李哲陽(yáng),劉婷玉
(景德鎮(zhèn)學(xué)院,江西景德鎮(zhèn) 333000)
新能源汽車(chē)在全球范圍內(nèi)正迅速取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē),作為對(duì)抗氣候變化和減少化石燃料依賴(lài)的重要手段。在這其中,動(dòng)力電池成為新能源汽車(chē)的核心組件,直接影響車(chē)輛的性能、續(xù)航里程和總體運(yùn)行成本。但是電池在充放電特別是高負(fù)載條件下,會(huì)產(chǎn)生大量熱量。如果這些熱量無(wú)法有效排除,可能會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)熱,從而引發(fā)性能退化、安全隱患甚至故障。因此,為動(dòng)力電池設(shè)計(jì)和實(shí)施高效的冷卻策略變得至關(guān)重要。
新能源汽車(chē)的發(fā)展與電池技術(shù)緊密相連,而鋰離子電池因其高能量密度、循環(huán)壽命和相對(duì)較低的自放電率而受到廣泛關(guān)注。鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜組成。工作時(shí),鋰離子在正負(fù)極之間來(lái)回移動(dòng),進(jìn)行充放電過(guò)程。相對(duì)于其他電池技術(shù),其具有更高的電壓、更長(zhǎng)的使用壽命以及能夠維持更大的電流輸出。由于這些獨(dú)特的性質(zhì),鋰離子電池在新能源汽車(chē)特別是電動(dòng)汽車(chē)中,已成為首選的電池技術(shù)。此外,隨著研究的深入,鋰離子電池的材料和設(shè)計(jì)也在不斷進(jìn)化,以滿(mǎn)足對(duì)更高能量密度、更長(zhǎng)壽命和更安全性能的需求。鋰離子電池的快速充電能力也使其能適應(yīng)快速的生活節(jié)奏。但同時(shí)也面臨一些挑戰(zhàn),如高成本、有限的資源供應(yīng)和安全性問(wèn)題[1]。通過(guò)持續(xù)的研發(fā),這些問(wèn)題都正在得到解決。
鎳氫電池是新能源汽車(chē)中的另一種重要電池技術(shù),尤其在一些早期的混合動(dòng)力汽車(chē)中得到了廣泛應(yīng)用。這種電池類(lèi)型主要使用鎳氧化氫作為正極材料,而負(fù)極則利用金屬雜化物,通常為稀有金屬如鑭或釹,與氫發(fā)生反應(yīng)。鎳氫電池在工作過(guò)程中,通過(guò)鎳和氫之間的化學(xué)反應(yīng)釋放能量。與其他電池技術(shù)相比,鎳氫電池具有良好的循環(huán)壽命、較低的自放電率和相對(duì)穩(wěn)定的輸出電壓。此外,其能量密度雖然不及鋰離子電池,但遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的鎳鎘電池。安全性方面,鎳氫電池在正常使用下的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都相對(duì)較好,減少了因過(guò)熱或化學(xué)泄漏導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是,鎳氫電池的成本和質(zhì)量相對(duì)較高,且體積相對(duì)較大,這在某種程度上限制了其在現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用。盡管如此,鎳氫電池在某些特定應(yīng)用如航天和一些專(zhuān)業(yè)設(shè)備中仍然是不可或缺的。
鉛酸蓄電池是最早被廣泛使用的蓄電池技術(shù)之一,擁有超過(guò)100 年的歷史。其主要由鉛和硫酸組成,通過(guò)鉛和硫酸之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。在新能源汽車(chē)領(lǐng)域中,盡管其并不是主要的驅(qū)動(dòng)電池,但鉛酸蓄電池在為車(chē)輛的基本電氣系統(tǒng)提供電力,如啟動(dòng)、燈光和車(chē)載電子設(shè)備等方面仍具有關(guān)鍵作用。鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點(diǎn)包括成本低廉、技術(shù)成熟以及回收和再利用的可行性強(qiáng)。此外,還具有相對(duì)穩(wěn)定的放電曲線,能夠在廣泛的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。然而,鉛酸蓄電池的能量密度較低,這意味著相對(duì)于其體積和質(zhì)量,所能存儲(chǔ)的能量有限。此外,循環(huán)壽命和深放電能力都相對(duì)較差。這使得鉛酸蓄電池在現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)的主要驅(qū)動(dòng)電池領(lǐng)域逐漸被其他先進(jìn)的電池技術(shù)所替代。但無(wú)論如何,由于其可靠性和經(jīng)濟(jì)性,鉛酸蓄電池仍然在新能源汽車(chē)中占有一席之地,尤其是在輔助電源和應(yīng)急備用電源系統(tǒng)中。
