电动汽车动力电池冷却板新产品开发试制方法

李丽颖

江国华

张跃

李雪飞

魏凌波

（中国第一汽车集团有限公司研发总院，长春130011）

摘要：介绍了开发液体冷却系统的原由，并剖析了液体冷却系统的冷却板结构特点，解决了其试制难题，创建了新产品试制工艺方法。通过对大规格冷却板上板和冷却板下板的冲压工艺方法的研究，以及对大规格铝板钎焊工艺方法的研究，确定了大规格冷却板钎焊的试制方案，继而确定了总成方案。开发试制成功后，在某SUV车型上得到验证。

关键词：大规格

冷却板

钎焊

试制

DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20180134

中图分类号：U469.72

文献标识码：B

电动汽车是靠动力电池供给电机系统能量而行驶的，电动汽车动力电池的可靠与否，决定整车能否正常行驶，由于电池充放电过程是化学反应，所以温度与动力电池性能有密切关系，低温下，会造成充电提前终止；高温下，影响电池使用寿命，且温度过高时，可能引发热失控。为了保证电动汽车可靠行驶，要将电池包的温度控制在一定范围内。目前，常见的电动汽车动力电池冷却方式主要有强制风冷和液体冷却。

SUV车型上开发液体冷却系统。液体冷却和强制风冷的分析如表1所示。

2面临的的主要问题

产品结构新，我们未经历过此类结构件的开

发，又几乎没有可查阅的资料，试制用BOM（BillofMaterials，产品明细表）给到最高级总成，这种情况下，要通过试制摸索产品层级；

部件规格大，长、宽、高尺寸：X>1500mm、Y>900mm、Z为10-11mm，精度要求高，制件难度大；

涉及工艺多，边学习研究，边摸索研究试制方

1动力电池液体冷却系统开发原因分析

以前，一汽开发的动力电池冷却系统基本都

案，为使该结构能够体现在新车型上，需要在有限时间内完成试制，锁定产品。

是风冷系统。其优点是结构易实现、工艺简单、成本低。但缺点也较明显，即冷却效果没有液体冷却系统理想。与风冷系统比较，液体冷却系统制件要求高、成本高，但冷却和加热效果却大大好于风冷系统，且占用空间小，因此，我们决定在某

3

3.1

问题解决方案

得出层级关系清晰的工艺BOM

进行工艺分析，掌握层级关系，是确定正确工

艺方案的关键，见表2。

作者简介：李丽颖（19—），女，大学本科，高级工程师，主要从事乘用车新产品开发试制工作。

3.2明确试制方案

冷却板总成是一个大规格、以铝板为主体

汽车工艺与材料

AT&M

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生WORKSHO产P现SO场LUTION的、含多种工艺的总成件，涉及工艺较多，例如有金属管弯管工艺、机加工艺、冲压工艺、焊接工艺、EPP（ExpandedPolypropylene，聚丙烯塑料发泡材料）发泡工艺等。由于零件在电池包这个特定

表1项目成本质量空间加热冷却制造

冷却方式特点液体冷却较高较大小效果好效果好有难度

强制风冷

低封闭的环境中使用，技术要求高，需要从下一级零件满足上一级总成的基本思路出发，去研究和确定试制方案，在完成实物试制的同时，建立技术积累。

液体冷却方案和风冷方案的对比分析分析比较

液体冷却系统包含冷却管路、冷却板、循环水泵、水路开关和电磁阀等部件，且控制系统较强制风冷复杂，而强制风冷系统仅包含风机及进出风管。液体冷却系统在电池箱内包含管路、冷却片等零部件和冷却介质，故质量较大，强制风小

冷包含风机等相对较少附属零部件，故其质量其次。

液体冷却系统其良好的热交换效果可保证电池包内的集成化程度更高，不需像强制风

较大

冷系统一样预留风路空间。

液体冷却系统可使冷却介质经由加热器升温后实现对电池系统的加热功能，且其加热

不如液体加热

效果远优于具有同类功能的强制风冷系统。

液体冷却系统因其冷却介质导热能力远优于空气，且其受管路引导，可保证单体具有不如液体冷却

良好的冷却均匀性和一致性，故液体冷却效果优于强制风冷。

液体冷却系统因其组件较多且具有使电池存在安全隐患的冷却介质，故制件工艺复

较易实现杂、要求高。

表2工艺分析后的BOM层级030405060606050404名称冷却板总成冷却板焊接总成冷却板上板焊接分总成上板-冷却板总成冷却板管接头总成I冷却板管接头总成II下板-冷却板总成

