梁鋒濤,呂欣,吳志亮.動(dòng)力電池直冷板漏率轉(zhuǎn)化及測試方法[J].汽車實(shí)用技術(shù),2024,49(01):13-16.

摘要：

文章研究了動(dòng)力電池直冷板制冷劑液態(tài)工質(zhì)漏率到檢漏氣體氣密檢測漏率的轉(zhuǎn)化關(guān)系，通過對直冷板泄漏的機(jī)理研究，推導(dǎo)出漏率轉(zhuǎn)化公式，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明，直冷板在 2 MPa、20 ℃的使用工況下，根據(jù)提出的理論計(jì)算公式可知，氦氣檢測時(shí)的泄漏值為 1.504×10-5 Pa?m3/s，試驗(yàn)直冷板的泄漏值在 10-5 Pa?m3/s 量級，與理論計(jì)算結(jié)果非常接近，證明該公式能有效地計(jì)算直冷板漏率，可以指導(dǎo)工業(yè)應(yīng)用。

溫度因素對動(dòng)力電池性能、壽命、安全性有著至關(guān)重要的影響。一般來說電池系統(tǒng)若能在15～35 ℃內(nèi)運(yùn)行，則可實(shí)現(xiàn)最佳的功率輸出和輸入、最大的可用能量以及最長的循環(huán)壽命。動(dòng)力電池通過熱管理系統(tǒng)對電池的溫度進(jìn)行管理。目前，動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱管理主要可分為四類：自然冷卻、風(fēng)冷、液冷和直冷，其中自然冷卻是被動(dòng)式的熱管理方式，而強(qiáng)迫風(fēng)冷、液冷、直冷是主動(dòng)式的，這三者的主要區(qū)別在于換熱介質(zhì)的不同。

直冷方式采用制冷劑作為換熱介質(zhì)，制冷劑能在氣液相變過程中吸收了大量的熱，與液冷系統(tǒng)利用冷卻液制冷相比，散熱效率是后者的 3～4倍[1]，能更快速地將電池系統(tǒng)內(nèi)部的熱量帶走。直冷系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、重量輕以及性能好的優(yōu)勢，例如比亞迪海豚車型就采用的直冷冷卻方式。

對于 R-134a 等制冷劑，泄漏率通常表示為質(zhì)量流量（每年的逸出質(zhì)量）而不是體積流量（特定時(shí)間段內(nèi)給定壓力下的逸出質(zhì)量）。因此，通過制冷劑的年泄漏量來定義泄漏級別，常用的單位為 g/a。以某款車型為例，其直冷板冷卻劑 R-134a泄漏量要求小于 3 g/a。但在工業(yè)生產(chǎn)中，一般通過氣密檢測的方法來檢測直冷板的漏率，常用的漏率單位為 mbar?L/s 或 Pa?m3/s。因此，需要研究制冷劑液體漏率到氣體漏率的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并根據(jù)氣體漏率指導(dǎo)直冷板氣密檢測設(shè)備選型。

1 制冷劑液體漏率到氣體漏率的轉(zhuǎn)化 

1.1 理想狀態(tài)下的氣體泄漏率

根據(jù)質(zhì)量守恒，液體制冷劑的泄漏量可以轉(zhuǎn)化成理想狀態(tài)下同質(zhì)量該物質(zhì)的氣體量。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（P0=1.013×105 Pa、T0=273 K），理想中 1 mol氣體在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的體積約為 22.4 L，即 Vm= 22.4 L=22.4×10-3 m3。理想氣體氣態(tài)方程及氣體漏率公式為

1.2 工作壓力下的氣體泄漏率

直冷板是通過制冷劑蒸發(fā)散發(fā)的方式對電池包降溫，其不同規(guī)格的直冷板最高工作范圍為2.0～3.5 MPa，正常工作壓力為 0.8～2.0 MPa。圖1 為某款新型電池包、直冷板，不但承擔(dān)電池包溫度控制功能，亦是結(jié)構(gòu)件，作為電池包上蓋起到支撐作用。

