如圖4 所示。

圖4 沸點(diǎn)的變化趨勢

由圖4 可以看出，行車試驗(yàn)過程中冷卻液的沸點(diǎn)出現(xiàn)波動，但整體呈現(xiàn)升高的趨勢，主要原因是行車試驗(yàn)過程中由于冷卻液中水分的蒸發(fā)，乙二醇含量升高，從而出現(xiàn)沸點(diǎn)升高的現(xiàn)象。

金屬元素含量

電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)主要是由黃銅、紫銅、ZL101A 鑄鋁、3003 鋁、4043 鋁和6063 鋁等材質(zhì)組成的，通過對冷卻液金屬元素的監(jiān)控，可以從側(cè)面了解冷卻液對金屬的保護(hù)情況。在整個行車試驗(yàn)中，通過每隔10 000 km 取樣監(jiān)測，試驗(yàn)用的冷卻液中鐵、鋁、銅等金屬元素含量均低于ICP 儀器的檢出限。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因，是試驗(yàn)用的低電導(dǎo)率冷卻液中緩蝕劑能夠有效減緩冷卻系統(tǒng)中鐵、鋁、銅等金屬的腐蝕，從而使得冷卻液中金屬離子含量很低。由此說明，試驗(yàn)用的低電導(dǎo)率冷卻液具有良好的金屬保護(hù)性能，能為電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)提供良好的保護(hù)。

結(jié)論

經(jīng)過10 個月的行車試驗(yàn)跟蹤，3輛試驗(yàn)出租車分別經(jīng)過100 000 km的行駛里程，通過行車試驗(yàn)驗(yàn)證了-40 ℃低電導(dǎo)率冷卻液的性能。從行車試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，-40 ℃低電導(dǎo)率冷卻液在整個行車試驗(yàn)過程中，冷卻液的pH值、電導(dǎo)率、冰點(diǎn)、沸點(diǎn)等理化指標(biāo)均在行車試驗(yàn)換液標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，金屬元素數(shù)據(jù)未出現(xiàn)明顯升高。這主要是因?yàn)?40 ℃低電導(dǎo)率冷卻液采用全新的有機(jī)非離子型緩蝕劑技術(shù)，能夠?qū)﹄妱悠嚴(yán)鋮s系統(tǒng)的銅、鋁及鋼等金屬材料提供全方位的緩蝕保護(hù)，同時又能有效抑制電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中非金屬材料中離子的析出。本次行車試驗(yàn)結(jié)果表明， -40 ℃低電導(dǎo)率冷卻液具有良好的低電導(dǎo)率保持能力，可以滿足電動汽車對冷卻液低電導(dǎo)率性能的要求。