一種乙二醇型低電導(dǎo)率冷卻液的性能研究

王娟 楊操 史瑩飛 劉為民 趙康 高珍琪

江蘇龍蟠科技股份有限公司

截止到2023 年6 月底，我國汽車保有量為 3.28 億輛，其中95.1%為燃油車，目前我國已成為全球最大汽車產(chǎn)銷國。交通運(yùn)輸行業(yè)是我國第三大碳排放行業(yè)，在“雙碳”背景下，國家大力發(fā)展新能源汽車。國務(wù)院印發(fā)了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》，提出到 2025 年，新能源汽車新車銷售量達(dá)到汽車新車銷售總量的 20% 左右，至 2035 年，純電動汽車成為新銷售車輛的主流[1,2]。為了實現(xiàn)新能源汽車的快充、長久續(xù)航，國內(nèi)外主流車企目前紛紛布局 800 V 高壓平臺架構(gòu)，系統(tǒng)可在高電壓下短時間內(nèi)完成大功率充電，充電體驗接近于燃油車加油[2,3]。系統(tǒng)電壓的大幅提升，將對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)所使用的冷卻液提出更高的安全性要求。目前大部分電動汽車使用的冷卻液為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)冷卻液（電導(dǎo)率在2 000 μs/cm 以上），一旦泄漏到未經(jīng)絕緣保護(hù)的電路板、電連接器上時，可能造成電子器件短路失效，設(shè)備損壞，甚至導(dǎo)致三電系統(tǒng)熱管理失效，以至于電池出現(xiàn)高溫失控、電池起火或者爆炸[4,5]。低電導(dǎo)率冷卻液因為電導(dǎo)率降低，電阻增大，電動汽車三電系統(tǒng)相比傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)冷卻液明顯降低泄漏后因短路導(dǎo)致系統(tǒng)故障乃至失效的概率。

新能源汽車?yán)鋮s液泄漏風(fēng)險的主要控制方法是提升冷卻液對電池水冷板、散熱器、油冷器、水管、密封件等零件的保護(hù)性能。新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車?yán)鋮s液系統(tǒng)在系統(tǒng)中涉及的金屬材料有較大的差異，鋼、鑄鐵等黑色金屬是內(nèi)燃機(jī)汽車總發(fā)動機(jī)及其冷卻系統(tǒng)的主要金屬材料，新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中鋼、鑄鐵等則相對減少，3、4、6 系等變形鋁材是電池水冷板的主要材料，變形鋁材料在新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的用量增大。新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)水管材料、密封件中橡膠材料除了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)冷卻液系統(tǒng)中使用的三元乙丙橡膠以外，還會涉及到硅橡膠、氟橡膠等。因此，新能源冷卻液對于金屬緩蝕性能以及橡膠件兼容性也需要區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)冷卻液相關(guān)性能要求。關(guān)于冷卻系統(tǒng)中的樹脂材料的與冷卻液的兼容性測試在冷卻液的國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均未涉及到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，故本研究不涉及。

新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液是一款專門應(yīng)用于純電動汽車三電系統(tǒng)的間接冷卻的低電導(dǎo)率冷卻液，本文對這款低電導(dǎo)率新能源冷卻液理化性能、金屬緩蝕性能以及非金屬材料的兼容性能進(jìn)行了評價，考察低電導(dǎo)率新能源冷卻液在新能源汽車中應(yīng)用的可行性。

試驗部分

試驗材料

非金屬材料包含三元乙丙橡膠、硅橡膠、氟橡膠；金屬材料包含紫銅、黃銅、304 不銹鋼、3003 鋁合金、4043 鋁合金、6063 鋁合金。

試驗儀器

自動密度儀DMA4100M，安東帕中國有限公司；冰點儀DFYF-172A，大連分析儀器廠；沸點儀DFYF-177，大連分析儀器廠；泡沫傾向儀DFYF-178，大連分析儀器廠；pH 計FE28，梅特勒托利多；電導(dǎo)率儀FE30，梅特勒托利多；發(fā)動機(jī)冷卻液腐蝕性能測定器ST0085-6，武漢研潤科技發(fā)展有限公司；發(fā)動機(jī)冷卻液鑄鋁合金腐蝕設(shè)測定器ST0620-1，武漢研潤科技發(fā)展有限公司；烘箱，上海翰強(qiáng)儀器設(shè)備廠，HHG-9140A；硬度計RLD-770，上海哈德尼斯精密儀器有限公司；萬能材料試驗機(jī)，東莞市昆侖檢測儀器有限公司。