燃料電池是一種高效清潔的能源轉(zhuǎn)換技術(shù),不同于傳統(tǒng)的電池通過(guò)化學(xué)能儲(chǔ)存和釋放電能,燃料電池是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。在新能源汽車(chē)領(lǐng)域中,燃料電池汽車(chē)(FCV)主要采用氫氣作為燃料,通過(guò)與氧氣的反應(yīng)產(chǎn)生電力來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛,同時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)品僅為水,從而確保了零排放[2]。相對(duì)于其他電池技術(shù),燃料電池具有更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更短的加氫時(shí)間,與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相似,這使得燃料電池汽車(chē)在長(zhǎng)途運(yùn)輸和商業(yè)運(yùn)營(yíng)中具有潛在的優(yōu)勢(shì)。然而,燃料電池技術(shù)仍面臨一系列挑戰(zhàn),如氫氣的存儲(chǔ)、運(yùn)輸和分配,以及燃料電池的高成本和壽命問(wèn)題。但隨著技術(shù)進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),燃料電池汽車(chē)正逐漸得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。
動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的核心目標(biāo)之一是保持電池在適宜的工作溫度范圍內(nèi)。電池的運(yùn)作,無(wú)論是在充電還是放電過(guò)程中,都伴隨著熱量的產(chǎn)生。這種熱量的積累,如果不加以管理,會(huì)導(dǎo)致電池溫度迅速上升,進(jìn)而超出其最佳工作溫度。適宜的工作溫度不僅關(guān)系到電池的即時(shí)性能,還影響其長(zhǎng)期的健康和穩(wěn)定性。在理想溫度下,電池的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得更為高效和均勻,確保了能量輸出的穩(wěn)定性和電池的響應(yīng)速度。反之,如果溫度過(guò)高,可能導(dǎo)致電解液蒸發(fā)、內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)改變,甚至有可能引發(fā)熱失控,這對(duì)電池的壽命和安全性都是巨大威脅。而溫度過(guò)低則可能導(dǎo)致電池的響應(yīng)遲緩,減少輸出功率,甚至增加內(nèi)部電阻。冷卻系統(tǒng)通過(guò)及時(shí)、高效地吸收并散發(fā)熱量,確保電池始終處于其最佳的工作狀態(tài),從而使電池性能最大化,同時(shí)為駕駛者提供了穩(wěn)定和可靠的駕駛體驗(yàn)。這樣的溫度管理策略確保了電池在各種駕駛和環(huán)境條件下都能提供持續(xù)、穩(wěn)定的動(dòng)力輸出。
動(dòng)力電池在新能源汽車(chē)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,它的工作效率和安全性與其工作溫度密切相關(guān)。冷卻系統(tǒng)在其中扮演著維持電池在適宜溫度工作的角色。當(dāng)電池進(jìn)行充放電過(guò)程時(shí),都會(huì)產(chǎn)生熱量。如果不妥善處理,這些熱量會(huì)使電池溫度過(guò)快上升,從而超出其理想的工作范圍[3]。電池在適宜的工作溫度下,其化學(xué)反應(yīng)更為高效,確保了電池能夠持續(xù)、穩(wěn)定地輸出電能。不適當(dāng)?shù)臏囟炔粌H會(huì)影響電池性能,還可能對(duì)其壽命造成損害。過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致電解液蒸發(fā),材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生改變,甚至增加熱失控的風(fēng)險(xiǎn),這都會(huì)對(duì)電池的持久性和安全性造成威脅。而低溫可能使電池響應(yīng)遲緩,電池內(nèi)部電阻增加,進(jìn)而降低其輸出能力。冷卻系統(tǒng)的存在,確保了電池始終處于最佳的工作溫度,無(wú)論是在炎熱的夏季還是寒冷的冬季,這樣的溫度管理不僅最大化了電池的即時(shí)性能,而且有助于延長(zhǎng)其使用壽命,為駕駛者提供持續(xù)、穩(wěn)定且安全的駕駛體驗(yàn)。這對(duì)于推動(dòng)新能源汽車(chē)的廣泛應(yīng)用和市場(chǎng)接受度至關(guān)重要。
