電池模組及其冷卻方法研究

摘要：電池模組是由多個(gè)電池模塊連接而成的，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量導(dǎo)致電池的溫度上升，溫度過(guò)高會(huì)直接降低電池的性能。文章以電池模組冷卻為研究對(duì)象，對(duì)一種冷卻效果好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高的電池模組進(jìn)行探究，根據(jù)研究，該散熱裝置的散熱效果較好，能夠有效滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：鋰電池；電池模組；散熱裝置；冷卻方法；能源消耗 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM911 文章編號(hào)：1009-2374（2017）11-0060-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.031

眾所周知，能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，而目前推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最多的還是石油資源。21世紀(jì)以來(lái)，隨著全球能源消耗的不斷加大，隨之帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)重。汽車(chē)尾氣排放超標(biāo)已成為城市空氣污染的一個(gè)重要因素，如果不解決石油資源等不可再生能源的快速消耗和控制汽車(chē)尾氣的排放，將會(huì)直接危害人類的生存空間和身心健康。不斷研究和開(kāi)發(fā)新技術(shù)降低能源消耗是解決以上問(wèn)題的關(guān)鍵，電動(dòng)汽車(chē)就是新能源概念下的產(chǎn)物，用電能取代燃料成為能量源，為汽車(chē)提供驅(qū)動(dòng)力。隨著我國(guó)對(duì)新能源汽車(chē)的各類補(bǔ)貼政策的推動(dòng)，新能源汽車(chē)（混合動(dòng)力、純電動(dòng)、燃料電池等）得以快速發(fā)展。鋰電池作為純電動(dòng)汽車(chē)的主要?jiǎng)恿υ?，直接決定著車(chē)輛的使用和整體性能。

1 鋰電池模組冷卻的必要性

鋰電池模組是由若干個(gè)鋰電池串并聯(lián)后組裝而成的，在電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用中，電池處于隨時(shí)充放電的狀態(tài)，而充放電又是典型的電化學(xué)過(guò)程，在電池充放電過(guò)程中，電池組內(nèi)溫度可能達(dá)60℃以上。在電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，若干個(gè)電池模塊的熱量則會(huì)聚集，如不及時(shí)對(duì)電池模組進(jìn)行散熱冷卻，則會(huì)對(duì)電池的性能、使用壽命以及使用的安全性產(chǎn)生影響。根據(jù)文獻(xiàn)及研究分析，鋰電池衰減機(jī)理表明鋰離子電池在40℃的環(huán)境下工作與常溫下工作時(shí)的壽命基本一致，但在超過(guò)45℃以上的溫度下，隨著工作溫度升高，鋰電池初始容量會(huì)不斷衰減，當(dāng)工作達(dá)到55℃時(shí)，電池容量就只有初始容量的70%。因此鋰電池理想工作溫度為20℃～40℃，如果需要鋰電池在恒定的溫度下工作，必須構(gòu)建完善的冷卻系統(tǒng)。目前，針對(duì)電池冷卻也有多種方式，但是電池冷卻受技術(shù)影響，仍會(huì)出現(xiàn)各種不穩(wěn)定問(wèn)題。同時(shí)由于車(chē)輛行駛地域環(huán)境跨度較廣，電池需適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，這就使得研究電池冷卻系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 鋰電池冷卻方式研究

由于鋰離子電池對(duì)工作溫度很敏感，其使用壽命主要受工作溫度影響，汽車(chē)行駛過(guò)程中，隨著不斷的充放電，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量需要及時(shí)散發(fā)出去，使電池始終處于理想溫度的工作狀態(tài)。但同一類型、規(guī)格的電池在電壓、內(nèi)阻、容量等方面的參數(shù)值存在差別，使其在電動(dòng)汽車(chē)上使用時(shí)，性能指標(biāo)往往達(dá)不到單體電池的原有水平。在電池運(yùn)行過(guò)程中，不能忽略電池溫度均勻性，由于電池的溫度是不一樣的，因此必須關(guān)注任意兩個(gè)電池的溫差，同時(shí)還應(yīng)該提高散熱效果，具體包括設(shè)計(jì)風(fēng)道、提升冷卻板的接觸導(dǎo)熱能力等。通過(guò)應(yīng)用電池模組冷卻熱管理，可以有效起到很好的冷卻效果。目前，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力領(lǐng)域鋰電池模組冷卻方式主要有以下三種：

2.1 風(fēng)冷

風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全，維護(hù)方便，成本也較低，是目前電池模組采用最多的散熱方式。它分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種冷卻方式，電動(dòng)汽車(chē)多采用強(qiáng)制對(duì)流流冷卻，通過(guò)風(fēng)扇或壓縮空氣對(duì)電池散熱。但是空氣與電池表面熱交換系數(shù)低、熱量散出慢，且電池模組無(wú)法密封，防水、防塵效果差，也很難保證電池模組內(nèi)單體電池之間的溫度一致。

2.2 液體冷卻

液體冷卻是指采用高導(dǎo)熱率、電絕緣的液體和電池進(jìn)行直接或間接接觸，使熱量被流動(dòng)的液體帶走。制冷液體由于導(dǎo)熱率高可以快速的使電池降溫，并能保持單體電池之間溫度的一致性，但制冷液都存在黏度大的特點(diǎn)，限制了流動(dòng)的速度，導(dǎo)致?lián)Q熱效果也不夠好（如表1所示）。

