汽車動力電池水冷板漏液問題分析

李暢，樊興銳，周俐光

1.湖南中車智行科技有限公司 湖南長沙 410006

2.湖南省多鉸鏈膠輪運輸系統工程技術研究中心 湖南長沙 410006

近年來，隨著能源和環境問題不斷惡化，新能源產業快速興起，以電能為動力的新型交通運輸工具發揮出越來越重要的作用[1]。客運電動汽車是一種中小運量的新型軌道交通車輛，正被應用于解決中小城市的公共交通擁堵問題[2]。

作為客運電動汽車主要動力源的電池是電動汽車性能提升發展的關鍵因素。然而在運行過程中，電池性能與溫度變化保持著較為緊密的關聯，溫度過高會極大影響電池的壽命與安全性，且作為大型運輸工具的客運電車必須要大功率和高集成度的動力電池系統支持，所以其散熱問題日益嚴峻。

因此，通過電池水冷系統使電池工作在合適的溫度范圍內、降低電池模塊的溫度差異凸顯出至關重要的作用。水冷板是水冷系統的關鍵部件，是一種單向流的液冷散熱器，通常采用的是高比強度、低密度的鋁合金[3]，主要用在大功率電子器件的底座，通過冷卻劑進行強迫對流換熱。水冷板如果出現故障或失效將會嚴重影響車輛的安全運行。為此，本文通過觀察腐蝕形貌、測定腐蝕產物和冷卻液成分的方法，針對客運電動汽車車電池包水冷板漏液問題開展了研究分析，并提出了相關解決方案和維護保養要求。

電池水冷板散熱的工作原理

水冷板是一種通過水流帶走熱量的板狀散熱裝置，如圖1所示。其工作原理是通過冷卻劑經過從冷到熱，再從熱到冷的反復循環，與外界交換，將電池產生的熱量帶出車輛[4]。水冷板的散熱功率大，能夠及時導出動力電池工作過程中產生的多余熱量，避免過量溫升的發生。通過實踐驗證，此方式能夠有效地提升冷卻效率并保證電池模塊的溫度均勻性。

圖1 水冷板主體結構

水冷板的設計不僅要考慮散熱功能，也要在給定的包絡空間內不與其他零部件產生干涉[5]。水冷板結構一般采用口琴管或沖壓板形式，本文主要對口琴管式水冷板進行研究。

口琴管式水冷板擁有如下性能特點[6]：

1）可靠性高。在道路車輛環境工作，即處于振動、沖擊、高低溫交變環境，對于多數產品都是在比較嚴酷的工作環境，而動力電池電壓動輒幾百伏，冷卻液泄漏是個嚴重問題[7]，即使使用絕緣性能好的冷卻液，在遇到外部雜質后，絕緣性能會立即降低，因此冷板密封可靠性很重要。

2）散熱設計精準，避免系統內溫差過大，這是出于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。

3）對冷板的重量也有嚴格要求，這是來自于動力電池系統對能量密度的追求，絕大部分采用的是輕質鋁合金。

水冷板的絕緣故障分析

1.存在的問題及臨時措施

四川宜賓某客運電車T5車輛在運營1年時間，并行駛了57 671km后報出電池包絕緣故障。在分析T5車絕緣故障包時，發現電池包內底部殘留少量冷卻液，對水冷板進行氣密性測試，測試結果顯示不合格，初步確定為該水冷板出現漏液導致絕緣報警。現場直接更換故障電池包之后，絕緣恢復正常，報警信號消失。

2.故障原因分析

首先對故障水冷板的標識、外觀和氣密性進行排查，發現故障件具備終檢及干試標識，說明檢驗測試均合格；其次，在水冷板表面觀察到有白色物質，但是沒有肉眼可見的漏點；最后，對水冷板的氣密性進行測試，設備發出報警，隨后涂抹泡沫水，連接處有氣泡冒出。以上現象說明水冷板是在運營過程中，因表面產生的細微小孔，導致水冷液泄漏，引起電池絕緣故障，最終使客運電車停運。

為準確找到產生小孔的原因，對電池包水冷板進行了拆解，同時針對泄漏原因進行了細致的分析。

（1）泄漏位置分析 由圖2顯示的宏觀圖可以得知，在口琴管與集流管焊縫處存在白色物質，且泄漏處的口琴管內側凸起。同時通過金相顯微鏡對漏點截面進一步觀察，漏點截面微觀圖（見圖3）顯示口琴管與集流管焊縫處存在不同程度的腐蝕，焊縫已出現明顯的缺口。

