动力电池直冷板漏率转化及测试方法

温度因素对动力电池性能、寿命、安全性有着至关重要的影响。一般来说电池系统若能在15～35℃内运行，则可实现最佳的功率输出和输入、最大的可用能量以及最长的循环寿命。动力电池通过热管理系统对电池的温度进行管理。目前，动力电池系统的热管理主要可分为四类：自然冷却、风冷、液冷和直冷，其中自然冷却是被动式的热管理方式，而强迫风冷、液冷、直冷是主动式的，这三者的主要区别在于换热介质的不同。

直冷方式采用制冷剂作为换热介质，制冷剂能在气液相变过程中吸收了大量的热，与液冷系统利用冷却液制冷相比，散热效率是后者的3～4倍，能更快速地将电池系统内部的热量带走。直冷系统具有系统紧凑、重量轻以及性能好的优势，例如比亚迪海豚车型就采用的直冷冷却方式。

对于R-134a等制冷剂，泄漏率通常表示为质量流量（每年的逸出质量）而不是体积流量（特定时间段内给定压力下的逸出质量）。因此，通过制冷剂的年泄漏量来定义泄漏级别，常用的单位为g/a。以某款车型为例，其直冷板冷却剂R-134a泄漏量要求小于3g/a。但在工业生产中，一般通过气密检测的方法来检测直冷板的漏率，常用的漏率单位为mbar•L/s或Pa•m3/s。因此，需要研究制冷剂液体漏率到气体漏率的转化关系，并根据气体漏率指导直冷板气密检测设备选型。

1制冷剂液体漏率到气体漏率的转化

1.1理想状态下的气体泄漏率

根据质量守恒，液体制冷剂的泄漏量可以转化成理想状态下同质量该物质的气体量。在标准状态下（P0=1.013×105Pa、T0=273K），理想中1mol气体在标准大气压下的体积约为22.4L，即Vm=22.4L=22.4×10-3m3。理想气体气态方程及气体漏率公式为

式中，M为每秒制冷剂R-134a的泄漏量，可以由制冷剂R-134a的年泄漏量计算；u为制冷剂R-134a的相对分子质量，取102.03；T为当前温度（常温20℃）对应的开尔文温度，取293K；t为时间，取1s。

由此可以推出：

式中，Q0为标准大气压下气态R-134a的泄漏率。至此，完成了制冷剂液体漏率到标准状态下气体漏率的转化。以上文的某款车型直冷板冷却剂R-134a泄漏量要求小于3g/a为例，可以计算出其标准大气压下气态R-134a泄漏率Q=2.271×10-6Pam3/s。

1.2工作压力下的气体泄漏率

直冷板是通过制冷剂蒸发散发的方式对电池包降温，其不同规格的直冷板最高工作范围为2.0～3.5MPa，正常工作压力为0.8～2.0MPa。图1为某款新型电池包、直冷板，不但承担电池包温度控制功能，亦是结构件，作为电池包上盖起到支撑作用。

通常情况下，处理气体在管理中的流动均采用连续介质模型，但是直冷板大多是从管路接头、焊缝、本身缺陷等特征尺寸极小的缝隙或者漏孔向外泄漏的。漏孔的特征尺寸很小，故气体流动呈现出稀薄效应。根据克努森数（Kn）对气体稀薄程度的判定，稀薄气体流动基本上分为3个领域，即粘滞流域、过渡流域和自由分子流域。不过对于同一个漏孔，由于其几何尺寸一定，在工作温度一定时，漏孔漏率与漏孔两端压力差有关，且关系式表达如下：

式中，C和n为与漏孔自身相关的常数，表明对一个固定漏孔，在环境温度和充入气体压力不变的条件下，其漏率值与漏孔压力的n次方成线性关系。

不同学者对于漏孔及漏孔气体流动状态做了大量研究，钟博扬等的研究表明，在分子流状态下，漏孔的漏率与漏孔两端的压差成正比；在粘滞流状态下，漏孔的漏率与漏孔两端的压力的平方差成正比，即当n=1时，漏孔内气体为分子流；当1    

式中，Q0为标准大气压下的气态R-134a泄漏率；P0为标准大气压；P为直冷板的工作压力；Q1为工作压力下的泄漏率。由此可以计算出Q1=9.084×10-4Pa•m3/s。至此，推导出了制冷剂液体泄漏率到制冷剂气体在工作压力下的泄漏率转换。

1.3工作压力下的测试气体泄漏率

在工业生产中，一般采用空气或者示踪气体，如氦气等来检测产品的气密性。故在应用中，还需要将在工作压力下的制冷剂的气体泄漏率转换为测试气体泄漏率。根据王维等研究，在粘滞流状态下，漏率主要受粘滞系数大小的影响，示漏气体的粘滞系数越大，运动所受阻力就越大，气体流动性变差，漏率变得更小[5]。在实验环境及粘滞流漏孔内部压强相同时，其公式可表达为