导热垫隔热垫每车件数

111112184零部件类型

总成材料牌号材料规格

分总成零件总成总成零件零件零件4343/3003300330033003丙烯酸弹性体EPP泡沫板料2.0复合铝材，4343占10%厚度

铝锰合金（防锈铝）铝锰合金（防锈铝）板料1.5，铝锰合金（防锈铝）

厚度:2.0泡沫厚度4.03.2.1

目前，应用在乘用车上的铝材冲压成形工艺制

上板-冷却板和下板-冷却板的试制方案

求高。最后从2个可行方案中选了方案3，具体见表3。

方案1是原来的方案，参照钢板冲压工艺经验分析得出；方案2和方案3是根据铝板冲压特点和零件用途等分析制定的。3.2.23.2.3

构成总成的小件方案如表4所列。

冷却板焊接分总成的焊接是难点之一，方案焊接分总成方案构成总成的小件方案

造的零件实例比较有限，当初参照钢板冲压工艺经验，试图用1套成型模完成试制，经理论分析和实际比对发现，实际上钢板冲压工艺的一些经验是不能完全参照的。铝合金冲压成型工艺与钢板冲压成型工艺比较，有较大不同，铝合金冲压成型过程更容易产生冲压缺陷，例如冲压工艺不当时，常出现板材粘到模具上而被撕裂的情况。

另外，冷却板焊接分总成是钎焊结构，零件是在母材之间大面积高精度装配之后，实施一次性钎焊而成，对冲压件精度要求比较高，尤其是对总成的平面度要

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中，焊夹结构比较重要，经分析通常有如下主要影响因素：焊接夹具结构、冲压件精度、母材清洁度、钎焊工艺参数。冲压件精度保证后，工艺参数可以通过样件试焊确定，母材清洁属于管理项，在焊接

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生WORKSHO产P现SO场LUTION环节，重点和难点是钎焊夹具的结构方案。

夹具要保证钎焊区的热传导，引起的热量转移对零件的稳定加热降温产生干扰最小，且不妨碍钎料的流动。本次所设计的夹具方案为框架结构，由接触样件的带散热孔的不锈钢材质压板、带

散热型腔和散热孔的45#钢框架以及夹紧机构构成，这种形式的钎焊夹具特别利于钎焊过程中快速升温、均温和降温。

母材材质见工艺BOM；焊接方法为氮气保护炉中钎焊；焊接设备为大规格钎焊炉，方案见表5。

表3试制工装方案试制工装方案1试制工装方案2试制工装方案3

工序

名称模具名称数量模具名称数量模具名称数量

0011

011

4方案3模具简图序零件名号称上板-1冷却板总成示意图量产方案能否借鉴

落料无无无平板件，试制方案采用激光切割；量产工装方案：采用落料模具量产工装方案：此道工序的模具尺寸要加大

量产工装方案：此道工序的模具尺寸要加大

成型

拉延模具

下板-2冷却板

总成

成型

1

拉延模具拉延模具

成形模具成形模具

切孔

和修激光切割边

试制方案可行性不可行0

激光切割

0

切边冲孔模具

1

做大于100件的试制时，切孔和修边工序常采用软模，而非激光加工；量产工装方案：此道工序的模具尺寸要加大

考虑周期质量等因素，本次试制选择了方案3可行可行表4序

号

零件明细及方案试制工装方案模具名称

无端头成型工装弯管工装钎焊简易夹具无端头成型工装弯管工装钎焊简易夹具发泡模具（软模具）

数量0111011111

量产方案：满足量产的焊接

夹具

量产方案：模具结构可借鉴，模具材料要满足量产的生产纲领

量产方案：模具结构可借鉴量产方案：满足量产的焊接夹具量产方案：需要模具出铸件

零件名称材料示意图工序名称机加接头量产方案能否借鉴量产方案：需要模具出铸件铝管AI30031冷却板管接头总成接头AI6005I管端头成型弯管铝管和接头手工钎焊机加接头

铝管AI3003

2冷却板管接头总成

接头AI6005

II

管端头成型

弯管铝管和接头手

工钎焊发泡成型

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隔热板（4件）

EPP泡沫丙烯酸弹性

体

导热板（8件）切形切断用模具

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生WORKSHO产P现SO场LUTION表5总成焊接方案序

零件名称号

示意图

技术要求

工序名称

试制工装工装名称数量

焊夹简图

夹具材料量产方案能否借鉴

冷却板上1板焊接分总成手工钎焊：平面度：1.0（冷却板管接头焊接强度总成I和冷却板简易钎等满足相关管接头总成II焊焊夹具标准接到冷却板上板上）平面度：1.0炉中钎焊：

钎焊夹

焊接强度（冷却板上板焊

具（5个

满足相关标接分总成与冷却

1套）

准，气密性：板下板焊接）满足图纸，泄漏量满足图测漏工

密封性检测纸，爆破压力装

满足图纸

1量产方案：需要正式焊接夹具1

有型腔的上下合模方式的检测工

装

2

冷却板焊接总成

+

304不量产方案：根据

锈钢模

生产纲领复制钎

板+45#

焊夹具

钢框架

量产方案：可复制测漏工装

1

接后需要测漏，有测漏工装，由于冷却板是装配在电池包当中的，有较高的密封要求，要100%进行密封检查。3.2.43.2.4.1冷却板总成试制方案粘贴材料粘贴隔热垫的不干胶为丙烯酸酯压敏胶，导热垫是自带不干胶层，该件为外采件，由于有较高的导热性能，价格也不菲。3.2.4.2