當(dāng)電池進(jìn)行快速充電時(shí),其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量顯著增加。沒(méi)有適當(dāng)?shù)睦鋮s措施會(huì)導(dǎo)致電池溫度迅速升高,進(jìn)而增加電池?fù)p傷的風(fēng)險(xiǎn),降低其使用壽命,甚至可能引發(fā)安全隱患。適當(dāng)?shù)睦鋮s不僅確保了電池在充電過(guò)程中的安全,還使其可以在更高的電流下接受充電,而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多熱量。這意味著電池可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成充電。對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō),這大大降低了等待時(shí)間,特別是在長(zhǎng)途旅行中需要在公共充電站進(jìn)行中途充電時(shí)。此外,冷卻系統(tǒng)通過(guò)維持電池在最佳溫度范圍內(nèi)確保了電池的化學(xué)反應(yīng)更為高效和均勻,從而減少了電池內(nèi)部的不穩(wěn)定性和不均勻熱分布,防止了電池在快速充電時(shí)損傷。不難看出動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)對(duì)于提高充電速度具有決定性的影響,它不僅確保了電池在快速充電時(shí)的安全性和效率,還為駕駛者提供了更便捷的使用體驗(yàn),進(jìn)一步推動(dòng)了新能源汽車(chē)的實(shí)用性和普及度。
新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的冷卻是保障電池性能正常和安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié),空氣冷卻電池技術(shù)是常見(jiàn)的一種方法。該技術(shù)主要利用外部環(huán)境的空氣對(duì)電池進(jìn)行冷卻,通常通過(guò)風(fēng)扇引導(dǎo)空氣流過(guò)電池表面或電池模塊之間的空隙,以達(dá)到散熱目的。相對(duì)于其他冷卻技術(shù),空氣冷卻具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。例如,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低,維護(hù)容易。由于不需要液體介質(zhì)、泵或復(fù)雜的冷卻循環(huán)系統(tǒng),其可靠性較高[4]。此外,空氣冷卻技術(shù)不需要額外的液體冷卻劑,從而降低了潛在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。然而,空氣冷卻技術(shù)也存在一些局限性。與液體冷卻方法相比,空氣作為冷卻介質(zhì)的導(dǎo)熱性能較差,這可能導(dǎo)致電池的冷卻效果不如液體冷卻技術(shù)。尤其在高溫環(huán)境或電池高負(fù)載工作時(shí),僅依靠空氣冷卻可能難以滿(mǎn)足電池的冷卻需求。為了確保有效冷卻,所需空氣流量較大,這可能會(huì)增加風(fēng)扇的噪聲和能耗。從總體上看,空氣冷卻電池技術(shù)是一種簡(jiǎn)單、成本低、效益較高的冷卻方法。盡管其可能不如液體冷卻系統(tǒng)高效,但對(duì)于某些應(yīng)用,特別是對(duì)于不需要頻繁高負(fù)載工作或在溫和氣候下使用的車(chē)輛,仍然是一種非常合適的選擇。
新能源汽車(chē)中的動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)的核心組件,而維持其在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟确秶鷥?nèi)是至關(guān)重要的。液體冷卻電池技術(shù)正是為此而設(shè)計(jì)的高效冷卻方法。該技術(shù)利用特定的冷卻液體,如冷卻劑或特殊的導(dǎo)熱液體,直接或間接地與電池接觸,以提供持續(xù)、均勻的冷卻效果。液體冷卻技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于其高效的散熱性能,液體作為冷卻介質(zhì)的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)空氣,這使得電池即使在高負(fù)載或快速充電的情況下也能夠維持在理想的工作溫度范圍內(nèi)。通過(guò)精確控制液體的流量和溫度,確保電池各部分的均勻冷卻,從而避免溫度梯度和局部過(guò)熱,這對(duì)于電池的壽命和安全性是至關(guān)重要的。