电池热管理-液冷板设计规范
4液冷板设计技术参数输入
表4-1 液冷板设计输入参数表
项目 | 参数 | 备注 |
电池模组边界尺寸（mm） |
| 确定冷板总体尺寸 |
电池模组类型 | 方形/圆形/软包 | 确定冷却板的结构型式及布置方式 |
电池模组间的温差要求 |
| 一般要求温差≤5℃ |
介质类型 |
| 常用：水+乙二醇 |
重量 |
| 要求轻量化 |
5液冷板选型
5.1液冷板类型平台
根据焊接工艺分类，有以下三种类型：
表5-1 液冷板分类表
编号 | 名称 | 优点 | 缺点 |
JB | 搅拌摩擦焊冷板 | 有工艺门槛；设计结构较灵活，性能好，可靠性高，承重好 | 成本偏高、质量重 |
BG | 扁管式冷板 | 工艺门槛低，加工简单，成本低，适用于大批量生产 | 流道布置单一，承重较差 |
表5-1（续） | |||
CY | 冲压式冷板 | 工艺门槛更高，设计结构更灵活，性能更好，可靠性高 | 对焊接要求较高，生产效率低 |
SX | 蛇形管 | 冷却水能更多面积的与电芯接触 | 工艺复杂，使用单一，主要针对圆柱形电芯 |
5.2液冷板选型标准
表5-2 液冷板选择标准
项目 | 选型标准 | 图例 |
方形 | 应用模组级别水冷板，放于电池底部（流道可设置于电芯箱体压铸成型）例如JB/BG/CY |
|
圆形 | 蛇形管交错于圆柱形电池之间，每只电芯都能与水管接触，例如SX |
|
软包 | 模组内部集成小型水冷板，模组中集成铝板，例如JB/CY |
|
5冷板设计
5.1材料选择
钎焊工艺冷板：AL-6063-t5 搅拌摩擦焊冷板：AL-3003
5.2流道及结构设计要点
5.2.1流道设计要点
对于JB、BG、CY结构型式，流道结构主要分两种型式双回路和单回路，选择标准如下表。
表5-3 流道选型标准
类型 | 流道布置标准 | 选择标准 | 图例 |
双回路 | 流道排布在满足工艺条件下使流道排布间距尽量小，设置更多循环回路，这样能使电池受热或降温更均匀，温差小 | 无论哪种结构型式，在满足布置空间的情况下，优先选择双回路，因为这样冷热同时存在，降低温差 |
|
单回路 | 流道排布在满足工艺条件下使流道排布间距尽量小，这样能使电池受热或降温更均匀 |
|
5.2.2主体结构设计要点
搅拌摩擦焊冷板设计要点：
表5-4 搅拌摩擦焊冷板设计要点
项目 | 图示描述 | 备注说明 | |
整体结构 |
| 用于充满间接接触式液冷工质的金属散热器，一般需要承载和受力时，采用比较厚重结构强度较大的铝型材搅拌摩擦焊接的冷板。 | |
流动形式 |
|
| 双回路冷板特点就是进出水在同侧，一般情况下可以保证模组换热面都是冷热同时存在，可以降低冷板表面温差；单回路进出水位置在两侧，入水温度逐渐升高；空间布置允许情况下，优先双回路设计 |
双回路 | 单回路 | ||
冷板主体 |
| 冷板主体为挤压铝型材分段切割，机床机械加工而成（内部型腔的筋铣削加工）；其作用是与电芯热面接触进行换热。总厚度：8~10mm 总宽度：≤360mm 上下表面壁厚：1.5~2mm 分割筋厚度：≥1.5mm | |
前插头 |
|
| 双回路堵头水嘴安装位置一般为同侧，单回路堵头水嘴安装位置一般为两端，在设计水嘴间距时要考虑走向管路及安装空间。 |
双回路 | 单回路 | ||
后堵头 |
|
| 双回路后堵头一般为较宽流利型腔，铝型材内部有冷却介质流过，由氩弧焊进行封堵密封；单回路后堵头为铝型材或铝塞条，进行搅拌摩擦焊或氩弧焊进行密封。 |
双回路 | 单回路 | ||
扁管式冷板：
表5-5 扁管式冷板设计要点
| 图示描述 | 备注说明 | |
整体结构 |
| 用于充满间接接触式液冷工质的散热器，对于目前的高能量密度需求来说，采用重量相对较轻的微通道扁管式的冷板；但是此种形式的冷板不能承受力，同时安装时也需要保护。 | |
表5-5（续） | |||
流动形式 | 双回路冷板特点就是进出水在同侧，一般情况下可以保证模组换热面都是冷热同时存在，可以降低冷板表面温差；单回路进出水位置在两侧，入水温度逐渐升高；空间布置允许情况下，优先双回路设计。 | ||
双回路 | 单回路 | ||
冷板主体 |
| 冷板主体为铝型材微通道扁管，此种扁管广泛用于汽车空调换热系统。由于其有质量轻的特点，针对能量密度提升整包轻量化需求，适应性改进后应用到电池冷却；但其与电芯的接触面积要减少（约35%），目前现有的冷板规格（见附表二） | |
