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水冷板冷却液溢出问题研究

   次浏览   电动学堂   2021-01-04

1 基于液冷电池热管理基本原理


液冷板作为冷却系统的重要组成部件,由于其位置的特殊性,冷却板成为设计过程中的重中之重。液冷板设计不仅需要保证与电芯充分接触,同时考虑液冷板的耐久腐蚀性问题,因此液冷板的材料选择往往成为设计中需要考虑的重要因素。

 

铝合金是一种导热性好、密度低、强度高的金属,因此在动力电池系统中常常被用做液冷板材料以用于电池内部的散热。乙二醇溶液作为一种主流的冷却液,具有比热容高、冰点低、流动性强和应用成熟的特点,不仅广泛用于发动机冷却系统,也被用在新能源汽车的热管理系统上,原则上铝合金和冷却液之间不会发生明显的反应。

 

然而在测试匹配不同接头与液冷板耐久时发现部分试验样品出现了气泡。针对此现象,通过试验的方法对其进行研究,从结果统计的角度总结了反应发生的规律并对其反应原理进行了探究和分析。

 

2 试验目的及试验过程

2.1 试验简介


本文关于冷却液的研究以微观成分检测为导向,通过宏观观察来和试验来对问题进行研究。试验主要围绕冷却液,开展不同材料液冷管与接头焊接,如表1所示。



2.2 问题及试验过程


对静置的试验台架进行长期观察,发现其中一批试验样品出现气泡。怀疑液冷板内部可能产生气体,转动水泵,有气泡随着冷却液运动。取冷却液中气体样品。从表2 可以看出,气体成分异常,其成分主要是氢气、一氧化碳和烷烃;从表3中可以得知,冷却液PH 值异常上升,且有硅析出。考虑到氢气属于异常成分和化学反应的可行性,因此从氢气的产生的原因开展试验。



考虑不同冷却液成分的影响,采用其他厂家的冷却液,其主要成分都是乙二醇,且冰点都是-45℃。进行冷却板验证。选取10根液冷板置于工装上并向其中先灌入不同冷却液进行验证,分别静置观察一周。结果发现不同冷却液产气效果也不同,说明冷却液不是产生氢气的重要原因。

 


图1 不同冷却液加入液冷板试验

 

将液冷板的铝板和接头分别置于问题冷却液中观察,同时在另一个容器中放入焊丝加入冷却液,发现无气体产生。静置一个月,发现液位无变化,因此可以确认单独液冷板或单独的接头以及焊环都不与冷却液发生反应。


为了进一步判断气体产生的位置,考虑问题出在焊接后的焊料。首先采用胶封的方式对液冷板及其接头进行连接,并在其中灌入冷却液,在35℃的环境舱中静置观察,发现冷却液并未出现上升,可以断定气体产生位置在焊接处。


图2 封胶方式试验

 

改变助焊剂材料,使用含银焊环对液冷板和接头进行焊接,共得到6 根液冷板,在其中加入冷却液,发现部分液冷板中的冷却液出现上涨,说明选择含银助焊剂后出现冷却液上涨问题。



图3 含银液冷板冷却液上涨情况

 

考虑液冷板材料的问题,更换不同材料液冷板,共选择14 根置于工装灌入问题冷却液置于35℃的环境舱进行观察一周。发现冷却液的液位长期保持不变,后续隔两周后进行观察发现液位上涨趋势仍保持不变。因此可以说明3 系铝材料与乙二醇冷却液之间的相容性较好,具有更强的抑制气体产生的效果。

 

从试验的结构可以看出,接头与液冷板选用相同的材料对抑制冷却液液位上涨起到较为明显的效果,但未能从根本上解决产气问题。

 


图4 3系材料试验

 

3 溢出原理及可能性分析

 

根据以上描述可以得知,冷却液产生气泡是由于接头与液冷板选用不同材料所致,而产生气体的原因涉及微观化学反应原理,难以通过宏观试验获得,且相关文献少,无法精准判断反应过程。

 

然而在所查阅的文献中,依然存在许多与此现象有联系的化学反应原理,下面将对文献中涉及到的可能导致产气反应的原理进行陈述,并结合试验结果对这些原理在本试验中的适用性进行分析。

 

3.1 冷却液溢出原理概述

3.1.1 液冷板与接头之间形成宏电池

 

