液冷板在動力電池系統(tǒng)中的應用

隨著乘用車IP67的要求成為必須，動力電池系統(tǒng)可供選擇的冷卻方式范圍被嚴重收窄。在比較成熟的冷卻方式中，風冷除了想辦法與其他熱傳遞手段配合使用外，已經(jīng)基本被排除在乘用車電池包應用范疇以外。再加上特斯拉的示范效應，水冷不再是預研課題，而成了盡快商業(yè)化的重點。本文主要涉及動力電池液冷系統(tǒng)中的一個點，液冷板。前半部分液冷板基本知識，后半部分當前典型車型的液冷板應用形式。

液冷板，似乎并沒有什么統(tǒng)一的定義，我們僅就動力電池包的液冷板這個應用場景，給它下個定義，暫且這樣描述：動力電池系統(tǒng)中，電池工作產(chǎn)生多余熱量，熱量通過電池或者模組與板型鋁質(zhì)器件表面接觸的方式傳遞，最終被器件內(nèi)部流道中通過的冷卻液帶走。這個板型鋁質(zhì)器件就是液冷板。

對液冷板的一般要求

散熱功率大，能夠及時導出動力電池工作過程中產(chǎn)生的多余熱量，避免過量溫升的發(fā)生；

可靠性高，在道路車輛環(huán)境工作，振動、沖擊、高低溫交變環(huán)境，對多數(shù)產(chǎn)品都是比較嚴酷的工作條件，而動力電池電壓動輒幾百伏，冷卻液泄漏是個嚴重問題，即使你使用絕緣性能好的冷卻液，但遇到外部雜質(zhì)后，絕緣性能會立即降低，因此，冷板密封可靠性很重要；

散熱設(shè)計精準，避免系統(tǒng)內(nèi)溫差過大，這是出于鋰電池自身性能的要求，電池的性能和老化都與工作溫度密切相關(guān)；

對冷板的重量有嚴格要求，這來自于動力電池系統(tǒng)對能量密度的追求，嚴重拉低系統(tǒng)能量密度的冷卻系統(tǒng)，是客戶和設(shè)計者都根本無法接受的。

幾個液冷板產(chǎn)品示例

某廠家甲液冷板產(chǎn)品實例

液冷系統(tǒng)利用液體流動換熱系數(shù)較大的特性，依靠液體流動轉(zhuǎn)移高熱量，是目前最有效的散熱方式之一，可消散幾百瓦到上千瓦的熱量。該廠家標準管路液冷板通過放置冷卻液管，直接與被冷卻設(shè)備底板接觸，可以在設(shè)備和冷卻液之間減少熱交換介面的數(shù)量，從而維持最低熱阻，提高性能。

該廠家是根據(jù)液冷板的工藝類型對液冷板類型做劃分，主要有：真空釬焊式水冷板（Aluminum Vacuum Brazing Coldplate）、攪拌摩擦焊式水冷板（FSW Coldplate）、埋管式水冷板（Exposed Tube Coldplate）和深孔鉆/腔體式水冷板（Aluminum / Copper Plate Long Hole Drilled）等幾種液體冷卻方式。他們各自的優(yōu)缺點，可參照下表。

典型參數(shù)：

某廠家乙液冷板產(chǎn)品實例

這家是根據(jù)產(chǎn)品的最顯著特征對冷板類型做劃分的，共包括三種類型。

類型1，強調(diào)散熱性能。在流體路徑中采用翅片結(jié)構(gòu)，增加與冷卻液的接觸面積，從而提高了熱傳導性能。產(chǎn)品具有真空釬焊構(gòu)造，可提供定制化配置。

類型2，強調(diào)低壓降。液冷板采用專門制作的CNC銑削微流道，在底板上形成流體通道。在低壓降條件下，具有卓越的散熱性能，從而降低了流體循環(huán)系統(tǒng)的成本。

類型3，強調(diào)管路嵌入的結(jié)構(gòu)形式。將管材嵌入底板中，形成機械性能牢固的冷板。表面延伸液冷板采用更粗且布置更密集的管材增加面積，從而擴大與冷卻液接觸的表面積，進而提高熱傳導性能。

某廠家丙冷板產(chǎn)品實例

這種產(chǎn)品，整體重量較輕，但自身不能承重。

液冷板典型工藝

液冷板生產(chǎn)工藝對比一般的風冷散熱器來說更復雜，液冷散熱對于工藝上的可靠性要求較高，因而有較強的技術(shù)沉淀的廠家才能提供可靠的技術(shù)支持。一般的液冷板生產(chǎn)技術(shù)工藝有下面幾種。

埋管工藝

埋管工藝是用得最多的液冷散熱器液冷板的制作工藝，一般來說是鋁基板埋銅管，即將鋁基板用CNC加工銑槽，再采用沖壓機將已彎好形狀的銅管壓到鋁基板上，再進行釬焊焊接，然后進行后加工成水冷板。埋管式的液冷板一般有三種形式：一是淺埋管液冷板；二是深埋管液冷板；三是焊管工藝；四是雙面夾管工藝液冷板。三種形式的工藝都差別不大，加工的難度也是一樣的。有些原本是針對大功率開關(guān)器件設(shè)計的液冷原理，在動力電池冷卻系統(tǒng)中，也可以借鑒應用。

