新能源汽車(chē)電池冷卻系統(tǒng)研究

韓耀夫

摘 要：在新能源汽車(chē)的發(fā)展中電池模塊是影響其續(xù)航里程、充電效率和使用安全的重要因素，也是消費(fèi)群體關(guān)注的重點(diǎn)。新能源汽車(chē)電池充放電特性受環(huán)境溫度影響較大，特別是在高溫情況下，容易產(chǎn)生能量功率衰減現(xiàn)象，還可能誘發(fā)電池自燃等風(fēng)險(xiǎn)隱患，在進(jìn)行電池組模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)注可控冷卻，不斷優(yōu)化汽車(chē)電池組的工作性能。研究新能源汽車(chē)電池冷卻系統(tǒng)應(yīng)用的重要性，結(jié)合電池組冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析四種常見(jiàn)的電池組冷卻技術(shù)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē) 電池 冷卻系統(tǒng)

1 引言

在國(guó)家大力推行新能源汽車(chē)發(fā)展的大背景下，更多車(chē)企將研發(fā)試驗(yàn)的工作重點(diǎn)放在了新能源汽車(chē)上，特別是對(duì)其電池組的冷卻散熱技術(shù)優(yōu)化可以更好地提升其運(yùn)行性能，是車(chē)輛運(yùn)行輔助的重點(diǎn)核心要領(lǐng)。在對(duì)新能源汽車(chē)電池組的冷卻系統(tǒng)研究過(guò)程中，技術(shù)人員需要了解不同冷卻技術(shù)的適用條件和冷卻效果，結(jié)合冷卻技術(shù)的差異化優(yōu)勢(shì)，充分考慮不同的車(chē)輛運(yùn)行狀況，構(gòu)建更加高效安全的汽車(chē)電池冷卻模式，合理控制汽車(chē)電池運(yùn)行溫度，助力新能源汽車(chē)實(shí)現(xiàn)更廣闊的發(fā)展。

2 電池冷卻系統(tǒng)應(yīng)用重要性

面對(duì)化石能源的逐漸枯竭，新能源汽車(chē)節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)性的發(fā)展優(yōu)勢(shì)正在逐漸取代傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)，也成了汽車(chē)行業(yè)的重要發(fā)展方向。常見(jiàn)的新能源汽車(chē)包括電動(dòng)汽車(chē)、氫能源汽車(chē)等，其依靠可靠的電池組來(lái)實(shí)現(xiàn)不同能源向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。以鋰電池汽車(chē)為例，在其充放電的過(guò)程中會(huì)涉及較高的有端電壓，且額定工作溫度在-30℃～+60℃，一旦出現(xiàn)運(yùn)行環(huán)境溫度較高的情況下，其充放電運(yùn)行效率和循環(huán)使用壽命會(huì)有明顯的下降，甚至可能會(huì)出現(xiàn)電池組自燃的狀況，給駕駛?cè)藛T的安全性帶來(lái)了極大的威脅[1]。根據(jù)鋰電池在充放電狀態(tài)下的過(guò)程和原理分析，其內(nèi)部的電子會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)充和消耗的情況，而由于蓄電池內(nèi)部電子的劇烈無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，會(huì)表現(xiàn)出向外釋放熱能的現(xiàn)象，必須依靠可靠且安全的冷卻系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電池運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定的維護(hù)。常見(jiàn)的新能源汽車(chē)電池組以鋰電池為主，其主要介質(zhì)為磷酸亞鐵鋰材料，一旦出現(xiàn)高溫運(yùn)行環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)液對(duì)電池外殼的腐蝕和泄漏等問(wèn)題，不僅會(huì)給環(huán)境帶來(lái)一定的污染，還可能會(huì)誘發(fā)其他的駕駛安全風(fēng)險(xiǎn)，必須引起汽車(chē)行業(yè)從業(yè)者和消費(fèi)者的高度重視。