常见的电偶序为:镁、锌、铝、低碳钢、Cr13/Cr17、黄铜、青铜、Cr17 不锈钢、Cr18不锈钢(纯态)、锈钢(纯态)、银、钛、铂。在使用含银助焊剂后,通过观察可以看到冷却液液位涨幅度远高于使用原助焊剂材料的上涨情况,这可能是因为助焊剂含银,是电位较正的贵金属,而其周边以铝为主的液冷板便成为了贱金属,腐蚀速度加快。

 

因此以铝为主的液冷板作为阳极金属加速腐蚀,而以银为主的助焊剂作为阴极金属则被保护,在此过程中反应产生气体。

 

3.1.2 铝和乙二醇之间反应生成气体

 

乙二醇本身具有腐蚀金属的性质,因此在用作冷却液的过程中,会加入相应的添加剂防止铝合金腐蚀。尽管如此,仍不能排除两者之间反应产生气体。问题车辆上所使用的冷却液主要成分为50%的乙二醇和50%的水,而铝在水中的反应方程式主要为:

 


铝在使用的过程中,其表面接触氧气容易生成氧化铝薄膜,该反应有利于阻止铝与乙二醇的直接接触,阻止乙二醇和铝发生反应,而乙二醇与铝发生反应生成的是醇化铝,醇化铝也是一种钝化膜,其钝化性质不如铝,但也可以在一定程度上阻止两者之间的化学反应。该化学反应方程式如下:

 

当液冷板内部界面上的O2 耗光后或乙二醇以较强的吸附作用吸附在液冷板表面,液冷板表面会优先形成铝-醇相的钝化膜。铝-醇相钝化膜取代氧化铝钝化膜对基体起保护作用,但铝-醇相相较于氧化铝更不致密,铝-醇相比例的增加会降低点蚀发生的倾向,延长点蚀孕育期,因此上述反应只会在反应初期进行。

 

3.1.3 氟铝酸钾助焊剂与乙二醇反应


液冷板的基体材料的内部代号是9 系铝合金,并使用铝硅镁作为焊料进行焊接,从而形成多个流道。在焊接过程中,焊接处很容易产生重熔产物,且钎料的厚度越厚越多产生情况越明显。根据文献,产生氢气的水冷管相比于未产生氢气的水冷管,其在焊接区、底版区以及焊接区的外表面比较粗糙,在元素分析的过程中可以发现明显的硅偏析现象,而未产生氢气的水冷管的翅片区则比较光滑,翅片上硅含量较少,与母材的硅含量接近。因此可以认为,产气现象与硅偏析往往是伴随产生的,该现象可能导致产气现象的差异和管道内压力的增加。


3.2 冷却液溢出原理可能性分析

 

对于宏电池的说法,由于液冷板与接头和焊料材料之间存在着差异,因此焊接处可能发生电化学反应从而生成氢气,这是有可能的,正因如此在使用3 系铝合金替代9 系铝合金的试验中,产气现象得到了明显改善。

 

对于铝和乙二醇之间发生反应产生气体的说法,该说法不能作为主要的产气原因。虽然铝合金醇化反应和乙二酸腐蚀反应会产生气体,但是一方面冷却液中有抑制剂抑制腐蚀,另一方面醇化反应不可持续,乙二酸腐蚀是长期氧化的结果,都与短期的试验结果不符,因此该反应不是问题的主要原因。

 

对于氟氯酸钾助焊剂与乙二醇之间反应导致气体产生的观点,即产气现象与硅偏析现象之间有着密切的联系。该现象与当前所遇到的问题最为接近,但也是只有现象而无具体的化学反应原理。因此若要进行进一步研究,则可以通过探究硅偏析现象的来源从而找到问题和原理。

 

4 结论

 

针对液冷板产气现象,前后分别进行了部件级验证。发现液冷板产气现象在当前使用的产品中是不可避免的,因此只能采取抑制产气的措施来保证电池热管理系统的正常运行。

 

不考虑液冷板的结构因素,产气位置主要在液冷板焊接处,因此在液冷板生产的过程中必须对其进行严格的验证从而杜绝产气现象产生;从原理角度,认为产气现象可能与形成宏电池、液冷板与冷却液间发生化学反应和硅偏析现象有关联。其中氟铝酸钾助焊剂焊接后与乙二醇冷却液之间发生的硅偏析现象与产气现象之间的关联程度较高。

 

因此可以针对焊接部分,通过改善焊接材料成分、调整冷却液添加剂成分和改变助焊剂成分和焊环厚度三方面来对液冷板产气现象进行改善。


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