電動汽車用低電導率冷卻液的應用研究

高珍琪 楊操 王娟 趙康

江蘇龍蟠科技股份有限公司

近年來，世界主要汽車大國紛紛加強戰略謀劃，強化政策支持，各大車企加大研發投入，完善產業布局，新能源汽車已成為全球汽車產業轉型發展的主要方向和促進世界經濟持續增長的重要引擎。按照產業規劃，2025 年我國新能源汽車市場競爭力將明顯增強，新能源汽車新車銷售量將達到汽車新車銷售總量的20%左右，其中純電動汽車將成為新銷售車輛的主流[1]。新能源汽車與傳統燃油車的主要區別在于，新能源汽車是采用非常規的車用燃料作為動力來源（或使用常規的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進，具有新技術、新結構的汽車[2]。隨著環保和低碳生活理念的不斷提升以及新能源技術的不斷進步，新能源汽車已經成為全球關注的焦點，與傳統燃油車相比具有環保、節能、經濟等優點，為人們帶來更加舒適的出行體驗，新能源汽車越來越受到消費者的關注和追捧。

按照動力輸出裝置，目前市面上推廣使用的新能源汽車主要包括純電動汽車（PEV，以下簡稱電動汽車）、燃料電池汽車（FCV）和混合動力電動汽車（HEV）[3]，在這三種新能源汽車中，以電動汽車發展最為迅速。據公安部統計，截至2023 年6 月底，全國新能源汽車保有量達1 620 萬輛，占汽車總量的4.9%。其中，電動汽車保有量1 259.4 萬輛，占新能源汽車總量的77.8%，到2035 年電動汽車將成為新銷售汽車的主流[4]。由于石油是不可再生資源，能源危機正困擾著世界各國，發展電動汽車可以有效緩解能源危機。其次，電動汽車相比燃油車不會排放有毒有害物質和溫室氣體。另外，發展電動汽車可以解決電網晝夜間不平衡的問題，目前世界上各個國家都受到這個問題的困擾，電動汽車白天在路上行駛，晚上可以利用“谷電”充電，有利于調節電網晝夜間負荷不平衡的問題。

目前國內多數主機廠將傳統燃油車冷卻液用于電動汽車的熱管理系統中；隨著電動汽車的發展，一些主機廠開始關注電動汽車中冷卻液的電導率對電動汽車性能及安全方面的影響。國家能源局在2021 年11 月16 日發布了NB/SH/T 6047—2021《 電動汽車冷卻液》行業標準[5]，該標準中提出了電動汽車用冷卻液的技術要求，但是標準中未對電動汽車冷卻液的電導率做出要求，GB 29743.2《電動汽車冷卻液》目前在征求意見階段，尚未正式發布（征求意見稿中要求電動汽車用冷卻液初始電導率不大于100 μS/cm）。本文自主研發了一款用于電動汽車的低電導率冷卻液，該產品在滿足NB/SH/T 6047—2021《電動汽車冷卻液》的基礎上，具有良好的低電導率，目前已配套國內知名的主機廠。行車試驗是評價冷卻液性能最佳的方法，通過對行車試驗中冷卻液的理化指標及車輛零部件腐蝕情況進行監測，能夠檢驗冷卻液性能的優劣。為驗證所研發的低電導率冷卻液產品的實際應用性能，本文在3 輛出租車（均為電動汽車）上進行了100 000 km 的行車試驗研究。

本文采用-40 ℃低電導率冷卻液在純電動乘用車上進行了100 000 km 的行車試驗應用研究。行車試驗結果表明， -40 ℃低電導率冷卻液具有優異的電導率和pH 值保持能力，同時具有良好的金屬保護性能，能夠滿足電動汽車冷卻系統的使用要求。

試驗部分

試驗用的冷卻液

本次行車試驗所用的冷卻液為-40 ℃低電導率冷卻液，其理化性能典型數據見表1。

表1 -40 ℃低電導率冷卻液理化性能典型數據

試驗車輛

本次行車試驗采用3 輛吉利帝豪純電動汽車，車輛使用年限1～2年，試驗車輛相關信息見表2。

表2 行車試驗車輛的相關信息

試驗前準備

在行車試驗開始之前，將3 輛電動汽車冷卻液系統中的冷卻液全部排空，然后加入去離子水，使液位達到膨脹水壺中間位置，啟動車輛，怠速10 min，將液體放出，觀察放出液體的顏色，如果放出液體有顏色，重復上述步驟，直至放出的沖洗純水為無色，然后加注試驗冷卻液，啟動車輛，怠速10 min 后取樣檢測液體電導率，如電導率測試結果在60～80 μs/cm，表明冷卻系統已清洗干凈。啟動車輛怠速10 min，采集樣品作為0 km 試樣，繼續加注試驗冷卻液至液位線。

