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    新能源汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)研究

    2022-01-25 05:58:38鄭威
    科技風(fēng) 2022年2期
    關(guān)鍵詞:新能源汽車動(dòng)力電池

    摘要:新能源汽車的研發(fā),可有效改善傳統(tǒng)燃油汽車所造成的環(huán)境污染問(wèn)題,通過(guò)零污染、零排放,與我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相一致?;诖?,文章對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池為切入點(diǎn),從氣體介質(zhì)、液體介質(zhì)、相變介質(zhì)三方面,對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)進(jìn)行探討,僅供參考。

    關(guān)鍵詞:新能源汽車;動(dòng)力電池;冷卻技術(shù)

    新能源汽車的研發(fā),通過(guò)電力能源取代傳統(tǒng)燃油能源,可有效實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約,減少尾氣排放,進(jìn)一步符合我國(guó)節(jié)能環(huán)保工作的開展。此外,在汽車充電樁設(shè)施的布局下,可滿足新能源汽車的續(xù)航需求,為電力能源與機(jī)械能源之間的轉(zhuǎn)換提供基礎(chǔ)保障。但電池裝置在長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下,電能與熱能之間的比例將呈現(xiàn)出負(fù)增長(zhǎng)現(xiàn)象,當(dāng)電池?zé)崮艿漠a(chǎn)生高于熱能輸出時(shí),則將加劇電力能源的損耗,縮減電池裝置的使用壽命。電池冷卻技術(shù)的應(yīng)用,則可為電池裝置進(jìn)行熱量管理,通過(guò)不同技術(shù)工藝、介質(zhì)材料等,及時(shí)將電池裝置產(chǎn)生的熱量進(jìn)行分散,以提高電池生命周期,為企業(yè)創(chuàng)造更為的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)。

    新能源汽車動(dòng)力電池概述

    所謂新能源汽車動(dòng)力電池,就是為新能源汽車提供動(dòng)力的一種電源。就目前的市場(chǎng)來(lái)看,用來(lái)為新能源汽車提供動(dòng)力的電源主要包括鎳氫電池、鉛酸電池、燃料電池和鋰電池。以下是對(duì)幾種常見的新能源汽車動(dòng)力電池所進(jìn)行的分析:

    鎳氫電池

    這種蓄電池的性能十分良好,具體應(yīng)用中,可按照高壓鎳氫電池以及普通鎳氫電池來(lái)進(jìn)行劃分。在新能源汽車中,該動(dòng)力電池的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是放電功率大、記憶效應(yīng)小、使用壽命長(zhǎng)、可循環(huán)使用。憑借著這些優(yōu)勢(shì),這種動(dòng)力電池已經(jīng)在很多新能源汽車制造企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。比如,在日本豐田汽車公司所生產(chǎn)的普銳斯新能源汽車中,就將這種蓄電池用作了動(dòng)力電池。目前,這種蓄電池的發(fā)展已經(jīng)比較成熟,我國(guó)也在其原材料加工方面具備了較為成熟的技術(shù)。因此,在新能源汽車的生產(chǎn)中,這種蓄電池已經(jīng)成為了一個(gè)主要的動(dòng)力來(lái)源方向。

    鉛酸電池

    就目前的新能源汽車動(dòng)力電池市場(chǎng)來(lái)看,最具完善性且具備最成熟技術(shù)的就是鉛酸電池。雖然此類電池在應(yīng)用中存在技術(shù)水平不足、環(huán)保效果不佳等的問(wèn)題,但是這種動(dòng)力電池依然在新能源汽車中具備較好的發(fā)展前景。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,鉛酸電池在技術(shù)方面也得到了不斷優(yōu)化,目前,其放電功率已經(jīng)由原來(lái)的20Wh/kg提升到了現(xiàn)在的40Wh/kg,且使用壽命也實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步延長(zhǎng),由原來(lái)的放電300次左右提升到了放電4000次以上。另外,當(dāng)今的鉛酸電池回收技術(shù)發(fā)展也十分迅速,該技術(shù)的發(fā)展讓鉛酸電池回收與再利用率超過(guò)了90%,有效解決了鉛酸電池廢棄對(duì)于環(huán)境污染等的問(wèn)題。由此可見,此類動(dòng)力電池的研究正在朝著技術(shù)型和環(huán)保型的方向發(fā)展,而其發(fā)展空間也將越來(lái)越大。