通常情況下，處理氣體在管理中的流動(dòng)均采用連續(xù)介質(zhì)模型，但是直冷板大多是從管路接頭、焊縫、本身缺陷等特征尺寸極小的縫隙或者漏孔向外泄漏的[2]。漏孔的特征尺寸很小，故氣體流動(dòng)呈現(xiàn)出稀薄效應(yīng)。根據(jù)克努森數(shù)（Kn）對氣體稀薄程度的判定，稀薄氣體流動(dòng)基本上分為 3 個(gè)領(lǐng)域，即粘滯流域、過渡流域和自由分子流域。不過對于同一個(gè)漏孔，由于其幾何尺寸一定，在工作溫度一定時(shí)，漏孔漏率與漏孔兩端壓力差有關(guān)，且關(guān)系式表達(dá)如下[3]：

式中，C 和 n 為與漏孔自身相關(guān)的常數(shù)，表明對一個(gè)固定漏孔，在環(huán)境溫度和充入氣體壓力不變的條件下，其漏率值與漏孔壓力的 n 次方成線性關(guān)系。

不同學(xué)者對于漏孔及漏孔氣體流動(dòng)狀態(tài)做了大量研究，鐘博揚(yáng)等的研究表明，在分子流狀態(tài)下，漏孔的漏率與漏孔兩端的壓差成正比；在粘滯流狀態(tài)下，漏孔的漏率與漏孔兩端的壓力的平方差成正比[4]，即當(dāng) n=1 時(shí)，漏孔內(nèi)氣體為分子流；當(dāng) 1<n<2 時(shí)，氣體為過渡態(tài)；當(dāng) n=2 時(shí)，氣體為粘滯流。閆治平的試驗(yàn)研究證明，漏孔長度越短，n值越大[3]。直冷板單側(cè)厚度一般在 1～2 mm之間，依據(jù)其結(jié)論，氣體流動(dòng)為粘滯流，n 值可以近似取 2。在不同壓力下，制冷劑的氣體泄漏率計(jì)算公式為

式中，Q0 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣態(tài) R-134a 泄漏率；P0 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；P 為直冷板的工作壓力；Q1 為工作壓力下的泄漏率。由此可以計(jì)算出 Q1=9.084×10-4 Pa?m3/s。至此，推導(dǎo)出了制冷劑液體泄漏率到制冷劑氣體在工作壓力下的泄漏率轉(zhuǎn)換。

1.3 工作壓力下的測試氣體泄漏率

在工業(yè)生產(chǎn)中，一般采用空氣或者示蹤氣體，如氦氣等來檢測產(chǎn)品的氣密性。故在應(yīng)用中，還需要將在工作壓力下的制冷劑的氣體泄漏率轉(zhuǎn)換為測試氣體泄漏率。根據(jù)王維等研究，在粘滯流狀態(tài)下，漏率主要受粘滯系數(shù)大小的影響，示漏氣體的粘滯系數(shù)越大，運(yùn)動(dòng)所受阻力就越大，氣體流動(dòng)性變差，漏率變得更小[5]。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境及粘滯流漏孔內(nèi)部壓強(qiáng)相同時(shí)，其公式可表達(dá)為

式中，Qgas1 為示漏氣體為介質(zhì) 1 時(shí)的泄漏率；Qgas2為試漏氣體為介質(zhì) 2 時(shí)的泄漏率；η1 和 η2 分別為不同介質(zhì)氣體的粘度。參考式（6），在已知制冷劑氣體粘滯系數(shù)和測試氣體粘滯系數(shù)的情況下，即可完成制冷劑液體漏率到測試氣體在工作壓力下的漏率轉(zhuǎn)換。

2 直冷板的氣密檢測方法

在工業(yè)生產(chǎn)中，氣密檢測可以根據(jù)使用氣體的不同分為空氣檢法（下文統(tǒng)一用 D2 表示）、氫檢、氦檢等；根據(jù)檢測方法的不同，又分為直壓檢測、差壓檢測、流量法檢測等。使用 D2 檢測的一般氣密檢測設(shè)備最高檢測范圍在 10-2 Pa?m3/s，參考式（6）的結(jié)果可以看出，采用空氣作為氣密檢測介質(zhì)的檢測設(shè)備測試精度不適用于直冷板的微小泄漏。特別值得說明的是，在實(shí)際應(yīng)用中，有不少企業(yè)沿用液冷板的檢測方式和設(shè)備來檢測直冷板漏率，液冷板的最大工作壓力為 200 kPa，根據(jù)式（5）可以看出，按照這種測試方法，漏孔的真實(shí)漏率比縮小了 100 倍，結(jié)果嚴(yán)重失真。

氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)是以氦氣為示蹤介質(zhì)，使用磁質(zhì)譜分析儀進(jìn)行檢測的一種檢漏方法[6]，其基本原理就是根據(jù)離子在垂直于磁場平面中運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同質(zhì)荷比的離子具有不同的偏轉(zhuǎn)半徑來實(shí)現(xiàn)異種離子的分離[7]。

氦氣示蹤檢測法靈敏度高，其檢測精度可以達(dá)到 10-8～10-12 Pa?m3/s，且氦氣屬于惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，近似不可燃，廣泛應(yīng)用于氣密要求較高的密閉容器上[8]。因此，可以采用氦檢的方法來檢測直冷板漏率，檢測方法一般分為兩種，真空累積法與吸槍氦檢法。真空累積檢測法主要原理是首先將工件抽真空后充入指定壓力氦氣，然后工件放入真空箱，氦氣會(huì)通過漏孔擴(kuò)散至真空腔內(nèi)從而被探測到，再通過氦檢漏儀高精度迅速準(zhǔn)確的判斷工件的泄漏情況。真空累積氦檢儀的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

吸槍氦檢法主要原理是工件無需抽空，直接充入氦氣直至混合氣體氦氣濃度大于 5%，使用吸槍緩慢掃過工件表面，采集泄漏出來的氣體，吸槍連接的氦檢測儀會(huì)根據(jù)設(shè)備內(nèi)部進(jìn)入的氦氣量來計(jì)算泄漏率。吸槍氦檢法的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

真空氦檢累積法檢測節(jié)拍快，可以判斷工件整體狀態(tài)，而吸槍氦檢法可以精確尋找工件漏點(diǎn)位置，因而產(chǎn)線大批量檢測使用真空氦檢法，對檢測出的不合格品再用吸槍氦檢設(shè)備精確定位其漏點(diǎn)。

2.1 直冷板的氦檢檢測方法

采用氦檢方法來檢測直冷板時(shí)，涉及不同介質(zhì)漏率轉(zhuǎn)化。根據(jù)式（6），即可推導(dǎo)出氦氣檢測時(shí)的漏率。氦氣示蹤檢測方法中，為了節(jié)約氦氣，降低成本，有時(shí)也采用較低濃度的氦氣、空氣混合氣體來檢漏，則這時(shí)式（6）中的粘度應(yīng)該取該混合氣體的粘度。計(jì)算公式可以參考楊淞成等的研究結(jié)論[9]：

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

選擇 10 個(gè)泄漏量為 3 g/y 的直冷板，按照《汽車空調(diào)制冷劑（R-134a）泄漏測試方法》測試，通過上述的累積氦檢測方法進(jìn)行檢測，統(tǒng)計(jì)其實(shí)際漏率并與理論計(jì)算值進(jìn)行對比。直冷板氦檢試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示。

試驗(yàn)測試的數(shù)據(jù)均在 10-5 pa?m3/s 量級，與理論計(jì)算的結(jié)果非常接近，說明理論計(jì)算可以很好地滿足工程應(yīng)用。

2.3 直冷板氦檢的注意事項(xiàng)

由于漏率與氣體粘度相關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中并不能單純地用其中一種示漏氣體對應(yīng)的漏率去替代另一種。比如部分公司為了降低氦檢成本，也有用氫氦混合氣體來替代純氦作為檢測介質(zhì)，此時(shí)漏率應(yīng)該按照混合氣體粘度重新修訂。

此外，采用真空氦檢累積法來檢測直冷板漏率時(shí)，由于直冷板抽真空后再充入純氦檢測，因此，也可以增加氦氣回收裝置，在測試完成后回收測試氣體復(fù)用，用以降低成本。

3 結(jié)論

本文通過理論求導(dǎo)求出了直冷板液冷劑年泄漏量到氣體檢測漏率的轉(zhuǎn)化公式，并提出了直冷板氦檢的檢測方法，并論證了其合理性。工程人員可以快速參考公式設(shè)定產(chǎn)線檢測標(biāo)準(zhǔn)，但必須指出的是，本文是建立在理想標(biāo)準(zhǔn)漏孔模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)的，實(shí)際冷板漏孔不規(guī)則，無法完全擬合，在工程應(yīng)用還需要結(jié)合實(shí)際調(diào)整漏率標(biāo)準(zhǔn)。