2.3 相變材料冷卻

相變材料是指隨著外界溫度變化，其物理狀態(tài)發(fā)生改變并提供熱量的物質(zhì)，利用工質(zhì)的相變潛熱使電池溫度維持在一定范圍內(nèi)。它可以在很大程度上控制溫度的上下限，滿足鋰電池20℃～40℃理想工作溫度要求，并且使電池模組內(nèi)各單體電池溫度一致，冷卻效果好，但成本較高，目前技術(shù)也還不夠成熟，正處于發(fā)展階段。

3 電池模組冷卻方案設(shè)計(jì)

電池模組由電池陣列、散熱片、冷卻管和殼體四個(gè)部分組成。電池陣列1包括若干單體電池。電池采用圓柱形電池，若干電池在電池陣列1中呈錯(cuò)列布置。散熱片2穿插于電池陣列1中，冷卻管3設(shè)置于電池陣列1兩側(cè)，其內(nèi)部通入制冷劑。如圖1所示，散熱片2迂回的穿插于電池陣列1中，并穿出電池陣列1固定于冷卻管3上。散熱片2采用迂回的穿插方式，有利于增加散熱片2與電池11的接觸面積，從而增加電池模組的換熱面積，能有效地將單體電池的熱量導(dǎo)出。

3.1 電池

電池陣列1包括兩個(gè)相鄰設(shè)置的第一電池11和第二電池12，散熱片2包括兩個(gè)相鄰設(shè)置的第一散熱片21和第二散熱片22，第一散熱片21和第二散熱片22均包括相對(duì)設(shè)置的第一側(cè)面211和第二側(cè)面212，第一散熱片21的第一側(cè)面211沿著第一電池11的軸向包裹于第一電池11外，第一散熱片21的第二側(cè)面212沿著第二電池12的軸向包裹于第二電池12外，第二散熱片22的第二側(cè)面212與第一電池11接觸設(shè)置。由此可見(jiàn)，在由第一電池11和第二電池12組成的電池陣列中，散熱片2與第一電池11的軸向外表面都呈接觸設(shè)置，相對(duì)于傳統(tǒng)的直線型的散熱片，其可以使散熱片與單個(gè)電池的軸向表面相接觸，散熱面積大，冷卻效果好。優(yōu)選的散熱片2的寬度與單體電池軸向長(zhǎng)度相等，如此可以使散熱片2能接觸整個(gè)電池的軸向表面。散熱片2的寬度大于單體電池軸向長(zhǎng)度的一半。

3.2 散熱片

散熱片2采用柔性的石墨材料制成，石墨材料具有優(yōu)越的導(dǎo)熱性，薄且為柔性，可以依電池的具體排布進(jìn)行任何迂曲的不規(guī)則布置，可增加散熱片與電池之間的接觸面積，從而進(jìn)行有效換熱。石墨材料可以為石墨片或石墨烯等。

3.3 冷卻管

冷卻管3呈迂曲管狀，一方面，迂曲的管狀有利于增加制冷劑的行程，從而增加制冷量，提高換熱效果；另一方面，迂曲的管狀有利于散熱片的固定。如圖2所示，冷卻管3包括與單體電池的軸向相平行的第一段31以及與第一段31相垂直的第二段32，第一段31與第二段32之間采用圓弧過(guò)渡連接，散熱片2固定于第一段31上。

第一段31設(shè)置于電池陣列1的兩側(cè)，并位于相鄰兩單體電池之間的對(duì)應(yīng)位置。如此設(shè)計(jì)，當(dāng)散熱片2與第一段31連接時(shí)，必須要被牽引到兩單體電池之間的對(duì)應(yīng)位置，可以進(jìn)一步增加電池與散熱片的接觸面積。

3.4 殼體

殼體4與電池陣列1、散熱片2和冷卻管3一體成型，以將電池陣列1、散熱片2和冷卻管3封于殼體4中（如圖3所示）。如此設(shè)計(jì)，可將電池、散熱片、冷卻管牢固的固定在一起，形成電芯磚，增加整個(gè)電池模組的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可滿足強(qiáng)烈的沖擊、振動(dòng)、冷熱沖擊等惡劣環(huán)境使用需求。本次實(shí)施將電池陣列、散熱片和冷卻管組裝完成后，然后采用灌封膠水灌封，使四個(gè)部分牢固地結(jié)合在一起。還可以對(duì)殼體進(jìn)行水冷或強(qiáng)制風(fēng)冷，以進(jìn)一步提高電池模組的冷卻效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本方案通過(guò)采用迂回穿插于電池陣列的散熱片，可以增加散熱片與電池的接觸面積，使其充分進(jìn)行熱傳導(dǎo)，并將熱量傳遞給冷卻管，與制冷劑進(jìn)行熱交換，除此以外，還能夠達(dá)到很好的制冷效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池陣列的冷卻，冷卻效果好。

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作者簡(jiǎn)介：劉智亮（1978-），男，江西人，供職于廣東億鼎新能源汽車(chē)有限公司，研究方向：汽車(chē)項(xiàng)目管理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）