新能源汽車動力電池的冷卻技術研究

韓穎，周歡

（重慶水利電力職業(yè)技術學院，重慶 402160）

能源緊缺一直是各個行業(yè)所面臨的最大困境，石油作為傳統(tǒng)工業(yè)化行業(yè)的主要能源，在生產(chǎn)與生活中起到了極為重要的價值作用。汽車的動力能源是石油產(chǎn)品，但隨著汽車保有量的逐步提升，對于原油的需求量逐步提升，加之能源緊缺問題的存在，給汽車行業(yè)未來發(fā)展帶來影響。新能源汽車研發(fā)降低汽車行業(yè)對于傳統(tǒng)能源的依賴水平，利用電力能源來取代傳統(tǒng)的燃油能源，與此同時利用其他可再生的資源可妥善解決汽車尾氣的排放問題，降低對于不可再生資源的利用率，有效解決我國的能源使用危機，推動國家經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展進程。新能源汽車是以電力驅(qū)動的新型能源汽車，電池裝置在長時間的驅(qū)動狀態(tài)下，電能與熱能比例將會出現(xiàn)負增長情況，一旦電池熱能產(chǎn)生量高于熱能輸出量時，將會加劇電力能源的損耗程度，大大縮減電池裝置的使用壽命。為推動新能源汽車行業(yè)的進一步發(fā)展，各大汽車企業(yè)需要提升對動力電池的開發(fā)與優(yōu)化水平，應用電池冷卻技術及時分散電池裝置，有效延長電池的生命周期，為汽車企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟利潤。

1 新能源汽車概述

現(xiàn)如今的新能源汽車類型主要可分為純電以及混電2種，其整體結(jié)構主要是由SV電池、充電器以及充電接口等部分構成，汽車動力源主要是常規(guī)燃料以及非常規(guī)燃料，借助全新的動力措施以及應用動力控制驅(qū)動技術來發(fā)動機車。在電力開發(fā)水平不斷提升的背景下，國家愈發(fā)重視對電力資源的綜合開發(fā)利用，這給新能源汽車的開發(fā)利用帶來全新的發(fā)展機遇。從整體層面來看新能源汽車的動力源泉主要是電池組，將單體電池串聯(lián)到一起便是汽車中的電池結(jié)構，為汽車運動提供動力。在電池組供電過程中將會產(chǎn)生熱能，在合理范圍內(nèi)并不會影響電池的工作狀態(tài)，若電池熱能產(chǎn)生量遠遠高于熱能輸出量時，將會導致故障問題的發(fā)生，不僅會影響汽車運行的整體動力，也會給新能源汽車的安全運行帶來隱憂。

2 新能源汽車電池

2.1 鋰離子電池

鋰離子電池本身具備極高的能量密度以及電壓，在具體應用過程中也具備電池重量輕、污染程度低的應用優(yōu)勢，鋰離子電池應用壽命要遠遠長于其他類型電池，在我國新能源汽車行業(yè)中有著良好的發(fā)展場景，適用于節(jié)能環(huán)保行業(yè)的發(fā)展。

2.2 鎳氫電池

鎳氫電池本身屬于堿性電池，其具備使用壽命長、整體放電功率高的優(yōu)勢，但鎳氫電池的記憶效應低下多，帶來的電池制造成本相對較高，因此主要應用在電動工具內(nèi)，在不久的將來會全面普及到汽車領域當中。

2.3 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池的體積重量雖然比較大，但是整體能夠釋放的能量相對較低，使用壽命也相對較短，在具體生產(chǎn)過程中所應用的原材料成本并不高，其穩(wěn)定性也相對優(yōu)良因此能夠再次回收利用?，F(xiàn)階段廣泛應用在電動三輪車、自行車此類的電池能源中，在能源市場上的占有率最高。

2.4 燃料電池

燃料電池具備有害氣體排放量低、噪聲污染小的優(yōu)勢，在新能源汽車領域擁有廣泛的發(fā)展空間。燃料電池的工作原理是將化學能轉(zhuǎn)化成為電能。但我國燃料電池技術水平以及基礎配套設施相較于發(fā)達國家仍舊有所差異，為此我國需要加大對動力電池的研究水平，確保燃料電池能夠良好應用于新能源汽車中。

3 新能源汽車電池冷卻系統(tǒng)

