新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰離子電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虞彬彬

摘 要：動(dòng)力鋰離子電池自身有最佳的工作溫度范圍20～30°C，但電池在工作過程中電化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱量，電池自身的溫度會升高而超過最佳的工作溫度范圍，要使電池一直保持在最佳的工作狀態(tài)，延長使用壽命，就需要給鋰離子電池提供冷卻降溫。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力鋰離子電池；冷卻；性能；使用壽命

電動(dòng)汽車真正實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保，徹底擺脫對石油的依賴，也成為目前汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向。動(dòng)力電池是為電動(dòng)汽車主要或唯一驅(qū)動(dòng)能源，相當(dāng)于汽車的心臟，所以電池性能的好壞直接影響整車的性能。

根據(jù)動(dòng)力電池的使用特點(diǎn)、要求、應(yīng)用領(lǐng)域不同，國內(nèi)外動(dòng)力電池的研發(fā)大致有4個(gè)階段；第一代的鉛酸蓄電池、第二代的堿性電池、第三代的鋰離子電池和第四代的燃料電池，結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)和成本，目前電動(dòng)汽車使用最廣的是鋰離子電池作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，下面就針對鋰離子電池的冷卻系統(tǒng)展開討論。

目前市場上單體鋰離子電池基本有三種圓柱形電池、方形電池和軟包電池，雖然它們的外形有差異，但是所使用的冷卻方式基本都相同。

鋰離子電池在量產(chǎn)中常用冷卻方式主要有三種 ：自然冷卻、風(fēng)扇風(fēng)冷或蒸發(fā)器風(fēng)冷及液冷。這三種冷卻方式都是利用冷卻介質(zhì)流過或接觸過熱電池的表面，利用溫度差的熱傳遞方式將熱量帶走，從而達(dá)到給電池冷卻降溫作用。

一、自然冷卻系統(tǒng)

自然冷卻系統(tǒng)是利用電池系統(tǒng)、模組或電池單體自身溫度與周圍環(huán)境溫度之間的存在溫差，空氣為介質(zhì)，利用空氣的自然對流換熱，將電池系統(tǒng)、模組或電池單體的熱量傳遞到周圍的空氣中，從而在一定程度上減低電池單體的溫度。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很低，且自然對流很慢，因此自然冷卻的散熱效率一般比較低。此外，當(dāng)電池系統(tǒng)周圍不存在其他熱源時(shí)，溫度也可以控制在較小的范圍內(nèi)。自然冷卻方式雖然冷卻效果較低，但這種方式的成本較低，占用的空間較小。在電池系統(tǒng)運(yùn)行工況緩和、成本控制較高以及留給冷卻系統(tǒng)的空間十分有限或空間非常大的情況，這種方式也是可取的選擇。

雖然自然冷卻是一種利用電池系統(tǒng)工作環(huán)境的溫度差的一種被動(dòng)冷卻方式，但還是需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電池工作時(shí)，電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量，我們需要電池的熱量從導(dǎo)熱材料或金屬板導(dǎo)到模組或電池箱體上，再通過空氣的對流，將熱量散發(fā)出來，所以我們一般都需要對模組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圓柱形電池由于尺寸小、發(fā)熱量不太大等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如果電池與電池之間加有導(dǎo)熱材料，這樣成本會大幅增加，所以圓柱形電池的模組只需將電池固定，不需要填充導(dǎo)熱材料。方形和軟包電池，一般形狀規(guī)整，體積較大，模組設(shè)計(jì)時(shí)，一般在電池之間或電池的底部，增加導(dǎo)熱材料或?qū)徜X板，便于將電池內(nèi)部的熱量導(dǎo)出，再通過模組和箱體將熱量散發(fā)出來。

二、風(fēng)扇風(fēng)冷或蒸發(fā)器風(fēng)冷系統(tǒng)

風(fēng)扇風(fēng)冷或蒸發(fā)器風(fēng)冷是通過風(fēng)扇或蒸發(fā)器將溫度較低空氣引入箱體內(nèi)部。如果電池系統(tǒng)需要密封時(shí)，就只能通過蒸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)或者不將外界空氣引入箱體?？諝庠陲L(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下，以一定的流速穿過模組或電池的外表面，并將電池產(chǎn)生的熱量傳遞到環(huán)境空氣中；有一種是單獨(dú)使用風(fēng)扇風(fēng)冷，另一種是使用蒸發(fā)器與風(fēng)扇組合的風(fēng)冷系統(tǒng)。

這種冷卻方式需要對箱體或模組進(jìn)行特有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一般有電池排布方式、風(fēng)道設(shè)計(jì)、蒸發(fā)器設(shè)計(jì)、風(fēng)扇選型及固定等。