試驗過程中取樣和項目評定

為了減少行車試驗過程中取樣對試驗結果的影響，根據行車試驗大綱，取樣間隔為0 km、10 000 km、20 000 km、30 000 km、40 000 km、50 000 km、60 000 km、70 000 km、80 000 km、90 000 km、100 000 km，共計采集11次樣，每次取樣300 mL，每次取樣后補加相同數量的新液。對所取樣品進行pH、冰點、電導率、沸點、金屬含量（鐵、鋁、銅）等項目分析，其中金屬含量作為參考數據。

電動汽車用低電導率冷卻液與傳統燃油車冷卻液最大的區別在于低電導率冷卻液具有較低的電導率，傳統燃油車冷卻液電導率一般在3 000 μS/cm 以上。冷卻液電導安全相關試驗結果表明，選用電導率為300 μS/cm、500 μS/cm 和3 200 μS/cm 的冷卻液進行電導安全試驗（組件測試），在800 V的高壓下電導率3 200 μS/cm 的冷卻液會快速引起異常情況，電導率500 μS/cm 的冷卻液在13 h 后也出現打火爆燃的情況，電導率300 μS/cm 的冷卻液72 h 未發現異常，因此參考試驗結果，將行車試驗過程中冷卻液電導率換液標準定為不大于300 μS/cm。

電動汽車冷卻系統使用了較多的鋁材質，主要包括3 系鋁、4 系鋁和6 系鋁，所以電動汽車冷卻液在配方設計時將防腐蝕的重點放在了鋁系合金材料上，根據布拜圖（E電位-pH 圖）鋁金屬防護的最佳pH 值范圍是4.0～8.5，對于銅和焊錫材料而言，pH 值范圍在7.0～8.5可以獲得較佳的防護效果，因冷卻液在使用過程中會出現酸化導致pH值出現下降，因此，將試驗過程中冷卻液pH 值換液標準定為不小于7.0。

冷卻液的冰點和沸點主要與乙二醇和水的配比有關，在一定范圍內，隨著乙二醇的加劑量提高，沸點越高，冰點越低，當冷卻液的冰點確定后，沸點也基本確定，因此，行車試驗過程中冰點和沸點的換液標準參照NB/SH/T 6047—2021《 電動汽車冷卻液》。綜合以上，本次行車試驗中冷卻液的換液指標見表3。

表3 行車試驗冷卻液換液標準

結果與討論

pH 值變化

pH 值是冷卻液重要的技術指標。冷卻系統中金屬發生腐蝕的實質是電化學氧化還原反應的過程，冷卻液的pH 值是影響金屬電化學腐蝕速率的重要因素， pH 值在合適的范圍內才能對冷卻系統的金屬材料有較好的保護性能，pH 值偏高或者偏低都會影響冷卻液在汽車中的使用效果和使用壽命。冷卻液的pH 值下降會加速金屬的腐蝕，同時也會造成冷卻系統的非金屬件（如橡膠管）的腐蝕，極端情況下可能導致冷卻液的泄漏，對冷卻液系統的危害較大。試驗冷卻液pH 值的變化趨勢如圖1 所示。

圖1 pH值的變化趨勢

由圖1 可以看出，行車試驗過程中冷卻液的pH 呈現下降的趨勢，主要是因為冷卻液中的乙二醇在使用過程中高溫氧化產生酸性離子，從而造成pH 值下降，整個行車試驗過程中3 臺車試驗冷卻液的pH值沒有出現大幅下降，表明 -40 ℃低電導率冷卻液具有良好的pH 值保持性。

冰點變化

冰點是冷卻液重要的功能性指標，直接關系到冷卻液的防凍能力。冷卻液的冰點越低，防凍能力越強，在低溫的條件下能夠保持良好的流動狀態，可以有效防止因液體凍結體積膨脹而導致的冷卻系統漲裂。冷卻液的冰點與防凍劑（乙二醇）和純水的添加比例有關，在一定的濃度范圍內，隨著防凍劑的添加比例的升高，冷卻液的冰點會降低，當防凍劑比例超過70%（體積分數）后，冷卻液的冰點會隨著防凍劑的添加比例升高而升高。試驗冷卻液冰點的變化趨勢如圖2 所示。

