当前，新能源汽车续航里程持续攀高，电池容量越来越大，但充电时长越来越短，由此带来电池的发热量越来越大，影响着电池寿命与安全。
2024年11月7日，在2024第四届汽车电气化核心技术论坛上，保隆科技液冷板设计负责人郑玉磊介绍，液/直冷板是新能源汽车电池系统的核心零部件，具有高效的散热性能和优异的耐腐蚀性。电池工作时产生的多余热量传递给冷板，再传给冷板内的冷却介质，将热量带走，从而调整电池工作环境的温度。在低温环境下，冷板还可以加热电池，改善电池性能和寿命。
郑玉磊进一步介绍了冷媒直冷的直冷板原理、直冷优势、直冷难点等，并就直冷板设计、直冷试验、发展方向进行了介绍。
保隆科技液冷板设计负责人
以下为演讲内容整理:
应用背景
随着新能源车的迅猛发展，其市场渗透率持续攀升，今年4月新能源车在市场上的渗透率已经达到了一半。按我国2020年底制定的《新能源汽车产业发展规划》，原计划15年内实现的目标，而今已提前十多年完成。
纯电动车型的续航里程在持续提升，平均已达467公里，600公里以上续航成为主流。同时，电池容量从平均45kWh增至60kWh，充电时间则从平均38分钟缩短至30分钟，未来有望进一步缩短至10至15分钟。然而，电池容量增大与充电时间缩短也带来了电池发热量增加的问题。
图源:演讲嘉宾素材
电池温度过高时会影响性能，严重时可能导致热失控甚至起火。而在低温环境下，电池活性会受到影响，零度时续航里程可比常温下降30%，更低温度下还可能引发锂离子枝晶刺穿隔膜造成短路风险。因此，电池管理至关重要，最佳工作温度应维持在20-35摄氏度之间。
动力电池的热管理技术对新能源车发展尤为重要，电池冷板是其中核心部件。电池散热主要有风冷、液冷及直冷等形式，风冷多用于小型车，液冷是主流，直冷正处于快速发展阶段。
保隆专注于液冷与直冷技术。液冷原理比较简单，直冷则涉及两相流换热，仿真设计较复杂。液冷板通常置于电池包内，与电池直接接触，既能散热也能供热，适应不同季节需求。
液冷板类型多样，主流为冲压大板，散热性能好，设计自由；口琴管结构简单，成本低，适用于小型车；挤压板用于商用车，可承重，主要应用于软包电池；蛇形管专用于圆柱电池散热；直冷结构类似液冷，但流道更细，耐压高。这些类型保隆工厂均有量产。
冷板应用场景以动力电池为主，也用于储能系统，结构上相似但不需考虑动载荷，叠放时需考虑防凝露。随着自动驾驶的发展，控制器发热量增大，也需考虑散热保隆工厂同样有量产。
产品介绍
下面介绍我们的冲压式冷板产品。这款冷板长度达2米，但厚度很薄，由两块板拼接而成，上面一块约1.2mm，下面一块1mm。另一种口琴式采用铝挤压的大扁管，厚度不超过4mm。挤压式液冷板典型厚度15mm，具有强度和刚度，可承重，而前两种则不能。
图源:演讲嘉宾素材
冷板设计运用了铝合金材料含硅量不同熔点不同的原理。纯铝熔点660度，硅含量增加时熔点降低，硅含量12.6%时熔点最低为577度。因此，冷板底层选用铝锰合金材料，上层复合铝硅合金材料(硅含量10%-12%，熔点577-590度)。将两块板合并在一起后，放入钎焊炉中，炉温约630度，高于铝硅合金熔点但低于铝锰合金熔点。铝硅合金融化后，受表面张力影响填满缝隙，两块板像胶水一样粘在一起，具有很高强度。
原材料制作过程包括融化铝锭、制作铝胚、组合材料、整体轧制至1毫米左右生产核心在于控制温度和氧气含量。充氮气保证氧气含量在100PPM以内，钎焊区停留3-5分钟后冷却。
市场对冷板强度需求越来越高，。第一代材料3003强度约40兆帕，强度较弱。为满足减重和节能要求，增加si和cu含量，就是第二代的3003MOD材料，强度可提升至50兆帕。进一步增加镁含量至0.4%左右，制成3005材料，屈服强度可达80兆帕。继续增加强度，镁含量增至0.8%-1.2%时，材料变为6系铝材，但镁含量过高影响焊接，因此将其作为核心层，上下放3003隔离层，强度可提升至140兆帕，时效处理后可达240兆帕。
夜冷板的发展重点在于多个方面的改进。首先，通过预埋钎剂或采用点胶工艺，降低钎剂残留。其次，降低覆盖层材料的硅含量，降低熔点，以减少能耗。在核心层与钎焊层间增加阻栏层，开发耐腐蚀材料，以及将冷板与箱体结合为一体式结构，进一步减重。此外，还采用了仿生结构材料，以降低流动阻力等等。
