新能源汽車動力電池冷卻技術(shù)研究＊

李哲陽，劉婷玉

（景德鎮(zhèn)學(xué)院，江西景德鎮(zhèn) 333000）

新能源汽車在全球范圍內(nèi)正迅速取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，作為對抗氣候變化和減少化石燃料依賴的重要手段。在這其中，動力電池成為新能源汽車的核心組件，直接影響車輛的性能、續(xù)航里程和總體運行成本。但是電池在充放電特別是高負(fù)載條件下，會產(chǎn)生大量熱量。如果這些熱量無法有效排除，可能會導(dǎo)致電池過熱，從而引發(fā)性能退化、安全隱患甚至故障。因此，為動力電池設(shè)計和實施高效的冷卻策略變得至關(guān)重要。

1 新能源汽車的電池類型

1.1 鋰離子電池

新能源汽車的發(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，鋰離子在正負(fù)極之間來回移動，進(jìn)行充放電過程。相對于其他電池技術(shù)，其具有更高的電壓、更長的使用壽命以及能夠維持更大的電流輸出。由于這些獨特的性質(zhì)，鋰離子電池在新能源汽車特別是電動汽車中，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)計也在不斷進(jìn)化，以滿足對更高能量密度、更長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)和安全性問題[1]。通過持續(xù)的研發(fā)，這些問題都正在得到解決。

1.2 鎳氫電池

鎳氫電池是新能源汽車中的另一種重要電池技術(shù)，尤其在一些早期的混合動力汽車中得到了廣泛應(yīng)用。這種電池類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)。鎳氫電池在工作過程中，通過鎳和氫之間的化學(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)定性都相對較好，減少了因過熱或化學(xué)泄漏導(dǎo)致的風(fēng)險。值得注意的是，鎳氫電池的成本和質(zhì)量相對較高，且體積相對較大，這在某種程度上限制了其在現(xiàn)代電動汽車中的應(yīng)用。盡管如此，鎳氫電池在某些特定應(yīng)用如航天和一些專業(yè)設(shè)備中仍然是不可或缺的。

1.3 鉛酸蓄電池

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100 年的歷史。其主要由鉛和硫酸組成，通過鉛和硫酸之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。在新能源汽車領(lǐng)域中，盡管其并不是主要的驅(qū)動電池，但鉛酸蓄電池在為車輛的基本電氣系統(tǒng)提供電力，如啟動、燈光和車載電子設(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，這意味著相對于其體積和質(zhì)量，所能存儲的能量有限。此外，循環(huán)壽命和深放電能力都相對較差。這使得鉛酸蓄電池在現(xiàn)代電動汽車的主要驅(qū)動電池領(lǐng)域逐漸被其他先進(jìn)的電池技術(shù)所替代。但無論如何，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。

1.4 燃料電池

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)的電池通過化學(xué)能儲存和釋放電能，燃料電池是通過化學(xué)反應(yīng)直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。在新能源汽車領(lǐng)域中，燃料電池汽車（FCV）主要采用氫氣作為燃料，通過與氧氣的反應(yīng)產(chǎn)生電力來驅(qū)動車輛，同時產(chǎn)生的副產(chǎn)品僅為水，從而確保了零排放[2]。相對于其他電池技術(shù)，燃料電池具有更長的續(xù)航里程和更短的加氫時間，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相似，這使得燃料電池汽車在長途運輸和商業(yè)運營中具有潛在的優(yōu)勢。然而，燃料電池技術(shù)仍面臨一系列挑戰(zhàn)，如氫氣的存儲、運輸和分配，以及燃料電池的高成本和壽命問題。但隨著技術(shù)進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，燃料電池汽車正逐漸得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。

2 動力電池冷卻系統(tǒng)的作用

2.1 保持適宜的工作溫度

動力電池冷卻系統(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)。電池的運作，無論是在充電還是放電過程中，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)系到電池的即時性能，還影響其長期的健康和穩(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，這對電池的壽命和安全性都是巨大威脅。而溫度過低則可能導(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)通過及時、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，同時為駕駛者提供了穩(wěn)定和可靠的駕駛體驗。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)定的動力輸出。

動力電池在新能源汽車中發(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)行充放電過程時，都會產(chǎn)生熱量。如果不妥善處理，這些熱量會使電池溫度過快上升，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會影響電池性能，還可能對其壽命造成損害。過高的溫度可能導(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，這都會對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性能，而且有助于延長其使用壽命，為駕駛者提供持續(xù)、穩(wěn)定且安全的駕駛體驗。這對于推動新能源汽車的廣泛應(yīng)用和市場接受度至關(guān)重要。