前部集流管 |
|
| 一般为同侧，单回路堵头水嘴安装位置一般为两端，在设计水嘴间距要考虑走向管路及安装空间。一般规格20*16，16*16，壁厚1.2。扁管在集流管上的排布间距和数量根据模组的尺寸确定 |
双回路 | 单回路 | ||
后部集流管 |
|
| 双回路集流管一般为双层，进水流程和出水流程，单回路集流管为单流程。目前应用大多是方形管，传统应用为圆形。一般规格20*16，16*16，壁厚1.2. |
双回路 | 单回路 |
| |
冲压式冷板：
表5-6 冲压式冷板设计要点
| 图示描述 | 备注说明 | |
整体结构 |
| 用于充满间接接触式液冷介质的金属散热器，冲压式冷板结构主要分为上下两块平的铝薄板；相对于型材冷板的厚度以及扁管冷板的介质，冲压板是一个折中方案，保证了与电池的换热面积又在一点程度上降低了冷却系统重量，同时流道是由模具冲压而成，灵活性很好，便于布置设计。 | |
流动形式 | 双回路冷板特点就是进出水在同侧，一般情况下可以保证模组换热面都是冷热同时存在，可以降低冷板表面温差；单回路进出水位置在两侧，入水温度逐渐升高；空间布置允许情况下，优先双回路设计 | ||
双回路 | 单回路 | ||
冷板上盖板 |
| 冷板上盖板平面铝板，起到保证与电芯接触良好的作用，为适应钎焊的要求一般选材为AL3003，有钎焊层，壁厚0.8~2 | |
表5-6（续） | |||
下盖板 |
| 冷板下盖板是由模具冲压而成，由板材冲压形成凸点和条状肋筋，进而形成水路流道，凸点可以起到扰流加强换热同时增强冷板强度作用，冷板的双回路和单回路完全取决于进出水接头位置。（凸点的结构和流道尺寸设计选型参见附表三）壁厚一般控制在0.8~1.5。行业平面度为0.5~0.8。 | |
蛇形管冷板：
表5-7 蛇形冷板设计要点
| 图示描述 | 备注说明 | |
整体结构 |
| 用于充满间接接触式液冷介质的金属散热器，利用挤压工艺使管道成型，然后用机加工工艺打通循环，再用钎焊接头焊接而成；这样保证冷却液与每个电芯有更大接触，温差控制精准，但是适用比较单一，主要对于圆柱形电芯。 | |
流动形式 | 双回路冷板特点就是进出水在同侧，一般情况下可以保证模组换热面都是冷热同时存在，可以降低冷板表面温差；单回路进出水位置在两侧，入水温度逐渐升高；空间布置允许情况下，优先双回路设计 | ||
双回路 | 单回路 | ||
冷板主体 |
| 冷板主体为铝型材微通道扁管，此种扁管广泛用于汽车空调换热系统。（具体规格参见附表二）由于其有质量轻的特点，针对能量密度提升整包轻量化需求。此扁管经过挤压成型后根据圆柱电芯直径机械加工成蛇形状。 | |
连接块 |
| 连接块主要用于接头和挤压扁管的连接，选择型材机加工而成，材料AL6061。具体宽度选择根据圆柱电池高度。 A、B为型材尺寸； D的尺寸的确定根据扁管的选型确定； C的尺寸确定依据5.2.3章节的进出口接头尺寸确定； 接头、扁管与连接块配合均为间隙配合。 | |
5.2.3进出接头设计要点
表5-8 进出口接头选型设计标准
名称 | 图例 | 选择标准 | 备注 |
VOSS |
| 目前我司采用均为快插式接头，具体采用VOSS、诗兰姆所哪种接头可根据客户要求，如客户无要求，根据两者经济性进行选择。 | 用于液冷工质循环的进出水口，一般由AL6061材质经过机加工成型，与液冷板经过焊接而成（气焊），具体尺寸（见附表一）。 |
诗兰姆 |
|
5.3布置安装
| 隔热材料 |
| 铝壳体 |
| 水冷板 |
| 水冷板固定螺栓 |
| 模组 |
| 模组 |
| 钣金壳体 |
| 水冷板 |
| 模组安装螺栓 |
图4-1 图4-2
| 模组安装螺栓 |
| 水冷板口琴管 |
| 泡棉 |
图4-1的布置形式为某型号车钣金箱体的设计方案，安装顺序为模组、导热垫、冷板及箱体穿起来共用螺栓固定，这种方式冷板受力多对冷板强度要求较高，同时设计冷板时焊缝位置一定要避开受力严重位置，控制冷板平面度（0.8~1行业加工能力）
图4-2布置形式为铝箱体布置方案，模组和冷板分别固定在箱体上下，箱体安装梁分为两个台阶，模组固定在第一台阶，冷板固定在第二台阶，中间导热材料进行填充，这样可以使得冷板只受导热垫的向下压力，同时最大限度降低型材冷板重量。