試驗方法

理化性能

密度、冰點、沸點、pH 值、儲備堿值、泡沫傾向、灰分、對有機(jī)涂料的影響均等同于GB 29743.1—2022 中的檢測方法。電導(dǎo)率按照GB/T 6908 中規(guī)定測定。

使用性能

◇鑄鋁合金傳熱腐蝕按照SH/T 0620 中規(guī)定測試。

◇玻璃器皿腐蝕：將7 種典型金屬試片（紫銅、黃銅、304 不銹鋼、鑄鋁、3003 鋁合金、4043鋁合金、6063 鋁合金）完全浸沒在750 mL、空氣流量為100 mL/min±10 mL/min 的試樣中，冷卻液原液在88 ℃±2 ℃，試驗336 h±2 h，試驗結(jié)束后取出試片，經(jīng)清潔處理后對試片進(jìn)行稱重，以試片試驗前后質(zhì)量變化值評價腐蝕。

◇模擬臺架腐蝕：試樣在由貯存器（不銹鋼）、水泵、散熱器及橡膠管所組成的封閉系統(tǒng)中，冷卻液原液在88 ℃±2 ℃和1.3 L/s～1.6 L/s 循環(huán)1 064 h，其抗腐蝕性能由貯存器內(nèi)裝有三電系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)所使用的7 種典型金屬試片（紫銅、黃銅、304 不銹鋼、鑄鋁、3003 鋁合金、4043 鋁合金、6063鋁合金）的失重和目測各部件內(nèi)表面的狀態(tài)而確定。試樣的性能變化由在試驗周期內(nèi)定期對從系統(tǒng)中采取的試樣進(jìn)行分析來確定。

◇電池水冷板循環(huán)腐蝕：將水冷板連入循環(huán)管路進(jìn)行測試，測試溫度90 ℃±2 ℃，冷卻液流量1.3 L/s ～1.6 L/s，使用低電導(dǎo)率冷卻液進(jìn)行循環(huán)，每運(yùn)行76 h 后停機(jī)8 h（為1 循環(huán)）。共進(jìn)行14 個循環(huán)試驗，結(jié)束后取樣測試pH 值、電導(dǎo)率、鋁元素含量，循環(huán)后觀察水冷板的外觀有無變化。

◇橡膠材料兼容性能：將橡膠件（三元乙丙橡膠、硅橡膠、氟橡膠）完全浸沒在750 mL 的冷卻液試樣中，在88 ℃±2 ℃試驗168 h±2 h，試驗結(jié)束后取出試片，經(jīng)清潔處理后對試片進(jìn)行變化值評價，以試片試驗前后性能變化值評價非金屬材料與冷卻液的兼容性能，橡膠材料（三元乙丙橡膠、硅橡膠、氟橡膠）的具體方法參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1690 測試質(zhì)量、體積、硬度和斷裂伸長率等性能。

結(jié)果與討論

理化性能

新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液的理化性能對照GB 29743.1 中LEC-Ⅱ-40 要求，新增特殊性指標(biāo)為電導(dǎo)率＜100 μs/cm，其他的性能與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)冷卻液的性能要求一致。通過密度、冰點、沸點指標(biāo)說明，新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液是一種以乙二醇為防凍劑的冷卻液，并且具備防凍、防沸的功能。新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液的理化性能見表1。

