新能源汽車動(dòng)力電池散熱技術(shù)綜述

張計(jì)軍　葛家琪　潘漢平　康明龍

摘 要：隨著新能源汽車的快速發(fā)展，新能源汽車動(dòng)力電池作為“三電”核心之一，其散熱問(wèn)題越來(lái)越受到設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。本文對(duì)目前主要的五種動(dòng)力電池散熱技術(shù)－對(duì)流散熱、風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管冷卻和相變材料冷卻分別進(jìn)行了綜述，并對(duì)其原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用情況進(jìn)行了分析比較，本文為新能源汽車動(dòng)力電池散熱技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 液冷散熱 風(fēng)冷散熱 對(duì)流散熱 熱管冷卻 相變材料

1 前言

為了進(jìn)一步解決能源危機(jī)問(wèn)題，我國(guó)大力提倡新能源的開(kāi)發(fā)，其中以電力驅(qū)動(dòng)的新型能源汽車，是我國(guó)大規(guī)模進(jìn)入新能源應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域[1]。新能源汽車是指使用非化石能源（如電力、太陽(yáng)能等）作為動(dòng)力源的汽車，其具有低碳環(huán)保、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來(lái)汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向。而動(dòng)力電池作為新能源汽車的核心部件之一，其性能直接影響著整車的性能和安全。然而，由于動(dòng)力電池在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此其散熱問(wèn)題一直是制約其發(fā)展的重要因素之一。本文將對(duì)目前主流的五種散熱技術(shù)——對(duì)流散熱、風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管冷卻散熱和相變材料散熱進(jìn)行綜述，并對(duì)其原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用情況進(jìn)行了分析比較，為新能源汽車動(dòng)力電池散熱技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考價(jià)值。

2 動(dòng)力電池產(chǎn)熱機(jī)理

作為儲(chǔ)能裝置的鋰離子電池，其組成部分包括正極、負(fù)極、電解液、隔膜和殼體[2]。動(dòng)力電池的產(chǎn)熱機(jī)理主要有化學(xué)反應(yīng)熱、焦耳熱、極化熱、副反應(yīng)熱等?；瘜W(xué)反應(yīng)熱是電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一定熱量，是動(dòng)力電池的熱量的主要來(lái)源。當(dāng)電池進(jìn)行充電時(shí)，正極和負(fù)極之間的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的化學(xué)反應(yīng)熱量；焦耳熱是電池在工作時(shí)，電流通過(guò)電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱量。這種熱量的產(chǎn)生與電池的工作狀態(tài)有關(guān)，例如，當(dāng)電池的負(fù)載較大時(shí)，電流通過(guò)電池內(nèi)部的時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生的焦耳熱也就較多；極化熱是電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象。這種熱量的大小與電池的工作電壓、電流以及工作環(huán)境的溫度等因素有關(guān)；副反應(yīng)熱是除了以上三種產(chǎn)熱方式外，電池在使用過(guò)程中還可能發(fā)生一些副反應(yīng)，這些副反應(yīng)也會(huì)放出熱量。總體來(lái)說(shuō)，動(dòng)力電池的產(chǎn)熱機(jī)理是復(fù)雜的，需要根據(jù)具體的使用環(huán)境和條件來(lái)綜合考慮。

3 動(dòng)力電池散熱技術(shù)

3.1 對(duì)流散熱技術(shù)

動(dòng)力電池對(duì)流散熱技術(shù)是一種利用空氣自然對(duì)流的方式，將電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過(guò)散熱器散發(fā)出去的技術(shù)。對(duì)流散熱是通過(guò)在電池組與底部導(dǎo)熱材料傳導(dǎo)熱量，而電池組的側(cè)面則通過(guò)空氣散熱。該技術(shù)具有傳熱效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地降低電池的工作溫度，提高電池的使用壽命和安全性。此外，對(duì)流散熱技術(shù)還具有隔離減震作用，能夠避免電池之間的短路、磨損等問(wèn)題的發(fā)生。