    燃料電池

    燃料電池的主要工作原理是實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化,它屬于一種化學(xué)裝置,所以人們也將此類電池稱為電化學(xué)發(fā)電器。在對(duì)新能源汽車進(jìn)行生產(chǎn)和制造的過(guò)程中,燃料電池所能發(fā)揮出的主要優(yōu)勢(shì)不僅僅是很高的工作效率,同時(shí)其有害氣體排放量以及噪聲污染等都非常小。憑借著這些優(yōu)勢(shì),這種動(dòng)力電池在當(dāng)今的新能源汽車制造領(lǐng)域中具有很大的發(fā)展空間。相比較西方的很多發(fā)達(dá)國(guó)家而言,我國(guó)在燃料電池方面的技術(shù)水平目前依然有待提升,無(wú)論是技術(shù)方面還是配套設(shè)施方面都有待進(jìn)一步完善,其技術(shù)的設(shè)計(jì)與研發(fā)也存在較大難度。這就需要相關(guān)企業(yè)、研究人員和技術(shù)人員加大力度對(duì)此類動(dòng)力電池進(jìn)行研究,及時(shí)掌握其關(guān)鍵技術(shù),使其在我國(guó)的新能源汽車上得以良好應(yīng)用。

    鋰電池

    伴隨著當(dāng)今微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,離電池也開始投入了大規(guī)模的生產(chǎn)與制造中。這種動(dòng)力電池主要是將鋰金屬或鋰合金用作陽(yáng)極材料,對(duì)非水形式的電解質(zhì)溶液加以科學(xué)應(yīng)用,進(jìn)而制造的一種新型蓄電池。將鋰電池用作新能源汽車中的動(dòng)力電池,其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)將十分顯著,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),這種動(dòng)力電池的比功率可以達(dá)到1600Wh/kg,比能量可以達(dá)到150Wh/kg。另外,在我國(guó)電能技術(shù)的不斷發(fā)展與完善中,這種動(dòng)力電池的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)也在不斷提升。就目前來(lái)看,鋰電池的一個(gè)主要研究與發(fā)展方向是聚合物形式的鋰電池,此類動(dòng)力電池可按照三元鋰電池以及錳酸鋰電池等來(lái)進(jìn)行劃分,不同鋰電池的應(yīng)用性能并無(wú)很大差別,都可以在新能源汽車中加以合理應(yīng)用,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)新能源汽車動(dòng)力的有效提供。由此可見,在我國(guó)的新能源汽車發(fā)展中,鋰電池也是其動(dòng)力電池的一個(gè)重要選擇。

    新能源汽車動(dòng)力電池的冷卻技術(shù)分析

    就目前來(lái)看,在新能源汽車動(dòng)力電池的具體應(yīng)用中,其冷卻技術(shù)主要包括氣體介質(zhì)冷卻技術(shù)、液體介質(zhì)冷卻技術(shù)、相變介質(zhì)冷卻技術(shù)、熱電制冷技術(shù)以及熱管制冷技術(shù)。以下是對(duì)這幾種主要冷卻技術(shù)所進(jìn)行的分析:

    (一)氣體介質(zhì)冷卻技術(shù)

    氣體介質(zhì)冷卻技術(shù),主要是以空氣作為熱量傳輸介質(zhì),通過(guò)熱能的熱傳遞效應(yīng),令電池組實(shí)現(xiàn)降溫處理。從整個(gè)構(gòu)造來(lái)看,以空氣為基礎(chǔ)的介質(zhì)在實(shí)現(xiàn)冷卻功能時(shí),整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)便,且機(jī)械化運(yùn)作特點(diǎn)無(wú)需占用過(guò)多的資源,提高后期維護(hù)質(zhì)量。通過(guò)對(duì)電池組所產(chǎn)生熱力能源,界定出熱量預(yù)期傳遞指標(biāo),保證系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)某一項(xiàng)功能指令時(shí),可針對(duì)艙室以及不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)化的熱管理,進(jìn)一步確??臻g降溫的時(shí)效性。從工作原理來(lái)看,氣體介質(zhì)冷卻主要是依托于車廂內(nèi)風(fēng)機(jī)設(shè)備或與空氣調(diào)節(jié)裝置相關(guān)聯(lián)的機(jī)構(gòu)為載體,實(shí)現(xiàn)能源的熱傳遞:外部空氣→風(fēng)機(jī)→車廂空氣調(diào)節(jié)裝置→車身(動(dòng)力電池組)→排氣系統(tǒng)。從目前技術(shù)研發(fā)形式來(lái)看,受到汽車結(jié)構(gòu)、汽車動(dòng)力等方面的影響,在對(duì)氣體介質(zhì)冷卻技術(shù)進(jìn)行參數(shù)界定時(shí),也呈現(xiàn)出一定的差異性。例如,科學(xué)家通過(guò)電池組外部空氣流通速率,對(duì)電池組在車輛內(nèi)的空間布局進(jìn)行設(shè)定,以得出電池冷卻的最大效率值;通過(guò)強(qiáng)制冷風(fēng)處理模式,對(duì)電池組進(jìn)行均衡式降溫處理,在均勻性的冷卻機(jī)制下,可對(duì)發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行均衡式降溫,以提高實(shí)際降溫速率;通過(guò)流體力學(xué)界定出不同氣流層在實(shí)際導(dǎo)出過(guò)程中,氣流分層與電池溫度輸出比值存在的線性關(guān)系,以得出不同送風(fēng)形式對(duì)電池組溫度所造成的相關(guān)影響。[1]