表1 新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液理化性能

使用性能

金屬緩蝕性能測試

區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)黃銅、紫銅、鑄鋁、焊錫、鑄鐵和鋼6 種金屬，鑄鋁、黃銅、紫銅、304 不銹鋼、3003 鋁合金、4043 鋁合金、6063 鋁合金是電動汽車中的典型金屬種類，因此新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液在腐蝕測試中的金屬試片種類相比SH/T 0088 或SH/T 0085 有明顯的差異。通過鑄鋁傳熱腐蝕測試、玻璃器皿腐蝕測試、模擬臺架腐蝕測試考察新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液的金屬緩蝕性能，測試結(jié)果見表2。

表2 新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液的金屬緩蝕性能

純電動汽車三電冷卻系統(tǒng)的溫度低于內(nèi)燃機(jī)汽車?yán)鋮s液系統(tǒng)，本文中鑄鋁傳熱腐蝕測試、玻璃器皿腐蝕測試、模擬臺架腐蝕測試性能的測試溫度參考燃油車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB 29743.1 《機(jī)動車?yán)鋮s液 第1 部分：燃油汽車發(fā)動機(jī)冷卻液》，主要是因為高溫是影響腐蝕的重要因素，通過強(qiáng)化溫度可更好地考察冷卻液對金屬的緩蝕性能。由表2可以看出,新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液對純電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中冷卻液接觸到的金屬有優(yōu)異的保護(hù)性。

電池水冷板循環(huán)腐蝕測試

水冷板液冷是電池冷卻的主要方式，冷卻液對水冷板保護(hù)效果直接影響水冷板漏液的風(fēng)險，因此需要進(jìn)行冷卻液與電池水冷板兼容性測試，即電池水冷板循環(huán)腐蝕測試。新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液與電池水冷板在90 ℃±2 ℃運(yùn)行1 064 h后，水冷板的外觀無變化，無漏液發(fā)生。新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液的電導(dǎo)率、pH 值隨運(yùn)行時間的變化如圖1 和圖2 所示。

圖1 新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液的電導(dǎo)率隨運(yùn)行時間的變化趨勢

由圖1、圖2 可以看出，隨著運(yùn)行時間的增加，新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液的pH 值呈略下降的趨勢，最終降低到7.26 左右；運(yùn)行之后電導(dǎo)率有上升的趨勢，之后在整個運(yùn)行過程中穩(wěn)定在85～90 μs/cm之間。對運(yùn)行后的冷卻液，通過電感耦合等離子光譜法（ICP）方法測試鋁元素含量，結(jié)果為未檢出。因此，新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液對電池水冷板有優(yōu)異的保護(hù)性，并且長期運(yùn)行后pH 和電導(dǎo)率穩(wěn)定性高。

橡膠材料兼容性測試

新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液橡膠兼容性能測試結(jié)果見表3。

表3 新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液橡膠兼容性能

由表3 可以看出，新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液對于三元乙丙橡膠、硅橡膠等非金屬件的兼容性能符合NB/SH/T 6047—2021《電動汽車?yán)鋮s液》標(biāo)準(zhǔn)中的質(zhì)量指標(biāo)要求。因此，新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液對于純電動汽車中冷卻液接觸到的三元乙丙橡膠、硅橡膠等非金屬材料有優(yōu)異的兼容性能。

結(jié)束語

因為電動汽車低電導(dǎo)率冷卻液目前沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，目前國內(nèi)外對電動汽車汽車專用冷卻液研究相對較少，市面純電動汽車大多數(shù)采用傳統(tǒng)燃油車用冷卻液。電動汽車新能源汽車低電導(dǎo)冷卻液通過電導(dǎo)率的降低可以有效提升冷卻液泄漏后的安全性能。新能源汽車低電導(dǎo)率冷卻液具有優(yōu)良的理化性能、優(yōu)異的金屬緩蝕性能以及非金屬材料的兼容性能，說明其在新能源汽車的水冷系統(tǒng)中應(yīng)用具備可行性。該產(chǎn)品若要替代燃油車?yán)鋮s液在電動汽車上廣泛使用，還有待更加完善的驗證以及應(yīng)用經(jīng)驗的積累。