新能源汽車的冷卻系統(tǒng)主要是由動力系統(tǒng)冷卻以及供電系統(tǒng)冷卻構成，其中動力系統(tǒng)冷卻是對于驅(qū)動電機、控制器等各個關系部門進行冷卻，供電系統(tǒng)冷卻主要是對動力電池以及車載充電器進行冷卻。新能源汽車動力電池的間距對于整個電池組的工作溫度有著一定的影響，電池距離的增加也會提升電池組的工作溫度，而在電池組集中時期溫度分布情況相對均勻。新能源汽車的動力電池主要是由化學能轉(zhuǎn)換成為電能，再由電能轉(zhuǎn)換成為新能源汽車的動能，而在能量轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的熱能無法及時釋放時，將會造成動力電池周邊溫度大幅度提升，對于鋰電池穩(wěn)定性帶來影響。同時動力電池始終處于高溫狀態(tài)下，也會對電池的性能帶來影響，也會大大縮短電池的使用壽命。新能源汽車在應用電池冷卻系統(tǒng)的前提下，可確保電池組始終在適宜的環(huán)境下進行能量轉(zhuǎn)換，最大程度確保汽車的性能。為此電池冷卻系統(tǒng)可充分利用汽車電池組熱量管理模型對動力電池溫度妥善調(diào)節(jié)，在電池溫度相對較低時可為其提供熱量，而在電池溫度過高時可對其進行冷卻，確保動力電池始終處于最為良好的工作狀態(tài)，全面提升動力電池的工作性能。

4 新能源汽車動力電池的冷卻技術分析

4.1 空氣冷卻電池技術

這一冷卻技術選擇空氣作為冷卻介質(zhì)，借助對流熱交換原理來達到電池組降溫的目的?？諝饫鋮s電池技術本身具備維護成本低、制造成本低廉的應用特點，因此可以被廣泛應用于動力電池的保護裝置。同時空氣冷卻電池技術在應用過程中也存在受到空氣比熱容以及導熱系數(shù)性質(zhì)的制約，為此空氣冷卻電池技術的電池組冷卻效率并不高。現(xiàn)階段主要應用冷卻空氣流動路徑為從底部流入、從頂部流出（如圖1所示），這一流動路徑選擇是側(cè)方流入另一方流出冷卻效率的2倍。

圖1 空氣流動路徑

4.2 液體冷卻電池技術

這一冷卻技術具備比熱容系數(shù)高以及換熱系數(shù)高的應用優(yōu)勢，主要是利用液體介質(zhì)實現(xiàn)對動力電池的溫度的有效降低。液體冷卻電池技術所應用的冷卻介質(zhì)主要是液相物質(zhì)，如乙二醇、水以及制冷劑等物質(zhì)均可作為制冷劑來達到冷卻效果。液體冷卻電池技術根據(jù)接觸方法的不同可將其細化分為直接冷卻手段以及間接冷卻手段。直接冷卻手段試講電池模塊完全浸沒于絕緣冷卻液體當中，通過實現(xiàn)冷卻液體與電池組的直接性接觸達到降溫目的。

間接冷卻手段則是在電池組的周邊設置冷卻盤管，由冷卻液體在其中流動，借助對流傳熱以及制冷手段達到降低電池組工作溫度的目的?，F(xiàn)階段常常應用的冷卻介質(zhì)為新型電子冷卻介質(zhì)NOVEC 7000，所采取的熱流傳熱以及介質(zhì)相變吸熱的冷卻方法可確保電池組的工作溫度始終維持在35℃左右，以往所應用的乙二醇介質(zhì)在多次循環(huán)下，電池組工作溫度將會逐步上升。因此新型電子冷卻介質(zhì)NOVEC 7000在新能源汽車動力電池冷卻系統(tǒng)中有著良好的應用前景。

4.3 熱管冷卻電池技術

這一冷卻技術主要是利用密封性良好的空心管設備進行冷卻，通過在空心管設備填充滿相變工質(zhì)，在管兩端分別設置蒸發(fā)器以及冷凝器的方法繼而達到降溫作用。熱管冷卻電池技術的應用原理是利用蒸發(fā)器吸收充足熱量，將封閉狀態(tài)下空心管毛細芯內(nèi)液體汽化后產(chǎn)生一定的氣壓，讓其逐步向冷凝器方向流動，氣體在經(jīng)過冷凝器時會釋放熱量，氣體將會重新凝固成為液體繼續(xù)進行吸熱，依次循環(huán)往復的形式達到降低電池組溫度的目的。

4.4 相變材料冷卻電池技術

這一冷卻技術主要發(fā)揮相變吸熱原理達到降低電池組的工作溫度的目的。相變材料本身具備無毒無害、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、應用成本低的技術特點。熱管冷卻電池技術在具體應用過程中并不需要依靠任何通道設備或是電氣設備，可確保電池組整體溫度的均勻性，避免電池組出現(xiàn)具備熱點的情況，因此在應用環(huán)節(jié)中可確保電池組運行的安全性。

5 新能源汽車鋰離子電池冷卻系統(tǒng)設計

5.1 風扇風冷及蒸發(fā)器風冷的冷卻系統(tǒng)設計

這一冷卻系統(tǒng)主要是通過風扇以及蒸發(fā)器將溫度低的空氣引入動力箱的內(nèi)部。在電池系統(tǒng)密封的前提下，則需要利用蒸發(fā)器確保外界空氣不會進入箱體?？諝庠陲L扇轉(zhuǎn)動的前提下，能按照預定的流速穿過模組以及電池外表面，將電池所產(chǎn)生的熱量傳遞到環(huán)境空氣。