根據(jù)不同新能源汽車(chē)電池組的運(yùn)行特點(diǎn)和溫度性能差異，必須要搭載可靠的冷卻系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的合理控制，不僅是保障車(chē)輛運(yùn)行安全的重要前提，還可以合理降低電池組的系統(tǒng)性能自耗問(wèn)題，使其能夠有效維持在穩(wěn)定地運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境溫度下。常見(jiàn)的新能源汽車(chē)電池組冷卻系統(tǒng)主要是以能量熱交換的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，不同的介質(zhì)材料在能量吸收和散熱時(shí)的狀態(tài)與效率存在一定區(qū)別，技術(shù)人員在進(jìn)行電池冷卻系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，還需要結(jié)合電池組在不同運(yùn)行狀態(tài)下的發(fā)熱量變化線(xiàn)性規(guī)律來(lái)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保車(chē)輛電池組在充放電狀態(tài)下都能夠保持較為穩(wěn)定且安全的電池環(huán)境，為提升新能源汽車(chē)電池組的運(yùn)行性能、續(xù)航容量等提供重要參考。

3 電池組冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前常見(jiàn)的新能源汽車(chē)電池組冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行原理是依靠具有較高吸熱性能的介質(zhì)來(lái)與電池組之間形成熱交換。在進(jìn)行新能源汽車(chē)電池組的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)人員需要提前了解，在不同運(yùn)行狀態(tài)下車(chē)輛電池的發(fā)熱量變化現(xiàn)象，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，鎳氫電池和鋰電池等的輸出功率和電池發(fā)熱量之間呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，其中，鋰電池在輸出功率達(dá)到8000w時(shí)的發(fā)熱量接近200w。為可靠地減少新能源汽車(chē)電池組地向外釋熱，不僅需要通過(guò)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)通風(fēng)和空氣循環(huán)來(lái)予以冷卻散熱，更需要通過(guò)液冷循環(huán)、熱管冷卻和相變材料冷卻等方式來(lái)進(jìn)行熱量傳遞轉(zhuǎn)化，有效抑制汽車(chē)電池組的溫度上升。以鋰電池為例，其內(nèi)部呈現(xiàn)出了正極、隔膜和負(fù)極的三層結(jié)構(gòu)，而由于其內(nèi)部材料本身的熱傳導(dǎo)性能較差，在電池垂直表面進(jìn)行熱量吸收和散熱冷卻的方式效率較低，可考慮采用正負(fù)極接線(xiàn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱和散熱[2]。技術(shù)人員在進(jìn)行新能源汽車(chē)電池組的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行建模和實(shí)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)和電池輸出功率進(jìn)行反復(fù)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，詳細(xì)分析該冷卻系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中車(chē)輛電池電流和表面溫度，合理兼顧電池充放電循環(huán)壽命和降溫散熱需求，不斷提升新能源汽車(chē)電池組的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4 新能源汽車(chē)電池組冷卻技術(shù)

4.1 空氣冷卻電池技術(shù)

空氣冷卻電池技術(shù)是鋰電池組在能量熱交換過(guò)程中最常見(jiàn)的方式之一，在車(chē)輛內(nèi)部本身就可利用空氣流通來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)散熱，特別是在風(fēng)機(jī)循環(huán)的過(guò)程中，能夠?qū)④?chē)輛電池包外的空氣與車(chē)輛外部的空氣之間形成整體回流，實(shí)際主動(dòng)冷卻散熱的效果較好。在車(chē)輛的內(nèi)部空氣流通過(guò)程中，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所形成的空氣氣體整體在電池包外側(cè)形成了循環(huán)回流，盡管不直接與，外部空氣之間產(chǎn)生接觸和交換，但依然能夠達(dá)到較好的電池組被動(dòng)散熱目的。

