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新能源汽车动力电池水冷板的设计开发
邓善庆
广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东省广州市 511434
摘 要： 随着新能源汽车动力电池的能量密度和功率密度越来越高，电池充放电倍率较大，电池发热量也随之增大。
传统的电池散热方式如自然冷却或者风冷已经不能满足要求，水冷散热逐渐成为主流的散热方式，水冷板的设计开发是电池pack 集成设计的一个重中之重。阐述了动力电池水冷板的设计开发过程，包括功能分析，结构形式，生产工艺，质量检验和试验验证。
关键词：动力电池；散热；水冷板
1　引言
新能源汽车是指采用常规车用燃料以外的能量源作为动力来源（或使用常规的车用燃料，但采用新型车载动力装置），综合车辆的能源控制和驱动控制的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车[1]。开发实时高效热管理系统，保障电池组温度处于最佳工作温度区间(25℃～40℃)和单体间的最大温差不超过5℃，对于动力电池组性能的保障具有重要意义。热管理的方式有：（1）自然冷却，如使用磷酸铁锂电池的BYD 秦、唐和宋；（2）被动式风冷，如DS5 HEV；（3）主动式风冷，如日产e-NV200(2014)和日产聆风等；（4）水冷，如广汽Aion S 和特斯拉Model 3等。水冷散热的引入作为动力电池热管理方式，实践验证，此方式有效地提高冷却效率和保证电池模组温度均匀性。
2　水冷板设计输入分析
水冷板的设计不仅需要考虑散热功能，也要在给定的包络空间内不与其他零部件发生干涉。一般水冷板的设计需要考虑电池模
组种类、电池发热量、电池最高承受温度、电池允许最大温差、电池模组数量、水冷板布置位置、界面材料、入水温度、入水流速和水侧压降等。
3　水冷板结构形式
水冷板结构一般采用口琴管或冲压板形式。口琴管形式的水冷板包括管路，进口接头，出口接头，集流体，定位支架，口琴管，如图1所示。
氮气作为保护气体，传统换热器如发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、暖风芯体、中冷器、油冷器等钎焊式换热器均在此种隧道炉生产，工艺成熟稳定。水冷板的生产工艺过程包括部件加工、装配组装、脱脂、喷钎剂、
干燥、钎焊、冷却和检验，如图2所示。
5　水冷板质量检验
水冷板完成钎焊出炉后，需要根据质量检验操作指导书进行检验，检验内容有（1）气密性检测，根据不同整车厂要求，可采用
氦检或者水检，测漏压力一般为3bar，测漏时间60s，泄露率小于2cc/min。泄漏的不良品需要水检查泄露点，分析问题产生的原因并落实纠正预防措施；（2）爆破测试，每炉钎焊成品都需要做一定样本量的爆破测试，来衡量产品是否存在虚焊、过焊或者焊穿等缺陷，需要达到整车厂规定的最小爆破压力值；（3）尺寸检验，需要制作专门的检具，
测量水冷板的平面度、位置度、垂直度以及一些重要的尺寸，并由质量检验员出具出货
报告。所有安装到实车上的车身、内外饰模块的定位基准、安装基准按照GD&T
图纸信
图1　水冷板
4　水冷板生产工艺
水冷板采用可控气氛隧道炉生产，采用
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息进行设计，以保证基准的统一性[2]。产品零件在车体模块上安装时的定位孔、定位面等应与车身实际状况一致[3]。
6　试验验证
水冷板要完成设计认可开发，顺利进入量产，需要做一系列测试验证，包括气候环境类、机械强度类、耐久类和安全法规类试验验证。
6.1　气候环境类测试
气候环境类测试主要考核水冷板在不同温度、湿度和酸盐环境等的耐受程度，电池在充放电过程中，随着环境温度的升高，电池外表的散热速度减慢，电池的温度也会逐渐升高。主要有以下这几个测试：（1）换热性能测试，基于给定一定的水冷板入口水温、入口流速、环境温度和湿度，利用电池模拟器来进行水冷板液侧换热量测试，同时关注电池温度变化情况和温差；（2）耐高温测试，基于不同整车厂的要求进行测试，如+80摄氏度持续360小时；（3）耐低温测试；（4）内外部腐蚀测试，包括中性、酸性和碱性。
6.2　机械强度类测试
机械强度类测试主要考核水冷板对于来自内部和外部的机械冲击的耐受程度。主要有以下这几个测试：（1）爆破测试；（2）
耐压测试；（3）振动测试；（4）冲击测试。
6.3　耐久类测试
耐久类测试主要考核水冷板疲劳耐久可靠程度，满足一定的质保周期和设计寿命周
期，提前发现潜在失效点，并进行设计优化。主要有以下这几个测试：（1）压力脉冲循环测试，基于不同整车厂的要求，给定一定的高压压力和低压压力、一定的入水温度和环境温度、脉冲频率和循环周期进行测试；（2）温度交变循环测试；（3）老化测试。
6.4　安全法规类测试
因水冷板位于电池pack 内，需要满足一定的安全法规要求。此类测试一般包括：（1）可燃性要求，主要是针对非金属的零部件，如水冷板的管路和密封胶圈等，须满足UL94相关燃烧等级要求；（2）等电位连接要求，因电池是高压带电体，整车厂一般有要求水冷板需要有等电位连接；（3）IP67要求，整个电池包需要满足IP67要求；（4）禁用物质要求，水冷板需要满足CAMDS 或IMDS 关于禁用物质要求，并在有资质的测试机构进行测试，且在CAMDS 或IMDS 进行申报；（5）GB/T 要求，另外水冷板还需要连同整个电池包一起完成GB/T 要求的相关测试。
7　结束语
电池温度过高和温差过大不仅对电池性能寿命有很大影响，而且也会存在安全风险。本文从功能分析，结构形式，生产工艺，质量检验和试验验证这几个方面阐述新能源汽车动力电池水冷板的开发设计验证过程，产品通过质量检验、气候环境类测试、机械强度类测试、耐久类测试和安全法规类测试，
保证水冷板在开发过程中能兼顾各方面考虑，满足整车设计寿命和性能目标。
参考文献:
[1]谭晓军.电动汽车动力电池管理系统设计[M]. 广州：中山大学出版社，2016.[2]王浩.整车匹配检具的设计开发[J]. 装备制造技术，2019（3）：99-99.
[3]侯军，杨 智，代丕云.CUBING 开发与应用[J].
科技创新导报，2014（31）：69-69.
作者简介
邓善庆： （1985.07—），男，汉族，广东肇庆人，
大学本科，机械初级，新能源汽车热管理。
图2　生产工艺示意图
脱脂
入炉脱脂喷钎段钎焊段冷却出炉段
喷钎剂
干燥
钎焊
室温
中温高温