韩工碎碎念（三）：电池水冷板的“前世今生”
大体上来说，电池热管理这个行业非常“年轻”，2014年新能源行业大范围开始铺开之前，关注电池热管理这块的人很少。当时也是因为电池寿命衰减和安全性等问题，才出现了包括风冷和液冷等冷却方式，行业才得以兴起。也就是说，液冷系统真正大规模开发不足十年，但是，在笔者看来，水冷板在这短短的几年时间内有过几次大的技术迭代。今天就来聊聊它的“前世今生”。
说到这个型材水冷板，笔者对他的印象就是又重又皮实，用料是板厚2mm左右的6系铝型材，根本不需要现在主流的悬浮设计，直接拿VDA模组往上堆就完事，一块板子承重3-4个模组不是问题，更有企业把水流道集成到箱体底部，所有模组都堆到了水冷板上面，强度可见一斑。
图2 挤出型材水冷板工艺
但是，这种冷板的成型工艺比较复杂，早在“远古”时代，如果要做大的板子，由于没有那么大的模具，需要将两至三块板子用搅拌摩擦焊拼在一起，FSW在民用之前是用来焊导弹头的，可见是个高大上的技术，而且他的焊头是耗材，所以一个字就是贵。
另外，该类型的水冷板两端堵头和水嘴需要用TIG或者MIG将堵头焊接形成内部水环路，焊不好还容易漏，所以整体工序较多而且工艺复杂。
图3 TIG工艺
在初代大规模“骗补”产品推向市场后，发改委一看就火了：这都什么渣渣产品，续航只有200-300km，而且冬天续航要打6折，这根本没法推广。所以，往后几年的补贴政策直接跟电池的能量密度有关，而且要求逐年提高。
所以汽车厂家开始了轰轰烈烈的能量密度追逐赛，挤铝水冷板几块板子动辄十几二十公斤，搁谁都受不了，直接被打入了冷宫，一个惨字了得。
随后液冷板市场把眼光投向了更轻便的冲压板和口琴管，钎焊工艺的水冷板登上了历史舞台。先来说说钎焊这个工艺，其实钎焊在汽车工业应用广泛且成熟，汽车的前端散热器、冷凝器和板式换热器等都采用此工艺，一般采用3系的铝材在焊接的位置涂上焊料然后过高温（600℃左右）钎焊炉使焊料融化焊接而成，所以相对来说工序较简单。
图4 散热器与板式换热器
虽然他们采用同一种工艺，但是应用上有所区别。冲压板首先要将一块平板冲压出设计好的流道，流道深度一般在2-3.5mm，在用另一块平板与之焊接在一起，两块板厚可以在0.8-1.5mm不等。
图5 冲压板示意图
而口琴管之所以叫口琴管是因为流道的横截面类似口琴管形状，当年的宝马i3就是用的口琴管，而特斯拉也一直非常钟情于口琴管。一般口琴直管方案的两端是集流体起汇流作用，所以内部的流向只能直来直去，并不能像冲压板那样随意设计，有一定的局限性。
图6 audi e-tron三明治电池包中的口琴管
然而，当时的冲压板单板并不大，纯电较大电量的电池包需要6-8块，加上SAE的快插接头与管子，外加支撑泡棉与导热垫，一套成本得上千，而采用口琴管能便宜30%以上，巨大的成本优势。
随着单电芯能量密度达到一定瓶颈之后，只能靠提高PACK成组率来提高整包的能量密度了，为了往电池包内塞进更多的电芯，模组越做越大，甚至取消掉模组这个概念，直接往箱体上堆电芯，这就是CTP。与此同时，电池水冷板也朝着大板子的方向发展，要么就是选择集成到箱体或者模组，要么就是做成一大块冲压板平铺于箱体底部或者盖在电芯顶面。
比较有意思的是，口琴管水冷方案从面世以来都是以整体铺设居多，就比如上面的Audi的e-tron的电池包三明治方案，但是现在反而冲压板相对来说多见一些，我想最重要的原因有三: 设计的可变性，换热面积上的优势以及结构强度上的优势。虽然大的冲压板模具费较贵，但是从现在几个大厂的选择和实际应用角度来看应该是个趋势。
图9 南方某厂的电池包
总结起来，电池水冷板的技术发展如下图所示。作为行业从业者回过头去看看会发现行业技术迭代非常快，到是好奇今后的热管理会发展成什么样，整个锂电行业技术又会往哪个方向走，我们拭目以待。
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首次发布时间：2023-05-22
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