新能源汽車(chē)電池組的空氣冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，且不需要在電池組的外側(cè)增加其他的冷卻裝置或介質(zhì)，這在車(chē)輛的生產(chǎn)制造成本和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更加節(jié)約簡(jiǎn)便，形成的電池組降溫調(diào)控空間可觀。基于較為簡(jiǎn)單的空氣流通電池降溫結(jié)構(gòu)，在電池組需要進(jìn)行主動(dòng)和被動(dòng)散熱時(shí)，直接通過(guò)啟動(dòng)車(chē)輛內(nèi)部的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)即可，基本可滿(mǎn)足電池組界定超出熱量的有效傳遞與交換，但在一些特殊情況下，其降溫的時(shí)效性則較為有限，還需要引起技術(shù)人員的充分關(guān)注，并依靠不同的汽車(chē)電池組散熱冷卻方式來(lái)形成互補(bǔ)[3]。

影響空氣冷卻電池運(yùn)行性能的因素較多，包括電池固有溫度、空氣流通效率等，在應(yīng)用這種冷卻方式的過(guò)程中，對(duì)車(chē)輛電池組內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)提出了較高的要求，必須在電池包外側(cè)有相當(dāng)充裕的空間來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣的回流與交換，確保能夠?qū)崿F(xiàn)電池冷卻散熱的最大效率。在開(kāi)啟車(chē)輛的冷風(fēng)循環(huán)過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車(chē)輛電池組的均衡式降溫，將這些經(jīng)過(guò)冷卻壓縮處理的冷空氣在電池包外側(cè)進(jìn)行循環(huán)回流，電池外側(cè)的各個(gè)發(fā)熱點(diǎn)都能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的空氣降溫，是一種較為理想且節(jié)能的電池散熱方式。

4.2 液體冷卻電池技術(shù)

新能源汽車(chē)電池組的液體冷卻技術(shù)是通過(guò)以液態(tài)物質(zhì)為介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能交換的過(guò)程，這種冷卻降溫方式充分借助了液體介質(zhì)本身的高比熱容狀態(tài)，在進(jìn)行新能源汽車(chē)電池組的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可有效實(shí)現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)的體積壓縮，對(duì)優(yōu)化車(chē)輛電池組的運(yùn)行性能、改善車(chē)輛電池組冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

接觸型液體介質(zhì)冷卻技術(shù)是指直接將冷卻介質(zhì)和新能源汽車(chē)電池組之間產(chǎn)生沉浸式接觸，通過(guò)整體包圍式的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電池組和液體介質(zhì)之間的熱量交換與吸收，可以有效實(shí)現(xiàn)快速物理降溫[4]。非接觸型液體介質(zhì)冷卻設(shè)計(jì)，是指在新能源汽車(chē)電池組周?chē)⒉恢苯訉?shí)現(xiàn)液體介質(zhì)的接觸，而是通過(guò)一些管道，設(shè)備等來(lái)實(shí)現(xiàn)液體介質(zhì)的快速流動(dòng)，借助這種外界的冷卻介質(zhì)循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)多余熱量的吸收，且在液體介質(zhì)和電池組之間的熱交換與流動(dòng)過(guò)程中可以更好地提升傳遞效率。

目前，新能源汽車(chē)電池組中的液冷循環(huán)裝置以非接觸式結(jié)構(gòu)為主，這種降溫冷卻的工作方式基本結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，有效減少了由于電池組和液體介質(zhì)之間接觸而產(chǎn)生的腐蝕、滲漏等風(fēng)險(xiǎn)。常見(jiàn)的電池冷卻液體介質(zhì)以混合物為主，包括乙醇、水等材料，在多次循環(huán)反復(fù)降溫的過(guò)程中，有效保證新能源汽車(chē)電池組的工作溫度在35℃至38℃內(nèi)，這也是其固有極限值的高效率運(yùn)行溫度。