當(dāng)電池工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量如果不能及時(shí)散發(fā)出去，就會(huì)對(duì)電池的性能和壽命產(chǎn)生不利影響。因此，需要通過(guò)散熱器將這些熱量散發(fā)出去。對(duì)流散熱技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是在電池組之間與電池底部增加導(dǎo)熱硅膠片來(lái)提高傳熱效率；同時(shí)在電池組的側(cè)面通過(guò)空氣流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)散熱效果。導(dǎo)熱硅膠片的選擇對(duì)于對(duì)流散熱的效果也非常重要。目前常用的導(dǎo)熱硅膠片材料有硅橡膠、聚氨酯彈性體等。導(dǎo)熱材料都具有好的導(dǎo)熱性能和耐高溫特性。此外，導(dǎo)熱硅膠片的形狀和尺寸也需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

對(duì)流散熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是傳熱效率高、穩(wěn)定性好等顯著優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)它還具有隔離減震作用的優(yōu)點(diǎn)。但是該技術(shù)的缺點(diǎn)在于需要增加一定的硬件設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流散熱功能，為了在實(shí)際使用過(guò)程中取得更好的冷卻效果，往往需要增加如翅片等特殊部件以擴(kuò)大散熱接觸的面積[3]；同時(shí)還需要針對(duì)不同車型和使用環(huán)境的需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)整方案。動(dòng)力電池對(duì)流散熱技術(shù)主要應(yīng)用于一些低端電動(dòng)車中，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，在一些中端電動(dòng)車中對(duì)流散熱技術(shù)也開(kāi)始得到應(yīng)用。

3.2 風(fēng)冷散熱技術(shù)

風(fēng)冷散熱是在風(fēng)扇的作用下，加強(qiáng)電池內(nèi)部的空氣的流動(dòng)，帶走電池散熱的熱量的一種方式。該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適用于一些小型電池組或移動(dòng)式電池組。但是，風(fēng)冷散熱技術(shù)的傳熱效率較低，且容易受到外界環(huán)境的影響，如氣溫、濕度等因素都會(huì)影響其散熱效果。

風(fēng)冷散熱器是動(dòng)力電池風(fēng)冷散熱技術(shù)的核心部件，它主要由風(fēng)扇、散熱片、散熱罩等組成。風(fēng)扇的作用是將空氣吹向散熱器，形成氣流，從而將熱量帶走。散熱片則是將熱量傳遞到空氣中的重要媒介，其形狀、大小、材料等都會(huì)影響散熱效果。散熱罩則是用來(lái)保護(hù)電池和散熱器不受外界環(huán)境的影響，如灰塵、雨水等。風(fēng)冷散熱技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理就是提高空氣流通量，從而帶走動(dòng)力電池的熱量。風(fēng)扇的選擇對(duì)于風(fēng)冷散熱的效果也非常重要。目前常用的風(fēng)扇有軸流式風(fēng)扇和離心式風(fēng)扇兩種類型。軸流式風(fēng)扇適用于低速運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)景；而離心式風(fēng)扇適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)景。此外，通風(fēng)孔的設(shè)計(jì)也需要考慮到電池組內(nèi)部的空間布局和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素。

風(fēng)冷散熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)[4]，它適用于一些小型電池組或移動(dòng)式電池組的散熱需求。但是，風(fēng)冷散熱技術(shù)的傳熱效率較低，且容易受到外界環(huán)境的影響，如氣溫、濕度等因素都會(huì)影響其散熱效果。此外，由于電池組內(nèi)部空間有限，通風(fēng)孔的數(shù)量和大小也需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。風(fēng)冷散熱技術(shù)同時(shí)存在噪音大等不足，由于風(fēng)扇的存在，風(fēng)冷散熱器在運(yùn)行時(shí)候會(huì)存在一定的噪音。動(dòng)力電池風(fēng)冷散熱技術(shù)主要應(yīng)用于一些低端電動(dòng)車和小型儲(chǔ)能系統(tǒng)中。在這些系統(tǒng)中，由于成本和空間的限制，無(wú)法采用其他散熱方式，因此只能采用風(fēng)冷散熱技術(shù)。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)冷散熱技術(shù)在一些高端電動(dòng)車中也開(kāi)始得到應(yīng)用。

3.3 液冷散熱技術(shù)