式中，Qgas1为示漏气体为介质1时的泄漏率；Qgas2为试漏气体为介质2时的泄漏率；η1和η2分别为不同介质气体的粘度。参考式（6），在已知制冷剂气体粘滞系数和测试气体粘滞系数的情况下，即可完成制冷剂液体漏率到测试气体在工作压力下的漏率转换。

2直冷板的气密检测方法

在工业生产中，气密检测可以根据使用气体的不同分为空气检法（下文统一用D2表示）、氢检、氦检等；根据检测方法的不同，又分为直压检测、差压检测、流量法检测等。使用D2检测的一般气密检测设备最高检测范围在10-2Pa•m3/s，参考式（6）的结果可以看出，采用空气作为气密检测介质的检测设备测试精度不适用于直冷板的微小泄漏。特别值得说明的是，在实际应用中，有不少企业沿用液冷板的检测方式和设备来检测直冷板漏率，液冷板的最大工作压力为200kPa，根据式（5）可以看出，按照这种测试方法，漏孔的真实漏率比缩小了100倍，结果严重失真。

氦质谱检漏技术是以氦气为示踪介质，使用磁质谱分析仪进行检测的一种检漏方法[6]，其基本原理就是根据离子在垂直于磁场平面中运动时，不同质荷比的离子具有不同的偏转半径来实现异种离子的分离。

氦气示踪检测法灵敏度高，其检测精度可以达到10-8～10-12Pa•m3/s，且氦气属于惰性气体，化学性质稳定，近似不可燃，广泛应用于气密要求较高的密闭容器上。因此，可以采用氦检的方法来检测直冷板漏率，检测方法一般分为两种，真空累积法与吸枪氦检法。真空累积检测法主要原理是首先将工件抽真空后充入指定压力氦气，然后工件放入真空箱，氦气会通过漏孔扩散至真空腔内从而被探测到，再通过氦检漏仪高精度迅速准确的判断工件的泄漏情况。真空累积氦检仪的结构如图2所示。

吸枪氦检法主要原理是工件无需抽空，直接充入氦气直至混合气体氦气浓度大于5%，使用吸枪缓慢扫过工件表面，采集泄漏出来的气体，吸枪连接的氦检测仪会根据设备内部进入的氦气量来计算泄漏率。吸枪氦检法的结构如图3所示。

真空氦检累积法检测节拍快，可以判断工件整体状态，而吸枪氦检法可以精确寻找工件漏点位置，因而产线大批量检测使用真空氦检法，对检测出的不合格品再用吸枪氦检设备精确定位其漏点。

2.1直冷板的氦检检测方法

采用氦检方法来检测直冷板时，涉及不同介质漏率转化。根据式（6），即可推导出氦气检测时的漏率。氦气示踪检测方法中，为了节约氦气，降低成本，有时也采用较低浓度的氦气、空气混合气体来检漏，则这时式（6）中的粘度应该取该混合气体的粘度。计算公式可以参考杨淞成等的研究结论：

式中，ηm为混合气体的粘度；yi为不同气体的体积分数；ηi为不同气体的粘度；Mi为不同气体的分子量。

根据式（6）、式（7）可以推导出混合气体的泄漏率为

当使用纯氦气检测时，QHe=1.504×10-5Pa•m3/s，在常温为20℃、压力为2MPa工况下，R-134a粘度为4.14×10-7Pa•s；同工况下，氮气粘度为2.5×10-5Pa•s。

2.2试验验证与分析

选择10个泄漏量为3g/y的直冷板，按照《汽车空调制冷剂（R-134a）泄漏测试方法》测试，通过上述的累积氦检测方法进行检测，统计其实际漏率并与理论计算值进行对比。直冷板氦检试验结果如表1所示。

试验测试的数据均在10-5pa•m3/s量级，与理论计算的结果非常接近，说明理论计算可以很好地满足工程应用。

2.3直冷板氦检的注意事项

由于漏率与气体粘度相关，在实际应用中并不能单纯地用其中一种示漏气体对应的漏率去替代另一种。比如部分公司为了降低氦检成本，也有用氢氦混合气体来替代纯氦作为检测介质，此时漏率应该按照混合气体粘度重新修订。

此外，采用真空氦检累积法来检测直冷板漏率时，由于直冷板抽真空后再充入纯氦检测，因

此，也可以增加氦气回收装置，在测试完成后回收测试气体复用，用以降低成本。

3结论

本文通过理论求导求出了直冷板液冷剂年泄漏量到气体检测漏率的转化公式，并提出了直冷板氦检的检测方法，并论证了其合理性。工程人员可以快速参考公式设定产线检测标准，但必须指出的是，本文是建立在理想标准漏孔模型的基础上推导的，实际冷板漏孔不规则，无法完全拟合，在工程应用还需要结合实际调整漏率标准。