2.2 提高充電速度

當(dāng)電池進(jìn)行快速充電時，其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量顯著增加。沒有適當(dāng)?shù)睦鋮s措施會導(dǎo)致電池溫度迅速升高，進(jìn)而增加電池?fù)p傷的風(fēng)險，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程中的安全，還使其可以在更高的電流下接受充電，而不會產(chǎn)生過多熱量。這意味著電池可以在更短的時間內(nèi)完成充電。對于用戶來說，這大大降低了等待時間，特別是在長途旅行中需要在公共充電站進(jìn)行中途充電時。此外，冷卻系統(tǒng)通過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損傷。不難看出動力電池冷卻系統(tǒng)對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的安全性和效率，還為駕駛者提供了更便捷的使用體驗，進(jìn)一步推動了新能源汽車的實用性和普及度。

3 新能源汽車動力電池的冷卻技術(shù)分析

3.1 空氣冷卻電池技術(shù)

新能源汽車動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)是常見的一種方法。該技術(shù)主要利用外部環(huán)境的空氣對電池進(jìn)行冷卻，通常通過風(fēng)扇引導(dǎo)空氣流過電池表面或電池模塊之間的空隙，以達(dá)到散熱目的。相對于其他冷卻技術(shù)，空氣冷卻具有其獨特的優(yōu)點。例如，其結(jié)構(gòu)簡單，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。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，僅依靠空氣冷卻可能難以滿足電池的冷卻需求。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，但對于某些應(yīng)用，特別是對于不需要頻繁高負(fù)載工作或在溫和氣候下使用的車輛，仍然是一種非常合適的選擇。

3.2 液體冷卻電池技術(shù)

新能源汽車中的動力電池是新能源汽車的核心組件，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熱，這對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)或車內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)，這樣可以進(jìn)一步提高整車的能源效率。然而，液體冷卻技術(shù)也帶來了一些挑戰(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的首選，因為其提供了卓越的冷卻性能，確保電池能夠在最佳狀態(tài)下運行，從而實現(xiàn)最大的續(xù)航里程和壽命。

3.3 熱管冷卻電池技術(shù)

新能源汽車動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，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)和冷凝的相變過程快速傳遞熱量，從而實現(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，這些熱量會被傳遞到熱管的蒸發(fā)端，使工作流體蒸發(fā)。然后，蒸汽流動到熱管的冷卻端，在那里遇到低溫并冷凝，釋放出熱量。這個過程很快，使得熱量幾乎即刻從電池移動到冷卻器。熱管冷卻電池技術(shù)的一大優(yōu)勢是其具有高效性，由于相變的過程，熱管可以快速地傳遞大量熱量，而且?guī)缀鯖]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熱的風(fēng)險[5]。此外，由于熱管的結(jié)構(gòu)簡單且不包含動態(tài)部件，其可靠性和維護(hù)需求較低。同時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。

3.4 相變材料冷卻電池技術(shù)

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)動力電池在工作或充電時產(chǎn)生過多的熱量，相鄰的PCM開始融化，吸收這些熱量并維持其溫度幾乎恒定。反之，當(dāng)電池溫度過低時，PCM 開始凝固，釋放潛熱，從而幫助電池保持在一個較暖的狀態(tài)。因此，通過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)勢之一是其能夠為電池提供“被動”冷卻。由于沒有移動部件或復(fù)雜的流體循環(huán)系統(tǒng)，PCM 冷卻方法的維護(hù)需求和故障率相對較低。此外，相變過程能夠提供幾乎恒定的溫度，這對于電池的穩(wěn)定性和長壽命至關(guān)重要。盡管PCM 冷卻技術(shù)具有許多優(yōu)點，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)，同時相變的溫度范圍需要與電池的理想工作溫度緊密匹配。

4 結(jié)論

綜上所述，各種冷卻技術(shù)都有其獨特的優(yōu)點和局限性，選擇最合適的技術(shù)應(yīng)基于具體的應(yīng)用需求、電池類型和車輛工作環(huán)境。從技術(shù)趨勢來看，隨著電池能量密度的提高和充電速度的加快，對冷卻技術(shù)的要求也將更為嚴(yán)格。未來的研究應(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，跨學(xué)科的合作和創(chuàng)新也將對推動冷卻技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展起到關(guān)鍵作用。