    (二)液體介質(zhì)冷卻技術(shù)

    液體介質(zhì)冷卻技術(shù)是以液態(tài)物體為介質(zhì),通過(guò)熱傳遞實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的降溫處理。與常見的氣體介質(zhì)相比,液體介質(zhì)具有更高的比熱容,且同體積吸取的熱能較多,可有效提高系統(tǒng)換熱效率。按照工作形式來(lái)看,液體介質(zhì)的冷卻可分為接觸型冷卻與非接觸型冷卻兩種。接觸型冷卻是指電池組與冷卻液體直接接觸,通過(guò)將電池模塊沉浸到液體中,令液體對(duì)電池組所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行無(wú)差別吸收,以達(dá)到物理降溫的效用。非接觸冷卻則是指在電池組周圍設(shè)定具有一定組織結(jié)構(gòu)的冷卻裝置,液體通過(guò)在冷卻裝置中的循環(huán)流動(dòng),吸取電池組所產(chǎn)生的熱量,這樣一來(lái),便可最大限度的對(duì)熱量進(jìn)行傳遞,此類冷卻機(jī)制無(wú)需液體與電池組之間接觸,在一定程度上增強(qiáng)冷卻工作的穩(wěn)定性效用。一般來(lái)講,冷卻介質(zhì)多為乙醇物質(zhì)、水的混合物。對(duì)于液體介質(zhì)冷卻技術(shù)的發(fā)展形勢(shì)來(lái)看,液體冷卻大多是以劑料組成、冷卻結(jié)構(gòu)等為主,通過(guò)介質(zhì)與結(jié)構(gòu)的同步優(yōu)化,令整個(gè)冷卻工作的開展具有針對(duì)性,乙二醇為介質(zhì)的液體冷卻體系,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,可通過(guò)介質(zhì)的多次循環(huán),令整項(xiàng)溫度調(diào)控實(shí)現(xiàn)規(guī)范化運(yùn)作,這樣一來(lái),便可最大限度增強(qiáng)系統(tǒng)冷卻效率,令電池組在固有極限值之下實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行。目前,液體冷卻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)多以冷卻組、管道、液體介質(zhì)流量等為主,通過(guò)對(duì)不同影響因素進(jìn)行設(shè)定,分析出在某一類運(yùn)行工下,液體冷卻技術(shù)在具體落實(shí)中呈現(xiàn)出的功能屬性。我國(guó)學(xué)者通過(guò)分析氫氟醚介質(zhì)與其它液體介質(zhì)之間的冷卻效率,得出在同等對(duì)流傳熱機(jī)制下,液體介質(zhì)發(fā)生相變所產(chǎn)生的冷卻效能,可將整個(gè)溫度維系在35℃~38℃的恒定范疇內(nèi),這樣便可在冷卻介質(zhì)的冷卻循環(huán)內(nèi),確保電池組溫度值的降低呈現(xiàn)出恒定狀態(tài),以此來(lái)增強(qiáng)電池組的實(shí)際應(yīng)用性能,保證其在固有生命周期內(nèi)發(fā)揮出更大的價(jià)值。

    然而,液體介質(zhì)冷卻技術(shù)也存在一定的使用劣勢(shì),例如,非接觸冷卻工藝所搭載的金屬設(shè)備,在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,將對(duì)系統(tǒng)能量產(chǎn)生一定的消耗,降低電池能源的供電性能;接觸型冷卻工藝在運(yùn)行過(guò)程中,如果電池外部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破損問(wèn)題,將造成嚴(yán)重的安全事故。為此,在采用液體介質(zhì)冷卻技術(shù)時(shí),必須從多個(gè)角度分析出當(dāng)前工況操作形式下,冷卻技術(shù)所能達(dá)到的最大冷卻效果,然后結(jié)合汽車運(yùn)行原理,真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能化操作,增強(qiáng)電池組的使用壽命。[2]

