新能源電池散熱技術(shù)研究

摘 要：在新能源汽車的不斷發(fā)展中，電池的使用壽命，續(xù)航能力，動力性能以及安全性逐漸成為人們關(guān)注的重點，而影響上述因素的主要原因在于電池在運行過程中會集聚大量的熱量，從而降低電池的性能，影響電池功率，嚴重時會導(dǎo)致熱失控，因此如何有效地對電池系統(tǒng)進行熱管理成為新能源汽車發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。文章首先對目前市場上常見的電池類型進行介紹，并就電池散熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行探討，而后詳細分析了幾種典型的電池散熱技術(shù)，剖析了他們的優(yōu)缺點及適用場景。最后對新能源汽車動力電池散熱技術(shù)的發(fā)展提出了一定的建議。

關(guān)鍵詞：新能源電池 散熱技術(shù) 熱管理系統(tǒng)

0 引言

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，能源問題逐漸引起了人們的注意，汽車行業(yè)作為工業(yè)化的代表，其發(fā)展備受關(guān)注。近年來新能源汽車研發(fā)不斷取得突破性進展，以結(jié)構(gòu)簡單，清潔無污染，能源利用率高等優(yōu)點，逐步占領(lǐng)市場。目前市場上的新能源車主要分為混合動力汽車（HEV）、燃料電池汽車（FEV）和電動汽車（EV）[1]?；旌蟿恿ζ嚢l(fā)展最早，在結(jié)構(gòu)上保留了內(nèi)燃機，增加了燃料電池或動力電池系統(tǒng)，使其能夠通過電池驅(qū)動電機運行?；旌蟿恿ζ嚰夹g(shù)路線比較成熟，性能相對完善，滿足了新能源汽車的需求，符合國家標準，應(yīng)用較為廣泛。燃料電池汽車通過化學(xué)反應(yīng)來提供動力，其中包含催化劑的影響，將電能轉(zhuǎn)化為機械能使汽車運行，但由于采用的氫氣等燃料存在儲存和運輸?shù)陌踩詥栴}，還需要進一步發(fā)展研究。電動汽車驅(qū)動汽車行駛僅依靠動力電池來帶動電機運轉(zhuǎn)，無內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)相對簡單，對環(huán)境無污染、能量利用率也較高，是目前汽車發(fā)展的主要趨勢。

目前影響新能源汽車發(fā)展的主要因素體現(xiàn)在電池的動力性和安全性上，電池在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量積聚在汽車內(nèi)部，如果不及時散熱會降低電池的性能，影響電池的壽命，嚴重時會導(dǎo)致熱失控產(chǎn)生無法挽回的后果。因此如何有效地對電池進行熱管理是新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。

1 電池類型及發(fā)展

對于新能源汽車而言，電池的性能至關(guān)重要，不僅表現(xiàn)在電池的價格，使用壽命，續(xù)航能力，動力性能上，電池的安全性也是需要重點考慮的因素。目前常見的動力電池分為四類：鉛酸蓄電池、鎳氫電池、燃料電池和鋰離子電池[3]。

1.1 鉛酸蓄電池

鉛酸電池出現(xiàn)時間較早，大約有150年的歷史，理論研究方面達到了非常成熟的水平，在各個領(lǐng)域運用廣泛。在充放電時實現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)換，從而為汽車提供能量。鉛酸電池發(fā)展較早，其技術(shù)相對成熟，具有價格低、維護方便，可靠性強等優(yōu)點，但也有著壽命短、能量低、污染嚴重等問題，目前在汽車的應(yīng)用主要是發(fā)動機啟動、向用電設(shè)備供電等方面。

1.2 鎳氫電池

鎳氫電池作為20世紀80年代出現(xiàn)的一種堿性電池，在充電時氫氧化鎳在氫氧化鉀溶液中通過電化學(xué)反應(yīng)生成氫氧化氧鎳和氫氣，在放電情況下又轉(zhuǎn)化為氫氧化鎳。相比鉛酸電池，其使用壽命長、清潔無污染，但存在比能量低、材料成本較高、高溫充放電性能差等問題，目前在混合動力汽車上應(yīng)用較多。

1.3 燃料電池

燃料電池一種將燃料與氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有較好的經(jīng)濟性和環(huán)保性，其正負極在電解液中通過氫氧化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，從而帶動電機運作，實現(xiàn)汽車的行駛。燃料電池的優(yōu)點是能量效率高、無污染、噪音小等，缺點是使用壽命短、成本高、充放電電流受限等，目前燃料電池技術(shù)仍處于不斷發(fā)展階段。

1.4 鋰離子電池

鋰離子電池在生活中應(yīng)用廣泛，作為車用動力電池時，采用石墨類碳材料作為負極，鋰過渡金屬氧化物為正極，在含鋰鹽電解液中進行化學(xué)反應(yīng)。鋰離子電池的比能量高，在放電過程中不會造成環(huán)境污染，其綜合性能較好，但鋰離子電池的缺點是一致性較差、低溫性能不良、管理系統(tǒng)復(fù)雜，且電池組管理的各種設(shè)備也增加了其使用成本，作為目前相對性能最優(yōu)的電池，鋰離子電池廣泛應(yīng)用在各方面，對其研究也在不斷推進[4]。