冷媒直冷
下一代冷板的发展方向是冷媒直冷，其原理类似于空调，省去了换热环节。传统液冷板中，流入的是冷的乙二醇溶液，流出的是热的乙二醇溶液。而冷媒直冷中，冷媒在吸热过程中液态蒸发为气态，温度保持不变。
图源:演讲嘉宾素材
对比液冷板与冷媒直冷技术，液冷板中冷水吸收热量后温度增加，存在温差。而冷媒直冷技术利用潜热变化，只吸收热量而温度不变，散热效果更好，且潜热能力远大于显热。
此外，冷媒直冷技术在使用过程中省去了换热器、水泵、副水箱及管路等，整体结构减重约7公斤，成本降低约500元。换热效率保守估算可提升20%，且由于少了一个换热环节，整体能耗降低10%。
直冷板的难点在于仿真和实验。我们应用VOF模型模拟相变，监测整体温度场和压降等，物理实验则是在冷板背面贴热电偶，正面贴加热膜，测试温度均匀性。
这一过程面临几个问题:一是实验结果不准确，尤其是过热度不准确，实际检测误差可达5K，造成流量误差大。二是压缩机功率不足，同时管控乘员舱和电池散热，常导致压缩机功率不足；三是流阻过大，常规工况下冷媒压力每升高100kPa，温度增加6摄氏度，150kPa的流阻可能导致9度的温差，影响冷却性能；再是受限与冷却能力，阀前过冷度过小，入口气体占比可达30%，但气体密度小，只有液体的1/40，体积占比可达93%，气体没有换热作用，但却贡献了流阻，影响散热效果。
此外，冷媒自身也在发展。国内常用的R134a在欧盟和美国已被立法限制销售，替代选项如R1234yf和R290、R744成为研究热点。新型冷媒选择虽然环保，却降低了冷板换热效率。热泵方面，R134a和R1234yf在低温下效果不佳，R744成为理想选择。
因全球变暖原因，各国出台法规限制氯氟烃制冷剂的使用，但并不一定适用电动汽车，因为这些法规的制定，更多的是考虑工业制冷和空调的应用，没有考虑电动汽车的需求。欧盟是2006年立法禁止R134a的，但要到2012年特斯拉的model s才上市。GWP指标考虑的是冷媒泄露对全球变暖的影响，但目前冷媒泄露控制已经做的比较好，直冷板的泄露指标是2g/年，实际远小于2g。但是更换冷媒后，因为传热效率下降，增加的能耗导致的碳排放，是远大于冷媒泄露的。于是又有另一个指标，TEWI，会考虑包括制冷剂的直接温室效应以及用于运行制冷系统的能源消耗的间接温室效应。
更进一步的，还有LCCP指标，它不仅考虑了直接的温室气体排放，还包括了与产品或服务生命周期相关的能源使用、材料采集、制造、运输、使用和处理等过程中的间接排放。LCCP旨在提供一个全面的评估，以便在不同选择之间进行比较，并指导降低气候影响的方法。
整体来说，冷媒的法规主要是针对建筑的空调和工业的空调，对汽车行业并不完全适用。冷媒发展方向都是环保增加，热效率降低的，整体算起来反而更不环保。
保隆简介
保隆科技于1997年5月在松江创立，2017年在上交所上市；截至2023年底，在上海松江、浦东、安徽宁国、安徽合肥、湖北武汉、江苏高邮和美国、德国、波兰、匈牙利、奥地利等地有9个生产园区、19家工厂和11个研发中心，以及20余个销售分支机构，全球员工超过6800人。
公司产品包括TPMS、车用传感器、智能驾驶产品、智能主动空气悬架、汽车金属管件、气门嘴以及平衡块、BUSBAR、液冷板和铝外饰件等。
保隆科技已成为气门嘴、平衡块、排气管、胎压监测系统、空气悬架等细分领域的全球领先供应商之一，是中国汽车供应链百强、上海市制造业五十强企业，为全球50多个国家2000余个客户服务，主要客户包括全球主要的整车企业、一级供应商以及独立售后市场流通商。
图源:演讲嘉宾素材
液冷板工厂位于安徽宁国，2023年投入使用。工厂采用先进的生产工艺，拥有行业领先的全自动化生产线，包括冲压、脱脂、钎焊、、氦检、喷粉等全部工艺均可以在工厂内完成。工厂还配备了完整的液冷板专用实验室，包括耐压、爆破、盐雾、内腐蚀、流阻、压力/温度交变，直冷均温试验等都可以在工厂内完成，确保产品质量。此外，工厂还装备了MES系统，实现生产工艺全程可追溯。我们可为合作伙伴提供设计、仿真、制造、试验在内的全流程解决方案，满足客户需求。
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