液冷散熱是一種新型的散熱方式，它的工作原理是在液體介質(zhì)的作用下通過(guò)對(duì)流換熱的方式釋放電池?zé)崃?，降低電池溫度[5]。該技術(shù)具有傳熱效率高、散熱效果好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地降低電池的工作溫度，提高電池的使用壽命和安全性。此外，液冷散熱技術(shù)還具有可靠性高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在新能源汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

液冷散熱技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是將冷卻液注入到電池組內(nèi)部，然后通過(guò)散熱鋁管將熱量散發(fā)出去。冷卻液的選擇對(duì)于液冷散熱的效果至關(guān)重要。目前常用的冷卻液有礦物油、合成油和水基冷卻液等。其中，礦物油具有導(dǎo)熱性能好、耐高溫等特點(diǎn)，但其對(duì)環(huán)境有一定的污染性；合成油則具有更好的環(huán)保性能和高溫穩(wěn)定性；水基冷卻液則具有無(wú)毒無(wú)害、環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)。在選擇冷卻液時(shí)需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行綜合考慮。目前，液冷散熱技術(shù)的研究主要還是集中在散熱冷板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，而散熱冷板的設(shè)計(jì)又集中在流道的設(shè)計(jì)，往往都是通過(guò)改變流道的形狀、流道數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池散熱的影響。流道設(shè)計(jì)越復(fù)雜，一般散熱效果越好，但是加工起來(lái)又往往無(wú)比復(fù)雜，成本較高，甚至有些流道實(shí)際中是無(wú)法完成加工制造的，所以流道是設(shè)計(jì)要充分考慮制造方面的難易程度，再綜合散熱效果來(lái)制定方案。

液冷散熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。首先，它能夠有效地降低電池的工作溫度，從而提高電池的使用壽命和安全性。其次，液冷散熱器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)和更換。此外，液冷散熱技術(shù)還具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，能夠在惡劣環(huán)境下正常工作。但是，液冷散熱技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)。例如，其成本較高，需要投入較多的資金進(jìn)行設(shè)備改造和維護(hù)；同時(shí)，液體泄漏等問(wèn)題也需要引起重視。

3.4 熱管冷卻技術(shù)

熱管冷卻是一種新興的動(dòng)力電池散熱方式，其導(dǎo)熱能力強(qiáng)，具有較好的應(yīng)用前景[6]。熱管冷卻技術(shù)是一種利用熱管原理進(jìn)行散熱的技術(shù)，主要用于電池系統(tǒng)的冷卻。熱管是一種高效的傳熱元件，由一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的管子和兩個(gè)端部相連的金屬翅片組成。當(dāng)電池內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)到熱管時(shí)，熱管內(nèi)的液體會(huì)吸熱并蒸發(fā)，產(chǎn)生大量的蒸汽，這些蒸汽會(huì)沿著管子流動(dòng)，同時(shí)帶走電池內(nèi)部的熱量。最終，蒸汽會(huì)在散熱器中冷凝成液體，釋放出潛熱，從而將熱量散發(fā)出去。熱管散熱器是動(dòng)力電池?zé)峁芾鋮s散熱技術(shù)的核心部件之一，它主要由熱管、翅片、風(fēng)扇等組成。熱管的作用是將電池內(nèi)部的熱量傳遞到散熱器上，而翅片則是用來(lái)增加散熱面積和提高散熱效率的重要組件。風(fēng)扇則是用來(lái)加速空氣流動(dòng)，從而提高散熱器的散熱效果。在某些高端電池系統(tǒng)中，熱管冷卻技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，如新能源汽車、無(wú)人機(jī)等行業(yè)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的降低，相信熱管冷卻技術(shù)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

熱管冷卻技術(shù)的有高效節(jié)能、可靠性高、適用范圍廣、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。高效節(jié)能：熱管冷卻技術(shù)能夠?qū)㈦姵禺a(chǎn)生的熱量快速傳遞出去，避免了能量的浪費(fèi)，提高了能源利用效率；可靠性高：熱管冷卻技術(shù)采用封閉的管道結(jié)構(gòu)，不會(huì)受到外界環(huán)境的影響，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性；適用范圍廣：熱管冷卻技術(shù)適用于各種類型的電池系統(tǒng)，包括鋰離子電池、鉛酸電池等；維護(hù)成本低：熱管冷卻技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本較低，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