（1）電池排布一般兩個(gè)電池之間需要留有一定的間隙，便于空氣以一定的流速穿過各個(gè)電池的外表面。圓柱形和方形電池強(qiáng)度和剛度比較高，排布時(shí)可以留有一定的間隙，而軟包電池自身的強(qiáng)度和剛度較差，需要在電池之間增加導(dǎo)熱材料，將電池內(nèi)部的熱量導(dǎo)出；

（2）對于風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，風(fēng)道的設(shè)計(jì)是十分關(guān)鍵的，很好的風(fēng)道設(shè)計(jì)，不僅可以提高散熱的均勻性，而且還可以降低系統(tǒng)的流動(dòng)阻力，所以風(fēng)道設(shè)計(jì)應(yīng)該從結(jié)構(gòu)簡單、成本低、密封性好、便于安裝、對對空氣流通無阻礙等這幾個(gè)方面來考慮；

（3）蒸發(fā)器的選型，根據(jù)整車空調(diào)系統(tǒng)中壓縮機(jī)的型號及制冷量、電池包中電池?cái)?shù)量、箱體的空間、蒸發(fā)器制冷量和成本等方面來考慮；

（4）對于風(fēng)扇的選型，最重要是所選用的風(fēng)扇必須滿足提供足夠的風(fēng)量和風(fēng)壓，以保證系統(tǒng)有足夠的冷卻空氣流量和流通速度，另外還要根據(jù)電池包結(jié)構(gòu)空間的大小，來選擇風(fēng)扇的尺寸、重量，再有就是為風(fēng)扇提供的工作電壓、噪音功能和成本等因素也在考慮范圍之內(nèi)。

三、液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著用戶對電動(dòng)汽車的性能要求越來越高，國家補(bǔ)貼政策也偏向行駛里程長，能量密度高的整車，整車廠對動(dòng)力電池系統(tǒng)的功率性能和快充性能的要求也越來越高，要使電池發(fā)揮最佳的性能，這就是對電池系統(tǒng)冷卻設(shè)計(jì)的要求也越來越高，在這里只討論電池系統(tǒng)內(nèi)部的液冷系統(tǒng)。

液冷系統(tǒng)的工作原理，就是通過液冷板中冷卻液與電池表面接觸，將熱量帶到電池系統(tǒng)的外部，從而達(dá)到給電池冷卻降溫作用。

其實(shí)一套完整的電池系統(tǒng)內(nèi)部液冷系統(tǒng)，包括冷卻液的進(jìn)、出接口、冷卻管、液冷板及冷卻液等。

（1）冷卻液的進(jìn)、出接口需要與整車的冷卻系統(tǒng)相匹配，我們一般選用國標(biāo)通用接口類型，這樣加工成本比較低；

（2）冷卻管一般從管子的材料、管徑的大小、耐腐蝕性、工作壓力及工作溫度范圍等這幾個(gè)方面選型；

（3）液冷板相當(dāng)于彎曲的水管，冷卻液能在液冷板內(nèi)流動(dòng)，液冷板使用的材料是導(dǎo)熱效果較好的鋁；液冷板需要與電池的表面充分接觸，這樣才能起到更好的導(dǎo)熱效果；由于電池與液冷板的表面都比較硬，因此，需要在液冷板表面貼一層導(dǎo)熱和絕緣效果較好的導(dǎo)熱墊。液冷板的設(shè)計(jì)是液冷系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，根據(jù)電池的種類不同，設(shè)計(jì)成不同的液冷板，如果使用方形電池和軟包電池，一般使用板式結(jié)構(gòu)的液冷板，液冷板與電池的底部或者側(cè)面充分接觸；如使用圓柱形電池時(shí)，由于電池的外表面是圓形，所以液冷板需要設(shè)計(jì)成彎曲的帶狀，其彎曲弧度尺寸需要與電池的外徑尺寸相匹配，才能與電池表面無縫的接觸，起到更好的導(dǎo)熱效果；

（4）冷卻液在液冷系統(tǒng)中起著重要的作用，冷卻液的選型需要從傳熱能力、使用溫度范圍、電絕緣性、腐蝕性等方面綜合考慮。

四、結(jié) 論

（1）根據(jù)不同車型的不同工況、電池型號、電池系統(tǒng)空間大小及成本要求，來選擇適合的冷卻系統(tǒng)，并對電池的使用壽命和工作性能起很大的作用。

（2）動(dòng)力鋰離子電池冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足散熱均勻且效果佳、機(jī)械結(jié)構(gòu)易于加工、成本低及安裝方便等。