2 電池散熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著汽車技術(shù)的不斷進步，動力電池也在不斷的發(fā)展。以鋰離子電池為例，根據(jù)性能特性與其他電池相比，鋰離子電池在新能源汽車市場中應(yīng)用更為廣泛。但它的性能會受到環(huán)境溫度的制約。鋰離子電池的最佳工作溫度在20℃至40℃的之間。一旦超出范圍，無論是高溫還是低溫環(huán)境，都可能導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度分布不均，影響循環(huán)壽命[5]。

在鋰離子電池的充放電循環(huán)過程中，其內(nèi)部會發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)從而使得部分化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為熱能，這一過程導(dǎo)致內(nèi)阻變化，且該變化又反饋作用于熱量的產(chǎn)生機制，造成電池內(nèi)部不同區(qū)域溫度分布顯著不均，進而顯著削弱電池的整體性能。此外，充放電期間還伴隨著熱量的大量累積，若散熱機制效率不足，無法迅速有效地降低電池組的溫度，還可能觸發(fā)熱失控的潛在風(fēng)險，甚至發(fā)生電池自燃的嚴重后果。構(gòu)建高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，實現(xiàn)對電池組的有效冷卻，這是保障電池性能與安全的重要措施。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)要實現(xiàn)對電池溫度的監(jiān)測，避免局部過熱現(xiàn)象，設(shè)計合理的散熱機制，增強電池組的安全性，保障其工作性能的穩(wěn)定性與可靠性。研發(fā)高效穩(wěn)定、快速響應(yīng)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對于推動新能源汽車的發(fā)展具有重要意義。

3 電池系統(tǒng)冷卻方式

新能源汽車電池散熱是一個復(fù)雜且關(guān)鍵的過程，要確保電池在工作時能夠保持適宜的溫度，以提高其性能，延長使用壽命及提高安全性。其散熱方式主要以熱傳導(dǎo)為主，電池工作過程中會產(chǎn)生的熱量通過電池內(nèi)部的導(dǎo)熱材料和電池外殼，以熱傳導(dǎo)的方式向外界環(huán)境傳遞。新能源汽車電池的散熱方式有很多種，總體上可以分為被動散熱和主動散熱兩類。被動散熱主要依靠電池內(nèi)部材料，電池外殼與外部環(huán)境之間的換熱實現(xiàn)冷卻效果。主動散熱包括風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻和熱管冷卻等多種方式，主要通過外部設(shè)備和特殊材料進行散熱[6]。

3.1 風(fēng)冷散熱方式

風(fēng)冷也稱空氣冷卻，作為新能源汽車電池組的一種散熱方式，即具有其獨特的優(yōu)勢也存在一定的局限性。作為最早的冷卻方式之一，風(fēng)冷技術(shù)已經(jīng)過長時間的優(yōu)化，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。風(fēng)冷系統(tǒng)不涉及復(fù)雜的液體循環(huán)或相變過程，因此故障率較低，維護容易。風(fēng)冷系統(tǒng)相對簡單，主要依賴空氣的自然對流或強制對流來散熱，因此成本較低，適合大規(guī)模應(yīng)用。但與液冷、相變材料冷卻等散熱方式相比，風(fēng)冷的散熱效率較低。在高功率放電或極端環(huán)境條件下，可能無法滿足電池組的散熱需求，同時風(fēng)冷受環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速等外界條件影響較大，在高溫環(huán)境下，風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱能力會顯著下降。

串行通風(fēng)方式中，冷卻空氣依次流經(jīng)電池單體帶出熱量，這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。然而空氣流經(jīng)電池單體時其溫度會逐漸升高，導(dǎo)致對后續(xù)電池單體的冷卻效果減弱。因此串行通風(fēng)方式適用于電池組容量較小、發(fā)熱量不高的場景。并行通風(fēng)方式中，從進風(fēng)口進入電池箱的冷卻風(fēng)同時流經(jīng)所有的電池單體，將熱量從出風(fēng)口排出，確保了每個電池單體都能得到相對均勻的冷卻。這種方式的優(yōu)點在于散熱效率高、散熱均勻性好，同時由于空氣流量分配相對均勻，也可以避免電池單體之間出現(xiàn)較大的溫差。因此并行通風(fēng)方式適用于電池組容量較大、發(fā)熱量較高的場景[7]。

被動式的冷卻方式主要是自然對流冷卻，自然對流冷卻主要依靠電池組與周圍環(huán)境的溫度差引起的空氣自然流動來實現(xiàn)熱量的傳遞和散發(fā)。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但散熱效果受環(huán)境影響較大，不適用于高倍率放電場景。主動風(fēng)冷方式又叫強制風(fēng)冷，通過加裝風(fēng)扇或利用蒸發(fā)器等方式，人為地增加空氣流動速度或降低冷卻風(fēng)的溫度，增強散熱效果。這種方式換熱效果好，但成本較高，維護難度大，適用于高功率、高發(fā)熱量、對散熱要求高的場景[8]。