此外,液體冷卻技術(shù)還可以與汽車(chē)的其他熱管理系統(tǒng)集成,如內(nèi)燃機(jī)的冷卻系統(tǒng)或車(chē)內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng),這樣可以進(jìn)一步提高整車(chē)的能源效率。然而,液體冷卻技術(shù)也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn),其需要更復(fù)雜的泵、管道和散熱器,這可能會(huì)增加系統(tǒng)的質(zhì)量、成本和維護(hù)需求。盡管存在這些挑戰(zhàn),液體冷卻技術(shù)仍然是許多高性能和高需求新能源汽車(chē)的首選,因?yàn)槠涮峁┝俗吭降睦鋮s性能,確保電池能夠在最佳狀態(tài)下運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)最大的續(xù)航里程和壽命。
新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的高效冷卻是確保其性能和壽命的關(guān)鍵因素之一。
近年來(lái),熱管冷卻技術(shù)逐漸受到關(guān)注并應(yīng)用于電池的溫度管理中。熱管是一種高效的熱傳導(dǎo)工具,利用蒸發(fā)和冷凝的相變過(guò)程快速傳遞熱量,從而實(shí)現(xiàn)從電池的熱源到冷卻器的高效熱傳遞。熱管的核心原理是在其內(nèi)部使用工作流體,當(dāng)電池產(chǎn)生熱量時(shí),這些熱量會(huì)被傳遞到熱管的蒸發(fā)端,使工作流體蒸發(fā)。然后,蒸汽流動(dòng)到熱管的冷卻端,在那里遇到低溫并冷凝,釋放出熱量。這個(gè)過(guò)程很快,使得熱量幾乎即刻從電池移動(dòng)到冷卻器。熱管冷卻電池技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)是其具有高效性,由于相變的過(guò)程,熱管可以快速地傳遞大量熱量,而且?guī)缀鯖](méi)有溫度梯度。這意味著電池可以被均勻、快速地冷卻,從而減少了溫度不均和局部過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)[5]。此外,由于熱管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且不包含動(dòng)態(tài)部件,其可靠性和維護(hù)需求較低。同時(shí)也具有較高的靈活性,可以根據(jù)具體的電池布局和需求進(jìn)行定制。
相變材料(PCM)是指在特定溫度下能進(jìn)行固—液相變的材料。在這一過(guò)程中,PCM 吸收或釋放大量的潛熱,從而提供了一種高效的溫度調(diào)控手段。當(dāng)動(dòng)力電池在工作或充電時(shí)產(chǎn)生過(guò)多的熱量,相鄰的PCM開(kāi)始融化,吸收這些熱量并維持其溫度幾乎恒定。反之,當(dāng)電池溫度過(guò)低時(shí),PCM 開(kāi)始凝固,釋放潛熱,從而幫助電池保持在一個(gè)較暖的狀態(tài)。因此,通過(guò)嵌入或與電池模塊緊密結(jié)合的PCM,電池的溫度可以得到有效管理和穩(wěn)定。使用PCM 進(jìn)行電池冷卻的優(yōu)勢(shì)之一是其能夠?yàn)殡姵靥峁氨粍?dòng)”冷卻。由于沒(méi)有移動(dòng)部件或復(fù)雜的流體循環(huán)系統(tǒng),PCM 冷卻方法的維護(hù)需求和故障率相對(duì)較低。此外,相變過(guò)程能夠提供幾乎恒定的溫度,這對(duì)于電池的穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命至關(guān)重要。盡管PCM 冷卻技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn),但也有一些局限性,其中選擇合適的PCM 材料并確保其與電池的兼容性是一大挑戰(zhàn),同時(shí)相變的溫度范圍需要與電池的理想工作溫度緊密匹配。
綜上所述,各種冷卻技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和局限性,選擇最合適的技術(shù)應(yīng)基于具體的應(yīng)用需求、電池類(lèi)型和車(chē)輛工作環(huán)境。從技術(shù)趨勢(shì)來(lái)看,隨著電池能量密度的提高和充電速度的加快,對(duì)冷卻技術(shù)的要求也將更為嚴(yán)格。未來(lái)的研究應(yīng)著重于提高冷卻效率、降低系統(tǒng)成本和提升系統(tǒng)可靠性。同時(shí),跨學(xué)科的合作和創(chuàng)新也將對(duì)推動(dòng)冷卻技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展起到關(guān)鍵作用。