淺埋管工藝：適用單面安裝，銅管壓扁后與鋁板同時銑面，充分利于銅管高導熱性能帶走熱量，利用鋁的輕量化起到減重及成本控制作用。

深埋管工藝：填料為美國進口高導熱環(huán)氧樹脂，被冷卻器件溫差要求不高的情況下，可單雙面安裝，因銅管厚度沒有進行二次加工，且有填料保護可提供應用的安全性，特別適合冷媒為介質(zhì)的冷板使用。

焊管工藝：適合銅板+銅管的方式，以此降低板材厚度起到減重效果。

雙面夾管工藝：合兩面安裝器件，工藝簡單成本低；鋁板+鋁管&銅管&不銹鋼管。

型材+焊接

在型材的基礎(chǔ)上加工而成的液冷散熱器，此類散熱器形狀較多，有較多的種類，有板式，有通道式，有組合式的，大致的制作原理是在型材的基礎(chǔ)上進行加工及焊接，將型材與接頭管路組合成整體的液冷散熱器。

利用擠壓工藝將冷板流道直接成型，再通過機加方式打通循環(huán)，通常采用摩擦焊接、釬焊焊接等焊接工藝進行密封，此工藝生產(chǎn)效率高，成本低；不適用于散熱密度過大的應用，不適合表面太多螺絲孔而限制水道走向或降低可靠性的應用條件。主要應用于：動力電池水冷散熱加熱裝置、分水盒以及標準功率模塊一體化散熱產(chǎn)品。

機加工+焊接

水冷板采用機加的方式，內(nèi)部流道尺寸、路徑均可自由設(shè)計，適合功率密度較大、熱源布局不規(guī)則、空間受限的熱管理產(chǎn)品，主要應用于：風電變流器、光伏逆變器、IGBT、電機控制器、激光器、儲能電源、超算服務器等領(lǐng)域的散熱產(chǎn)品設(shè)計上，而在動力電池系統(tǒng)中應用較少。

微通道散熱器，也是一種結(jié)合機加工和焊接工藝制造而成的散熱器，它制作要比其他散熱器復雜，微通道散熱器一般用于散熱功率較大而且散熱較為集中的機器上，微通道的方式因為水道較寬而且較為均勻，能快速的帶走集中的熱量。但是微通道的液冷散熱器制作工藝也較為復雜，一般是采用機加工微通道，再用摩擦焊的工藝進行焊接，制作成本也較高。

壓鑄+焊接

壓鑄工藝是非常成熟且應用廣泛的成型方式，隨著新能源汽車的快速發(fā)展, 成為電機控制器、動力電池包托盤及散熱箱體成批量生產(chǎn)的首選方式，但需在工藝上控制壓鑄雜質(zhì)、氣孔等問題，保守采用密封圈方式或者采用摩擦焊焊接的方式，都需要在工藝上提高可靠性避免導致漏水問題。壓鑄成型再焊接，工藝控制良好，且制程穩(wěn)定，具備批量交付能力。除了摩擦焊焊接工藝，部分水冷板還會采用釬焊或真空釬焊的焊接工藝。

這類水冷板，可以與電池包壓鑄箱體結(jié)合到一起考慮，Audi Q7 PHEV下層水冷板就是這類用法。在前兩天的北京車展上，已經(jīng)看到了成型的樣品展示。

典型車型水冷板

在動力電池系統(tǒng)中，將熱量從電芯表面帶走的方式比較多，僅就作用范圍不同，可以劃分成集成在模組內(nèi)部的電芯級別水冷板和設(shè)計在模組外部的模組級別水冷板。下面是來自 “動力電池熱管理技術(shù)”公眾號的多張圖片，借以說明水冷板在實際案例中的應用形式。

模組級別水冷板

水冷板作為一個整體，同時作用在一個或者多個電池模塊上，水冷板作為整個電池包的組成構(gòu)件，而非電池模塊的構(gòu)件，我們就把它放在模組級別水冷板這個標題下面。

Audi Q7 PHEV 電池包

奔馳Smart Gen3電池包

Chevrolet Bolt 2017 電池包

Chevrolet Bolt 2017液冷板實物

寶馬i3 液冷系統(tǒng)

寶馬i3 液冷板實物

BMW i8的電池包和冷板

電芯級別水冷板

將水冷板或者導熱性能良好的介質(zhì)板材片材夾在電芯之間，成為模塊的一部分，以達到更好的散熱效果，這類我們放在模組內(nèi)部水冷板這個標題下面。

Volvo XC90 T8電池包模組爆炸圖

GMVolt模組結(jié)構(gòu)

GMVolt冷卻結(jié)構(gòu)

特斯拉Model S 模組

特斯拉圓柱電池水冷板專利說明

觀察應用案例我們可以看到：方形電池液冷系統(tǒng)，大多應用模組級別水冷板，并且一般放置在電池箱底部位置；軟包電池液冷，則是模組內(nèi)部集成小型水冷板的形式居多，也有模組中集成鋁板，模組外部再設(shè)置模組級別液冷板的形式；圓柱電池，以特斯拉為首的蛇形管是主要液冷散熱器形式。