圖2 口琴管與集流管連接處的焊縫

圖3 焊縫顯微照片

另外，對其他部位的口琴管與集流管焊縫處也進行顯微觀察，發現同樣存在不同程度的腐蝕，而且同樣出現了缺口。此外，從進出口法蘭、口琴管內壁、集流管內壁以及管接內壁表面可以看出有輕微的腐蝕現象。綜上所述，通過對故障件外觀及水冷板的拆解分析，可以初步確認：造成水冷板漏液的原因為水冷板內部受到了腐蝕，腐蝕導致水冷板的焊縫位置出現了缺口。

（2）焊縫腐蝕原因 腐蝕原因可以從人、機、料、法、環五個角度分別進行分析。首先可以根據人員上崗資質、加工設備質量檢驗報告及計量有效期等排除人和機的影響因素。其次，可以從料、法、環角度分析故障可能產生的原因。

在原材料方面，如果焊接母材的材料不符合要求，也可能間接導致焊縫容易受到腐蝕，例如口琴管與集流管的材質不符，材料的耐腐蝕性能不達標。水冷板的芯材與釬焊層金屬分別選用的是AA3003和AA4343合金，為確認材料的成分含量在標準范圍內，采用ICP（電感耦合等離子體發射光譜儀）檢測材料的金屬成分含量，見表1。

表1 AA3003與AA4343鋁合金化學成分含量的實測值與標準值（%）

從表1中可知，AA3003與AA4343合金的金屬成分含量均在標準值之內，所以實測值滿足要求。其次，再通過SEM（掃描電子顯微鏡）的EDS（能譜儀）檢測故障件的口琴管、集流管以及焊縫的主要化學成分，如圖4所示。從得到的數據可知，口琴管、集流管與焊縫的主要成分是Al和Si元素，這與合金的設計成分相符。此外，經查詢材料的耐腐蝕性能試驗報告后，可得知耐腐蝕結果滿足要求。根據以上信息，可以排除原材料導致焊縫受到腐蝕的可能性。

圖4 白色沉淀物的SEM照片與能譜圖

第一，從制造過程的焊接方法上分析，會對焊縫質量產生影響的風險因素有釬焊工藝參數和釬劑濃度。通過查閱釬焊的工藝參數記錄，并與標準值進行比對，可得知釬焊的技術參數符合要求，所以焊接方法滿足要求，不會對焊縫質量產生影響。

其次，在水冷板的應用環境方面，只有防凍液與水冷板充分接觸，可以試圖推測防凍液對焊縫造成了腐蝕。先通過EDS檢測焊縫處白色沉積物的元素成分，判斷是否由冷卻液腐蝕產生。由圖4可知，呈白色的沉積物的主要成分為O、Na、P、Al；而P元素只能是來自于冷卻液中的含磷添加劑，說明腐蝕物質是由冷卻液帶來的。另外，發現沉積物中含有較高的Cl元素，而Cl-是一種強腐蝕性的離子，離子半徑小，穿透性強，容易穿過膜層，置換氧原子形成氯化物，加速陽極過程的進行。

據相關實驗結果表明[8]，Cl-1吸附在防銹鋁氧化膜表面，會對氧化膜表面進行破壞，隨著Cl-1濃度增加，防銹鋁的腐蝕加劇，耐腐蝕性能降低，因此可以合理地推斷出導致腐蝕的主要原因為Cl-。為進一步證實冷卻液中Cl-超標導致腐蝕的推斷，采用離子色譜儀和數顯溫控電熱板檢測故障件中冷卻液的陰離子含量，如圖5所示。

圖5 Cl-1離子含量的國標與實測值

從圖5可知，冷卻液中的Cl-離子含量嚴重超標，國標要求Cl-1含量≤60mg/L，而實測冷卻液中Cl-1含量為1070mg/L。除此之外，對線上運營的T4、T7和T9車輛進行測量（見圖6），結果顯示其Cl-1含量分別是649.78 mg/L、532.32 mg/L和582.62 mg/L，所以綜合上述可以得出結論：冷卻液中Cl-1超標導致了故障件腐蝕泄漏的發生。

