液冷板在動力電池系統中的應用

隨著乘用車IP67的要求成為必須，動力電池系統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，而成了盡快商業化的重點。本文主要涉及動力電池液冷系統中的一個點，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：動力電池系統中，電池工作產生多余熱量，熱量通過電池或者模組與板型鋁質器件表面接觸的方式傳遞，最終被器件內部流道中通過的冷卻液帶走。這個板型鋁質器件就是液冷板。

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生的多余熱量，避免過量溫升的發生；

可靠性高，在道路車輛環境工作，振動、沖擊、高低溫交變環境，對多數產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；

散熱設計精準，避免系統內溫差過大，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；

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

幾個液冷板產品示例

某廠家甲液冷板產品實例

液冷系統利用液體流動換熱系數較大的特性，依靠液體流動轉移高熱量，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，直接與被冷卻設備底板接觸，可以在設備和冷卻液之間減少熱交換介面的數量，從而維持最低熱阻，提高性能。

該廠家是根據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。他們各自的優缺點，可參照下表。

典型參數：

某廠家乙液冷板產品實例

這家是根據產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，強調散熱性能。在流體路徑中采用翅片結構，增加與冷卻液的接觸面積，從而提高了熱傳導性能。產品具有真空釬焊構造，可提供定制化配置。

類型2，強調低壓降。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系統的成本。

類型3，強調管路嵌入的結構形式。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。

某廠家丙冷板產品實例

這種產品，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，因而有較強的技術沉淀的廠家才能提供可靠的技術支持。一般的液冷板生產技術工藝有下面幾種。

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器件設計的液冷原理，在動力電池冷卻系統中，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，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品。

機加工+焊接

水冷板采用機加的方式，內部流道尺寸、路徑均可自由設計，適合功率密度較大、熱源布局不規則、空間受限的熱管理產品，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、超算服務器等領域的散熱產品設計上，而在動力電池系統中應用較少。

微通道散熱器，也是一種結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的首選方式，但需在工藝上控制壓鑄雜質、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，已經看到了成型的樣品展示。

典型車型水冷板

在動力電池系統中，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部的電芯級別水冷板和設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”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件，而非電池模塊的構件，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

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模組結構

GMVolt冷卻結構

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，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。