基于這一冷卻系統(tǒng)進行箱體以及模組結(jié)構設計過程中，具體注意事項如下所示。第一，在進行電池排布過程中，電池與電池之間需要空有一定的間隙，確?？諝饽軌虬凑找欢ǖ牧魉倏焖俅┻^電池外表面。圓柱形以及方形的電池強度以及剛度系數(shù)相對較高，在具體排布過程中可停留一定的間隙，而軟包電池的剛度與剛度系數(shù)并不高，電池與電池之間需要增加導熱材料，確保將電池內(nèi)部的熱量充分導出。第二，在風冷系統(tǒng)設計環(huán)節(jié)中，風道設計是極為關鍵所在。優(yōu)良的風道設計不僅能提升散熱的均勻性，也能大大降低系統(tǒng)流動阻力。為此在風道設計過程中需要從結(jié)構簡單、成本性低、密封性良好以及空氣流通無阻礙等多方面綜合性考量。第三，在蒸發(fā)器型號選擇方面，需要根據(jù)新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)當中的壓縮機型號、制冷量、電池數(shù)量、箱體空間以及生產(chǎn)成本多方面進行綜合考量。第四，在風扇選型方面，選用的風扇需要充分滿足預定標準的風量以及風壓，確保冷卻系統(tǒng)內(nèi)部擁有充足的冷卻空氣流量以及預定值的流通速度，同時也要根據(jù)電池包結(jié)構空間的大小選擇風扇的尺寸、重量。此外也要充分考量風扇所提供的電壓、生產(chǎn)成本以及產(chǎn)生的噪音等因素。

5.2 液冷系統(tǒng)設計

現(xiàn)如今我國對于新能源汽車的性能要求逐步提升，國家所下發(fā)的補貼政策也更加偏向于行駛里程長以及能量密度高的車輛，加之汽車行業(yè)對新能源汽車電池系統(tǒng)功率性能以及快充性能要求逐步提升的前提，要想充分發(fā)揮電池的最佳應用性能，需要積極設計電池系統(tǒng)冷卻設計要求。液冷系統(tǒng)的運行原理是通過將液冷板內(nèi)部冷卻液與電池表面接觸后，將產(chǎn)生的熱量帶到電池系統(tǒng)外部，繼而達到電池冷卻降溫的價值作用。

第一，冷卻液進出口接口類型選擇時，需要選用國標通用接口類型，確保冷卻液進出接口與整個車輛的冷卻系統(tǒng)相匹配，大大降低新能源汽車的加工成本。第二，在進行冷卻管型號選擇時，需要從冷卻管材料、管徑型號大小，耐腐蝕性、所承受的工作壓力以及工作溫度范圍等多個方面選擇最優(yōu)的冷卻管材料。第三，液冷板類似于彎曲形式的水管，冷卻液能夠在液冷板內(nèi)部流動，因此在液冷板選擇時所選用的材料是導熱效果優(yōu)良的鋁材料。液冷板設計過程中需要與電池表面充分性接觸，充分發(fā)揮液冷板的導熱作用。電池與液冷板的表面的硬度系數(shù)相對較高，設計人員需要在液冷表面粘貼層導熱性優(yōu)良、絕緣效果極佳的導熱墊。同時設計人員需要根據(jù)電池種類的不同將液冷板設計成為不同的結(jié)構，如方形電池以及軟包電池下的液冷板需要設計成為板式結(jié)構，確保液冷板與電池的底部以及側(cè)面區(qū)域充分接觸，而圓柱形電池下的液冷板則需要設計成為彎曲帶狀結(jié)構，彎曲弧度尺寸的設計需要與電池外徑尺寸相匹配，在確保液冷板與電池表面無縫對接的前提下，達到導熱降溫的目的。第四，冷卻液在整個液冷系統(tǒng)中起著極為重要的價值作用，在冷卻液選型階段，需要從傳熱能力、溫度適用范圍、電絕緣性以及耐腐蝕等方面綜合性考量。

6 結(jié)語

在節(jié)能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略支持下，新能源汽車行業(yè)迅猛性發(fā)展，致力于解決能源消耗以及環(huán)境污染等各個方面的問題?，F(xiàn)如今新能源汽車內(nèi)的電池組電容量、電池模塊數(shù)量逐步提升，動力電池組所釋放的熱量也大幅度提升。新能源汽車動力電池冷卻技術的應用，可進一步延長電池的使用壽命，有效確保電池組工作安全性。為此在進行新能源汽車動力電池冷卻系統(tǒng)設計過程中，需要靈活應用空氣冷卻電池技術、液體冷卻電池技術、熱管冷卻電池技術以及相變材料冷卻電池技術，重視動力電池熱管理問題，推動新能源汽車的可持續(xù)健康發(fā)展。