圖6 T4、T7和T9的Cl-1含量

（3）腐蝕機理 根據上述分析可知，沉積物中有含量較高的P元素，只有冷卻液中存在，所以判斷沉積物的主要來源是冷卻液中的磷化物。當這些水垢在口琴管和集流管連接處沉積時，使得冷卻液在金屬表面的流動和電解質的擴散受到限制，同時Cl-會在縫隙處聚集，隨著Cl-濃度升高，Cl-1對氧化鋁產生的破壞作用增強，材料的耐腐蝕性能嚴重下降，點蝕出現，同時促進了垢下的縫隙加速腐蝕。例如橡膠管連接的接管以及帶密封圈的法蘭，這些都會產生縫隙，而縫隙則會加速腐蝕。局部腐蝕發生的電化學反應式如下[8～11]。

雜質外的電極反應

O2+2H2O+4e→40H-（陰極）

雜質下基體金屬發生溶解

Al→Al3++3e（陽極）

總反應式

3O2+6H2O+4Al→4Al(0H)3

由圖7中可以看出，Al基體被腐蝕成Al3+離子，腐蝕產物的體積比鋁合金基材要大，會撐開鋁合金基材，擴大與冷卻液的接觸面積，產生更多的點蝕坑。

圖7 鋁合金腐蝕的基本機理

結果驗證與解決措施

上述的研究表明，冷卻液中的Cl-濃度超標，從而導致焊縫受到腐蝕。針對冷卻液的問題，首先需要了解供應商提供的冷卻液是否符合標準，其次是探究Cl-濃度增加的原因，以及進行后續的解決措施。

圖8所示為倉儲的冷卻液、供應商美孚和車瑞提供的兩種冷卻液原材料，以及T3車冷卻液的Cl-1濃度。由圖8可知，美孚和車瑞冷卻液的Cl-1濃度為9.24mg/L和5.37mg/L，倉儲冷卻液的Cl-1濃度為43.96mg/L，而隨機抽取的T3車冷卻液Cl-1濃度為1261.22mg/L。國標規定Cl-1濃度不能大于60mg/L，通過對比可知供應商提供的原材料符合要求，而倉儲和T3車的冷卻液嚴重超標，說明Cl-1離子濃度是在儲存和車輛運營過程中增加的。

圖8 原材料與宜賓T3車輛的Cl-1離子測量值

經過分析證實原材料屬于合格品，現需要探討Cl-1離子濃度增加的主要原因。

首先，觀察到泵送裝置發生了嚴重的銹蝕，通過現場觀察及合理推論，這是由于在儲存過程未密封保存，同時在儲存和維保中往冷卻液里混入了未經處理的硬水（包括自來水），帶入了氯化物等有害物質造成。

其次，水冷板內未排除或殘留舊的冷卻液，沒有徹底清潔水冷板并更換冷卻液，以及可總結前人的研究得出推論，循環冷卻系統對外熱交換，主要通過冷卻液在管路中蒸發帶走熱量，形成蒸氣后，與外界交換熱量后又冷凝成液體，經過反復冷熱循環，冷卻液會不斷濃縮，導致各種離子和雜質逐漸集聚在循環系統中，各種腐蝕性離子和雜質濃度逐漸增高而導致設備結垢和腐蝕。

針對C l-1濃度增加的原因，通過查閱相關資料[12～14]，以及綜合維保手段，有以下解決措施：

1）改善儲存條件，在密封和避光的條件下儲存，防止氧化和變色。

2）在每次加注冷卻液前，徹底清洗水冷板，防止舊冷卻液殘留。

3）在運營過程中，根據使用要求，定期、定里程更換冷卻液。

4）禁止往冷卻液加入自來水等未經處理的水污染冷卻液。

5）防止不同型號的冷卻液混合使用，一輛車只能使用同一種牌號、規格、型號的冷卻液。

結語

電池水冷系統是確保客運電車正常行駛的關鍵設備，無論是對于制造商還是維保單位，均應嚴格按照操作規程操作，以利于動力電池設備安全正常有序運行。

本文在介紹水冷板結構原理的基礎上，通過故障分析，確定了水冷板漏液問題的產生原因為Cl-1離子濃度超標，并提出了相關解決措施。文中所述的解決措施已在運營現場的客運電車上進行了整改，且細化了維保要求，逐漸推廣到其他運營城市，取得了良好的應用效果，提高了公共中運量電車的品質，保障了電車的正常運行秩序。