熱管冷卻技術(shù)的缺點(diǎn)也是非常明顯的，主要有體積較大、成本較高、流體阻力大等不利因素。體積大：由于熱管需要占用一定的空間，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式，熱管冷卻技術(shù)需要更大的安裝空間；成本高：熱管冷卻技術(shù)的制造成本相對(duì)較高，需要使用高質(zhì)量的材料和工藝來(lái)保證其性能和壽命；流體阻力大：熱管內(nèi)部液體流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的阻力，這會(huì)影響熱管的傳熱效率；熱管冷卻技術(shù)同時(shí)存在噪音大問(wèn)題，由于風(fēng)扇的存在，熱管散熱器在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的噪音；熱管冷卻技術(shù)溫度控制比較困難，其散熱效果受到環(huán)境因素的影響較大，因此溫度控制相對(duì)困難。

3.5 相變材料冷卻技術(shù)

動(dòng)力電池相變材料冷卻技術(shù)是一種利用相變材料進(jìn)行散熱的技術(shù)，主要用于電池系統(tǒng)的冷卻。動(dòng)力電池相變材料散熱技術(shù)的基本原理是利用相變材料進(jìn)行散熱。相變材料是一種能夠在一定溫度范圍內(nèi)吸收或釋放大量熱量的材料，當(dāng)電池內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)到相變材料時(shí)，相變材料中的液態(tài)部分會(huì)吸熱并膨脹，變成氣態(tài)；而固態(tài)部分則會(huì)放熱并收縮。這樣，相變材料就能夠?qū)㈦姵貎?nèi)部的熱量快速傳遞到散熱器上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的冷卻。相變材料散熱器是動(dòng)力電池相變材料散熱技術(shù)的核心部件之一，它主要由相變材料、翅片、風(fēng)扇等組成。

相片材料冷卻技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是高效節(jié)能、可靠性高、適用范圍廣、維護(hù)成本低。高效節(jié)能：相變材料冷卻技術(shù)能夠?qū)㈦姵禺a(chǎn)生的熱量快速傳遞出去，避免了能量的浪費(fèi)，提高了能源利用效率；可靠性高：相變材料冷卻技術(shù)采用穩(wěn)定的相變材料，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；適用范圍廣：相變材料冷卻技術(shù)適用于各種類型的電池系統(tǒng)，包括鋰離子電池、鉛酸電池等；維護(hù)成本低：相變材料冷卻技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本較低，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

相片材料冷卻技術(shù)缺點(diǎn)是體積較大、成本較高、溫度范圍受限等。體積較大：由于相變材料需要占用一定的空間，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式，相變材料冷卻技術(shù)需要更大的安裝空間；成本較高：相變材料冷卻技術(shù)的制造成本相對(duì)較高，需要使用高質(zhì)量的材料和工藝來(lái)保證其性能和壽命；溫度范圍受限：相變材料的溫度范圍較窄，只能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行散熱，不能適應(yīng)所有工況下的需求。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，對(duì)流散熱技術(shù)、風(fēng)冷散熱技術(shù)、液冷散熱技術(shù)、熱管冷卻散熱技術(shù)和相變材料冷卻散熱技術(shù)是目前主流的五種新能源汽車動(dòng)力電池散熱技術(shù)。其中液冷散熱技術(shù)具有傳熱效率高、散熱效果好等優(yōu)點(diǎn)；風(fēng)冷散熱技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)；對(duì)流散熱技術(shù)具有傳熱效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；熱管冷卻散熱技術(shù)有高效節(jié)能、可靠性高、適用范圍廣、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)；在未來(lái)的發(fā)展中，應(yīng)該根據(jù)不同車型和使用環(huán)境的需求選擇合適的散熱技術(shù)方案，并且不斷優(yōu)化和完善現(xiàn)有的散熱技術(shù)，以提高新能源汽車動(dòng)力電池的性能和可靠性。

基金項(xiàng)目：2022年廣西教育廳中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目：基于ANSYS動(dòng)力電池的水冷散熱器仿真分析與優(yōu)化（2022KY1229）；2021年廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題：基于小型森林越野車的前懸架仿真研究與優(yōu)化（2021KY06）。

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