在進(jìn)行新能源汽車(chē)電池組液冷循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，需要綜合考慮到冷卻介質(zhì)、管道結(jié)構(gòu)等方面的性能差異，通過(guò)雙向優(yōu)化形成更適合不同車(chē)型的電池組冷卻結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升電池組的運(yùn)行性能和使用壽命[5]。值得注意的是，由于非冷卻式液冷系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)多次冷卻介質(zhì)的循環(huán)，在這過(guò)程中造成的電池阻積系統(tǒng)能量消耗可能會(huì)影響電池組的供電性能，技術(shù)人員還需結(jié)合實(shí)際與車(chē)輛運(yùn)行工況進(jìn)行靈活選用，確保達(dá)到更加節(jié)能高效的電池冷卻目的。

4.3 熱管冷卻電池技術(shù)

通過(guò)具有較強(qiáng)導(dǎo)熱性能的銅片將電池組的產(chǎn)熱吸收至熱管當(dāng)中，而管材內(nèi)部的織物和器芯等可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)熱能的吸收與轉(zhuǎn)化，這種電池冷卻技術(shù)的運(yùn)行效率會(huì)受到內(nèi)部吸熱物質(zhì)的性能影響。在新能源汽車(chē)電池組的熱管冷卻拓?fù)湎到y(tǒng)中可發(fā)現(xiàn)，銅片等熱交換材料吸收的電池?zé)崮軙?huì)經(jīng)過(guò)政法機(jī)構(gòu)、冷凝機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)與制冷，通過(guò)將熱能吸附在熱管的，中空部分的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)液體介質(zhì)的吸熱，當(dāng)中空部分的液體吸熱氣化后會(huì)產(chǎn)生一定的反向氣壓現(xiàn)象，在整體壓降影響下，會(huì)將其導(dǎo)入到熱管的冷凝機(jī)構(gòu)當(dāng)中，這些高溫液體經(jīng)冷凝后會(huì)再次液化，順延熱管內(nèi)部的循環(huán)吸附裝置重新回流到中空的蒸發(fā)裝置中，有效實(shí)現(xiàn)了在熱管內(nèi)部汽化到液化的反復(fù)循環(huán)，有效保障了在新能源汽車(chē)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中的電池持續(xù)性冷卻需求[6]。

在熱管冷卻電池基本結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，必須考慮到其中液體的冷卻介質(zhì)所形成的電池冷卻性能和效率，這對(duì)評(píng)價(jià)熱管技術(shù)的實(shí)用價(jià)值具有重要意義。以鋰電池的單管熱管冷卻模型來(lái)看，由于在單管運(yùn)行過(guò)程中冷卻液體的汽化與液化過(guò)程較為單一，所能提供的冷卻流量較小，不易受到其他環(huán)境等因素帶來(lái)的干擾，在對(duì)電池組的降溫效率上表現(xiàn)更加突出[7]。熱管系統(tǒng)中的冷卻機(jī)構(gòu)在吸收熱量時(shí)，不會(huì)對(duì)電池組本身的固有溫度狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響，僅會(huì)將由政法機(jī)構(gòu)所吸附的電池多余熱能進(jìn)行冷卻降溫處理，這對(duì)于保證電池組的運(yùn)行溫度，精細(xì)化控制和性能優(yōu)化具有重要意義。

另外，在對(duì)熱管冷卻系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的結(jié)構(gòu)參數(shù)研究過(guò)程中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，熱管的長(zhǎng)度和電池組的降溫運(yùn)行效率之間呈正相關(guān)關(guān)系，但受到汽車(chē)電池組本身體積限制的影響，在熱管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中不能無(wú)限度拉長(zhǎng)，但對(duì)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的性能可形成一定參考。在熱管中空內(nèi)腔中的冷卻介質(zhì)液體汽化過(guò)程中，其反應(yīng)程度越強(qiáng)，電池組的冷卻性能越好，這提醒技術(shù)人員，在進(jìn)行電池組的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)合理選擇冷卻介質(zhì)，確保能夠有效延長(zhǎng)新能源汽車(chē)電池組的使用壽命，使其在充放電過(guò)程中的運(yùn)行更加安全可靠，如圖1所示。

4.4 相變材料冷卻電池技術(shù)