    (三)相變介質(zhì)冷卻技術(shù)

    相變介質(zhì)冷卻技術(shù)作為近年來(lái)新興的電池冷卻工藝,其主要是通過(guò)相變材料,對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)存在的溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,界定出不同操控工序下,能源轉(zhuǎn)換所應(yīng)具備的消耗值,然后結(jié)合材料本體的可塑性能,對(duì)電池組所產(chǎn)生的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換與釋放,以保證電池組運(yùn)行的穩(wěn)定性。從技術(shù)發(fā)展形勢(shì)來(lái)看,相變介質(zhì)冷卻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可進(jìn)一步提高電池組的溫控性能,令整個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量可通過(guò)吸收與傳遞實(shí)時(shí)導(dǎo)出到外部,以提高系統(tǒng)熱傳遞系數(shù),為汽車穩(wěn)定性運(yùn)行提供基礎(chǔ)保障。與此同時(shí),以相變介質(zhì)為驅(qū)動(dòng)的冷卻技術(shù),在具體應(yīng)用過(guò)程中,可摒棄復(fù)雜的驅(qū)熱系統(tǒng),即為無(wú)需風(fēng)機(jī)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)支持,便可實(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)行。此外,相變材料的應(yīng)用,可有效解決局部溫度過(guò)高的問(wèn)題,令電池組實(shí)現(xiàn)整體均衡化降溫。我國(guó)學(xué)者采用泡沫銅—脂肪烴蠟油作為管理系統(tǒng),對(duì)新能源動(dòng)力汽車的鋰離子電池?fù)p耗情況進(jìn)行模型建構(gòu),以驗(yàn)證不同工況下,冷卻系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)某一項(xiàng)冷卻功能時(shí),其所能達(dá)到的最優(yōu)比值。經(jīng)過(guò)實(shí)踐表明,以泡沫銅—脂肪烴蠟油為介質(zhì)冷卻系統(tǒng),其所產(chǎn)生的性能參數(shù)明顯高于空冷系統(tǒng),且在低溫條件下,電池工作所產(chǎn)生的溫度系數(shù)呈現(xiàn)出離散屬性,并且溫度差值更為平均,局部發(fā)熱問(wèn)題的產(chǎn)生概率極低。國(guó)外研究學(xué)者則是在電池組上設(shè)定PCM模塊,通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè),當(dāng)電池組達(dá)到一定數(shù)值時(shí),相變材料本體所設(shè)定的溫度系數(shù)將隨著系統(tǒng)溫度的提升對(duì)熱量及時(shí)導(dǎo)出,且此類溫度變化進(jìn)一步反映出材料的可塑屬性,令溫度在固定指標(biāo)下得以散熱處理。

    (四)熱電制冷技術(shù)

    熱電冷卻技術(shù)主要是以電子元件為載體,通過(guò)熱電發(fā)生反應(yīng),使得電池在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換,這樣便可將余熱當(dāng)成是能源的重要驅(qū)動(dòng),進(jìn)而作用到設(shè)備制冷器裝置中,進(jìn)行散熱處理。國(guó)外學(xué)者針對(duì)熱電制冷技術(shù),研發(fā)一種熱泵供給系統(tǒng)(BTMS),通過(guò)分析新能源汽車動(dòng)力電池的鋰離子在不同環(huán)境下呈現(xiàn)出的放電屬性,得出在恒流放電模式下,鋰離子的放電速率建模參數(shù)顯示,與預(yù)設(shè)的熱響應(yīng)、能耗等相符合,其也證明了BTMS的可應(yīng)用性能。Esfahanian等人則是在原有的熱電技術(shù)上進(jìn)行優(yōu)化處理,通過(guò)空冷熱原理的應(yīng)用,進(jìn)一步得出空間制溫體系,在實(shí)踐表明下,動(dòng)力電池的外界環(huán)境如果高于42℃時(shí),則電池溫度將自動(dòng)進(jìn)行恒溫處理,以保證電池組在35℃的最佳工作狀態(tài)下。我國(guó)學(xué)者在原有的熱電制冷技術(shù)之上,提出制冷器與熱管理系統(tǒng)相結(jié)合的規(guī)劃,通過(guò)實(shí)踐證實(shí),在恒流的放電頻率下,制冷器可將電池組的溫度恒定38℃以內(nèi),且作用到不同串聯(lián)電池組上,其所形成的溫度差值低于1℃。對(duì)于熱電制冷技術(shù)來(lái)講,在不同設(shè)備載體中,其均需要對(duì)電池組本體進(jìn)行一個(gè)恒溫設(shè)定,這樣才可最大限度保證在生命周期內(nèi),電池組使用壽命的最大化。