冷却板总成试制方案（表6）

表6冷却板总成试制总装方案试制工装工装名称数量

量产方案能否借

鉴

零件名称示意技术要求工序名称工序名称实物图片

冷却板总成+粘贴8件导热垫满足图纸在上表面，4件简易装配要求隔热垫在下表台面1粘贴装配量产方案：满足量产的正式装配台3.3冷却板总成产品树状态

总结了下面带工艺方案的产品树状态图，如

工序代号专用工装设备

iii测漏工装测漏设备iv无简易装配台

导热垫工装

成型切形模具

导热垫（每车8件（，自带不干胶

ii氮气保护炉中钎焊

/iii测漏

工序代号

iii

图1所示，此图可以供同类结构的新产品开发试制方案确定及量产。

冷却管成型

设备专用工装

管端口成型模具，弯管工钎焊设备

专用工装设备

无手工火焰硬钎焊焊夹钎焊炉

冷却板管接头总成Ⅰ

（进水）

i钎焊

冷却板管接头总成Ⅱ

（出水）冷却板部成上板

（带进、出水管的）冷却板上板焊接分总成

设备上板专用工装

成型无激光加工机

iv：粘贴

冷却板焊接总成

冷却板总成

隔热板

成型发泡模具隔热垫，（每车4件）

工装

冷却板总成下板

下板

成型

专用工装模具3套

设备压机

粘贴该件的不干胶为丙烯酸酯压敏胶（外购双面胶）

图1冷却板总成产品树状态图

（下转第37页）

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生WORKSHO产P现SO场LUTION（表3），符合GB/T3098.1-2010中的要求，但也说明失效螺栓在生产制造时可能存在回火不充分的现象。

表3失效螺栓的再回火试验检验结果c.源于螺帽根部的棘轮状多源性断口及微裂纹的存在，一方面表明了螺栓对延迟开裂有较高的敏感性，另一方面也表明对螺栓装配轴向拉应力及装配扭转载荷共同作用的敏感性，具体可见图13。

σZ

στ

τ

σHστ

棘轮状延

σZ迟裂纹方向

检验项目技术要求实测结果判定执行标准再回火前393、394、硬度GB/T4340.1-385/HV30再回火前后硬度值2009符合再回火后差值小于20HVGB/T3098.1-381、379、硬度2010376/HV303失效原因分析

a.该批次失效螺栓经过装配后在运输和库存

（a）（b）图13

螺栓应力状态

（c）

中发生断裂，并不是在工作状态下失效，断裂发生在很短时间内。根据宏观棘轮状脆性断口和微观沿晶断裂等特征判断该批次螺栓断裂性质为延迟断裂（延迟断裂是指在静止应力作用下的材料经过一定时间后突然脆性破坏的一种现象[2]）。

b.通过理化检验，该批次螺栓元素含量和基体金相组织未见异常，但螺栓硬度测试结果平均值为391HV30，高于标准要求硬度范围值，（回火不充分）。而且通过表面硬度测试结果可以看出，表面硬度明显高于心部硬度，结合金相组织分析表明，螺栓表面已增碳。增碳使螺栓表面硬脆，塑性明显低于内部，也是引起螺栓脆断的原因。

4结束语

通过试验分析得出结论，该批失效螺栓的断

裂性质为延迟开裂，其原因为基体硬度偏高和表面增碳。为了预防类似事故再次发生，应注意螺栓生产过程中的热处理工艺，适当调整炉内碳势、回火温度及回火时间。

参考文献：

[1]温爱伟.重型汽车轮边减速器的分析研究[D].山东：山东大学,2012.

[2]惠卫军,翁宇庆,董瀚.高强度紧固件用钢[M].北京：冶金工业出版社,2009：33-34.

AT&M（上接第34页）通过试制摸索和成功开发的总成焊接夹具，被量产所借鉴：该产品在量产准备时，只需要根据纲领去复制所需数量的夹具即可，总成测漏工装也同样被量产所借鉴，采纳本文方案后，缩短了生产准备周期，对主机厂量产工艺方案制定有指导意义。本文方案对于电动汽车动力电池用冷却板总成的试制和批产都有典型的示范作用。

AT&M4结束语

该方案适用于后续同类产品的试制，为了避

免大结构件的一些问题，在后来的新产品上，做了结构方面的改善：将一个大规格的冷却板分成2个或2个以上小规格的冷却板，结构改善后，试制和批产难度相对降低，样件的质量也较好保证。

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