相變材料冷卻電池技術(shù)，顧名思義是指，在進(jìn)行電池冷卻的過(guò)程中利用了相變介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱交換，這種電池冷卻技術(shù)是近年來(lái)較為新興的一種工藝手段，能夠借助相變材料的特性對(duì)汽車(chē)電池組當(dāng)前的運(yùn)行溫度和變化趨勢(shì)進(jìn)行細(xì)致分析與嚴(yán)格掌控，確保電池在不同的運(yùn)行溫度狀態(tài)下都能夠通過(guò)相變介質(zhì)的熱量交換來(lái)實(shí)現(xiàn)多余熱能的消耗，有效保障新能源汽車(chē)的電池組能長(zhǎng)期處于最佳運(yùn)行狀態(tài)下。相變介質(zhì)材料具有較強(qiáng)的可塑性，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池組多余熱能的充分吸收，還可以在需求應(yīng)用的情況下實(shí)現(xiàn)潛熱地提供，且在整個(gè)能量交互與轉(zhuǎn)化的過(guò)程中不涉及其他污染性物質(zhì)的排放等問(wèn)題，是一種較為理想且環(huán)保的電池冷卻介質(zhì)材料[8]。相變介質(zhì)材料在吸熱和放熱的過(guò)程中都能夠較好地保證電池組系統(tǒng)溫度的平穩(wěn)性，甚至可以通過(guò)溫度變化趨勢(shì)的分析提前來(lái)進(jìn)行吸熱和放熱的調(diào)控，使汽車(chē)電池組能夠在近似恒溫的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，相較于其他的電池冷卻技術(shù)而言具有更強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

常見(jiàn)的相變材料包括固－液相變、固－固相變和復(fù)合相變，這主要是根據(jù)其在吸熱與放熱狀態(tài)下所形成的向態(tài)轉(zhuǎn)變特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行區(qū)分。第一，固－液相變材料以脂肪烴類(lèi)和醇類(lèi)等物質(zhì)為主，盡管在吸放熱的過(guò)程中依然不容易發(fā)生相分離的現(xiàn)象，但由于其轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)后容易出現(xiàn)泄露問(wèn)題，對(duì)外層包裹材料的密封性要求較高，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景較為有限。第二，固－固相變材料主要以莖形的轉(zhuǎn)化方式來(lái)實(shí)現(xiàn)相變，其中的分子排列更為緊湊，有效減少了其在電池組冷卻過(guò)程中的外圍包裹體積，整體呈現(xiàn)固體的晶形狀態(tài)，不存在材料泄露的風(fēng)險(xiǎn)性，實(shí)際使用年限較長(zhǎng)，是一種較為理想的相變材料類(lèi)型。第三，復(fù)合型相變材料是將具有相變特性的介質(zhì)加入在載體物質(zhì)中所形成的一種固態(tài)形態(tài)的材料，其中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池組冷卻降溫的相變材料被稱(chēng)為工作介質(zhì)，在目前的汽車(chē)電池組相變冷卻方面也具有較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿蛯?shí)踐價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

電池組是新能源汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的重要?jiǎng)恿?lái)源，在其充、放電的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電池環(huán)境溫度上升的現(xiàn)象，必須依靠科學(xué)合理的散熱手段實(shí)現(xiàn)電池運(yùn)行性能的維護(hù)，為保證實(shí)現(xiàn)最大運(yùn)行功率和提升車(chē)輛駕駛安全具有重要意義。常見(jiàn)的風(fēng)冷循環(huán)、液冷降溫和相變介質(zhì)冷卻等方式都是通過(guò)與外界環(huán)境熱交換的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電池組的降溫散熱，但其在冷卻效果、生產(chǎn)成本和運(yùn)行狀態(tài)等方面存在一定的差異，還需技術(shù)人員結(jié)合實(shí)際予以靈活選用，充分保障新能源汽車(chē)電池組的運(yùn)行安全與可靠。

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