图4-3的布置方式为扁管铝箱体方案，扁管强度相对较弱，不能使用硬安装必须采用浮动支撑固定，模组单独使用螺栓固定在箱体，模组与扁管之间使用导热垫进行填充，下部粘贴硅泡棉进行支撑抵消导热垫向下的压力。
5.4技术要求
5.4.1一般要求
无任何影响产品价值及性能的缺陷
5.4.2气密性能
应满足以下①或②
①0.4MPa气压，浸入水中2min无泄漏
②按换算，泄露量在3cc/min以下
注：规定的试验条件要与①、②对应
5.4.3耐压性能
测定爆破压力
5.4.4反复加压性能
满足气密性能。目视确认，无内外部变形、破坏、结构变化。
4.4.5耐高温试验
满足气密要求，无变形损坏
5.4.6耐低温试验
满足气密要求，无变形损坏
5.4.7清洁度检测
目视检查无可见颗粒、杂质（无大于1.5mm颗粒杂质，且重量不大于20mg），且清洁度检测完，内部不能残留任何液体。
5.4.8振动耐久实验
试验后无泄漏，无机械损坏，平面度保持图纸要求。
5.4.9流阻实验
压差值符合图纸技术要求。
5.4.10外部腐蚀实验
满足气密性能。
5.4.11内部腐蚀实验
满足气密性能。
5.4.12水冷板接头焊接强度测试
要求接头焊接可抵抗拉拔力>50kg。
5.4.13温度冲击性能
满足气密性能。目视确认，无内、外部变形、破坏、结构变化。
5.5试验方法
5.5.1试验条件
①试验温度：20±15℃（常温）。
②试验湿度：65±20%RH（常温）
③试验用的夹具和连接器的形状：采用另外规定的尺寸。
5.5.2外观检查
目测。
5.5.3气密性能
①确认在干燥空气下加压至0.4MPa后，保持1min，浸入水中2min。
②使用气密仪检测设备检测。
气体充入压力为0.2MPa以上。温度：20±15℃，泄露上限值3cc/min。
5.5.4耐压性能
保持通入水冷板气压≥0.6MPa，浸入水中，要求观察触摸水冷板表面有无鼓泡，不允许有泄露和机械损坏。X=6±0.1MPa，一个液冷板要经受到爆破的实验，即从0.35MPa加压到0.4MPa，从0.4MPa加压到0.45MPa，0.45MPa加压到0.5MPa。
5.5.5破坏压力试验
对水冷板进行持续进行加压，直到产品实效损毁为止，要求水冷板能承受最高压力≥1MPa。
5.5.6反复加压试验
乙二醇/水50:50；试验介质温度70℃。进行下表试验。在试验中每种冲击力各用一台样品进行试验（共需要3台样件）。即使样品在20万回依然没有破坏，试验可以终止。
反复压力 | 回数 |
50000回以上 | |
26000回以上 | |
5400回以上 |
5.5.7耐高温试验
在120℃±3℃中放置72小时后，在常温下试验气密性能，目视外部、内部的结构。
5.5.8耐低温试验
在-40℃±3℃中放置72小时后，在常温下试验气密性能，目视外部、内部的结构。
5.5.9清洁度测试
用经过大于200目滤网的水冲洗2min。检查：先将水冷板注满经200目滤网过滤后干净的水，用32目滤网过滤所有水。
在120℃±3℃中放置72小时后，在常温下试验气密性能，目视外部、内部的结构。
5.5.10振动耐久测试
在随模组装配成电池包情况下，按GB/T31467.3-2015 item7.1.1试验后无泄漏，无机械损坏，平面度保持图纸要求。
5.5.11流阻试验
水冷板接入流量测试仪，冷却液温度（℃），流量（L/min），观察记录水冷板进出口压力值，得出水冷板进出口压力损失。
5.5.12外部腐蚀试验
GB/T31467.3-2015条款7.11，参照GB/T2423.18，5级，喷雾液：PH值6.5-7.2
周期：喷雾2h存储20-22h（40±2）℃/RH93±2%，重复循环3次存储标准大气压条件3天 重复4次。
5.5.13内部腐蚀试验
介质：乙二醇/水（50/50循环压力1±0.01MPa）
100±1℃×16Hr 流量 Max L/min 1循环
23±1℃×8Hr 流量 0 L/min 承受2000h循环
5.5.14水冷板接头焊接强度测试
水冷板主题固定在测试台，在铝接头上钻孔，将拉拔力测试钩钩在接头孔上，进行测试，要求接头焊接可抵抗拉拔力测试。
5.5.15温度冲击测试
充满乙二醇50%、水50%的液体状态下，按照下图中的条件，实施2个循环。设定时间是空气温度的保持时间。