圖2 冰點的變化趨勢

由圖2 可以看出，行車試驗過程中冷卻液的冰點在持續下降，主要原因是行車試驗過程中有一定量的水分蒸發，冷卻液的乙二醇含量升高，從而出現冰點下降的現象。

電導率變化

電導率又稱為導電率，是用來描述物質中電荷流動難易程度的參數，是表示物質傳輸電流能力強弱的一種測量值。電動汽車冷卻液主要是對三電系統進行熱管理，冷卻液管路流經大量的電氣元件。據有關統計分析，電動汽車三電系統的故障主要是因為電池冷卻液系統的失效造成的，冷卻液進入三電系統內部可能會造成動力電池系統中電氣回路故障，在極端情況下有可能會引起熱失控，造成車輛起火，存在較為嚴重的安全隱患。傳統燃油車冷卻液電導率基本在3 000 μs/cm以上，冷卻液電導率越高，短路電流與短路釋放的熱功率就會越大，如果冷卻液泄漏接觸到電氣元件，會引起嚴重的事故。低電導率冷卻液能顯著降低因冷卻液泄漏導致高壓電氣元件安全問題發生的概率。試驗冷卻液電導率的變化趨勢如圖3 所示。

圖3 電導率的變化趨勢

由圖3 可以看出，行車試驗在60 000 km 之前，電導率升高較快，在70 000 km 以后電導率逐漸趨于穩定，試驗車輛在行車試驗結束后冷卻液的電導率均未超出前期設定的換液指標。試驗前期冷卻液電導率升高速度較快，主要原因是試驗車輛冷卻系統內部的污染，隨著行車試驗的進行，冷卻液電導率逐漸趨于穩定，緩蝕劑在冷卻系統金屬表面形成了保護膜，降低了金屬腐蝕離子的析出速度[5]，同時冷卻系統中的非金屬材料可溶性離子隨著行車試驗的進行，析出速度也在減小，因而降低了電導率升高的速度。

沸點變化

沸點是考察冷卻液中防凍劑質量和添加量的重要指標之一。以乙二醇作為防凍劑的冷卻液，防凍劑（乙二醇）添加量越大，沸點越高，當冷卻液中防凍劑（乙二醇）與水的添加比例確定后，冷卻液的冰點、沸點和密度基本也確定了。試驗冷卻液沸點的變化趨勢如圖4 所示。

圖4 沸點的變化趨勢

由圖4 可以看出，行車試驗過程中冷卻液的沸點出現波動，但整體呈現升高的趨勢，主要原因是行車試驗過程中由于冷卻液中水分的蒸發，乙二醇含量升高，從而出現沸點升高的現象。

金屬元素含量

電動汽車冷卻系統主要是由黃銅、紫銅、ZL101A 鑄鋁、3003 鋁、4043 鋁和6063 鋁等材質組成的，通過對冷卻液金屬元素的監控，可以從側面了解冷卻液對金屬的保護情況。在整個行車試驗中，通過每隔10 000 km 取樣監測，試驗用的冷卻液中鐵、鋁、銅等金屬元素含量均低于ICP 儀器的檢出限。導致這一現象的主要原因，是試驗用的低電導率冷卻液中緩蝕劑能夠有效減緩冷卻系統中鐵、鋁、銅等金屬的腐蝕，從而使得冷卻液中金屬離子含量很低。由此說明，試驗用的低電導率冷卻液具有良好的金屬保護性能，能為電動汽車冷卻系統提供良好的保護。

結論

經過10 個月的行車試驗跟蹤，3輛試驗出租車分別經過100 000 km的行駛里程，通過行車試驗驗證了-40 ℃低電導率冷卻液的性能。從行車試驗數據分析結果來看，-40 ℃低電導率冷卻液在整個行車試驗過程中，冷卻液的pH值、電導率、冰點、沸點等理化指標均在行車試驗換液標準范圍內，金屬元素數據未出現明顯升高。這主要是因為-40 ℃低電導率冷卻液采用全新的有機非離子型緩蝕劑技術，能夠對電動汽車冷卻系統的銅、鋁及鋼等金屬材料提供全方位的緩蝕保護，同時又能有效抑制電動汽車冷卻系統中非金屬材料中離子的析出。本次行車試驗結果表明， -40 ℃低電導率冷卻液具有良好的低電導率保持能力，可以滿足電動汽車對冷卻液低電導率性能的要求。