    (五)熱管制冷技術(shù)

    熱管制冷技術(shù)是通過(guò)填充相變介質(zhì)的密封空心管裝置,經(jīng)由蒸發(fā)機(jī)構(gòu)、冷凝機(jī)構(gòu),對(duì)電池組所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行一系列的循環(huán)轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)制冷。熱管制冷技術(shù)的工作原理,在運(yùn)行過(guò)程中,以蒸發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)電池組所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行吸收,然后將此類熱能作用到空心管內(nèi)的液體介質(zhì)中,使內(nèi)部液體汽化。當(dāng)液體汽化時(shí),其所產(chǎn)生的氣體將在密封空心管內(nèi)產(chǎn)生一定的反作用氣壓,氣體在下降勢(shì)能的作用下,將導(dǎo)入到冷凝機(jī)構(gòu)中,經(jīng)過(guò)冷凝機(jī)構(gòu)的液化處理,將把蒸汽機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的氣體轉(zhuǎn)換為液體,然后經(jīng)由循環(huán)裝置流回到蒸發(fā)裝置中,進(jìn)而為后續(xù)汽化—液化的循環(huán)提供反應(yīng)介質(zhì)。從具體應(yīng)用形式來(lái)看,熱管制冷技術(shù)大多集中在模型優(yōu)化體系中,即為以性能為主導(dǎo)的模型評(píng)價(jià),通過(guò)各類數(shù)據(jù)信息的整合,界定出不同反應(yīng)介質(zhì)下數(shù)據(jù)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)所呈現(xiàn)出的誤差值,這樣便可通過(guò)數(shù)據(jù)信息反映出熱管制冷技術(shù)的冷卻效果。對(duì)于此,國(guó)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),分析出在單管熱冷卻技術(shù)下的鋰電池冷卻效能,通過(guò)不同溫度的測(cè)定下,得出采用低流量的冷卻環(huán)境,可更加快速的實(shí)現(xiàn)降溫,這是由于同一階段的低溫環(huán)境中,冷卻機(jī)構(gòu)可更為容易的吸收熱量,且溫差效果不會(huì)對(duì)固有溫度指標(biāo)造成較大的影響,以確保溫度的精度控制。我國(guó)學(xué)者則是通過(guò)對(duì)熱管長(zhǎng)度、內(nèi)部機(jī)構(gòu)組成、噴霧模式等方面,分析出不同工況下電池組的冷卻效率,通過(guò)實(shí)踐研究表明,界定出熱管長(zhǎng)度、噴霧指標(biāo)與電池組冷卻具有一定的線性關(guān)系,即為熱管長(zhǎng)度越大、噴霧效率越高,則電池組的冷卻效率越快,但上述兩種反應(yīng)模式的優(yōu)化,將占據(jù)較大的空間資源、能源耗用資源。部分學(xué)者研究熱動(dòng)力電池下不同冷卻技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用性能,通過(guò)分析比對(duì),查證出冷卻性能高低依次為熱管冷卻技術(shù)>液體介質(zhì)冷卻技術(shù)>空氣介質(zhì)冷卻技術(shù)。在熱管冷卻技術(shù)的支持下,電池組的最佳溫度可持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)限,且不同電池組的溫度差值較小,以增強(qiáng)電池的實(shí)際效能。

    結(jié)語(yǔ)

    綜上所述,電池作為新能源汽車運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)部件,通過(guò)電力能源的中樞供給,為汽車運(yùn)行提供動(dòng)力。對(duì)于整個(gè)電力供給系統(tǒng)而言,汽車動(dòng)力電池供應(yīng)過(guò)程中呈現(xiàn)出一定的消耗性,其所產(chǎn)生的熱能在一定程度上將耗損電池組裝置的使用壽命。對(duì)于此,必須針對(duì)使用形式,分析出不同冷卻技術(shù)的應(yīng)用屬性,進(jìn)而令整項(xiàng)冷卻工作的開展提供基礎(chǔ)保障。

    參考文獻(xiàn):

    [1]蔣樂,張恒運(yùn),吳笑宇.電動(dòng)汽車鋰離子電池散熱技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2019,57(12):19-22.

    [2]盧夢(mèng)瑤,章學(xué)來(lái).電動(dòng)汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)的研究進(jìn)展[J].上海節(jié)能,2019(10):801-809.

    作者簡(jiǎn)介:鄭威(1991—??)男,漢族,江蘇徐州人,本科,助理講師,研究方向:新能源汽車。

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