3.2 液冷散熱方式

液冷冷卻方式相比空氣冷卻方式的冷卻效果更好，其依靠傳熱介質(zhì)的持續(xù)循環(huán)流動，以實現(xiàn)高效的熱量傳遞。傳熱介質(zhì)可分為直接接觸式與非直接接觸式。前者涵蓋了諸如礦物油之類的介質(zhì)，它們能夠直接與熱源接觸以吸收并轉(zhuǎn)移熱量；而后者則包括水和專用冷卻液等，它們通過熱交換器高效地將熱量帶走。

液冷冷卻系統(tǒng)是目前汽車領(lǐng)域上應(yīng)用較為廣泛的一種冷卻方式，冷卻液種類較多，一般液體相較于氣體對流換熱系數(shù)要大很多，因而在散熱過程中能夠更有效地轉(zhuǎn)移熱量。因此液冷系統(tǒng)即便在高速率的充放電循環(huán)下，也能維持電池組內(nèi)部的溫度均衡性，滿足較高的散熱需求。但液冷系統(tǒng)電池組內(nèi)部管路布局設(shè)計復(fù)雜，增加了整體成本[9]。此外，液冷系統(tǒng)對管道密封性的要求也很高，任何微小的泄漏都可能削弱冷卻效果，對于直接接觸式，還可能加劇溫度分布的不均勻性，影響電池性能與壽命。

3.3 相變材料冷卻散熱方式

相變材料實際上就是傳熱介質(zhì)，在電池組中通過附著于電池表面與電池組合成一體。當電池在充放電過程中溫度逐漸升高到接近其相變溫度時，相變材料會吸收熱量，實現(xiàn)從固態(tài)到液態(tài)的物理相態(tài)轉(zhuǎn)變過程，這一轉(zhuǎn)變有效地緩解了電池表面的溫度上升，實現(xiàn)了溫度的調(diào)控[10]。

作為一種被動式的冷卻方式，相變材料在電池放電階過程中能夠有效吸收熱量并儲存能量，同時，在環(huán)境溫度偏低時，它還能釋放儲存的熱能來提升電池溫度，從而保障汽車冷啟動的性能。相變材料在相態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的延時儲能與能量釋放的特性，對于維持電池組內(nèi)溫度的均衡行也起到了至關(guān)重要的作用，確保了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。石墨作為一種典型相變材料，因其相變條件要求不高及成本低廉，在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。該冷卻方式在提升電池溫度分布均勻性方面表現(xiàn)突出。但部分相變材料的低導(dǎo)熱率特性也會影響熱量的傳遞，并且相變材料的儲能容量有限，當熱量累積至無法及時排出時，可能引發(fā)材料物理性質(zhì)的變化，進而導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)效能下降。因此相變材料更適宜于適當溫度條件下的冷卻，不適用于長時間高倍率充放電且溫度較高的情況下。為了克服上述局限，國內(nèi)外研究者普遍采取的方法是在相變材料中摻入金屬粉末，來提升材料的傳熱效率，加快電池與相變材料間的熱量傳遞，進一步優(yōu)化冷卻效果，確保電池系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。

3.4 熱管冷卻散熱方式

熱管是一種高效傳熱元件，主要通過熱傳導(dǎo)與相變材料快速傳熱的方式實現(xiàn)對溫度的調(diào)控，它具有優(yōu)異的溫度調(diào)控性能，并且導(dǎo)熱能力較強。熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，兩端分別為蒸發(fā)端和冷凝端。蒸發(fā)端內(nèi)，管內(nèi)液體受熱蒸發(fā)吸收熱源釋放的熱量；以蒸汽的形式流至冷凝端，在冷凝端凝結(jié)為液態(tài)，此過程釋放的熱量被外部環(huán)境吸收。在壓力的驅(qū)動下，冷凝后的液體流回蒸發(fā)端，形成一個熱量吸收與釋放的循環(huán)過程，有效的降低了熱源溫度[11]。熱管的傳熱能力強且熱量傳遞過程可循環(huán)，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，但其在成本控制及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，材料選取等方面仍需要進一步研究。

車輛中采用的空調(diào)液冷系統(tǒng)設(shè)計方案可分為獨立式和集成式。獨立式液冷機組專門用于電池組的散熱。集成式液冷系統(tǒng)則創(chuàng)新性地融合了乘客艙空調(diào)與電池冷卻模塊，通過在傳統(tǒng)車輛空調(diào)系統(tǒng)中增設(shè)并聯(lián)的電池冷卻環(huán)路來實現(xiàn)冷卻效果，將電池中積聚的熱量排至外部環(huán)境。

4 結(jié)論

新能源汽車電池的散熱對于保障電池的性能、安全性和循環(huán)壽命至關(guān)重要。過高或過低的溫度都會影響電池的循環(huán)壽命和性能。目前，最常見的動力電池冷卻方式主要有四種：風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻和熱管冷卻。根據(jù)不同冷卻方式的換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)液冷方式相較于其他方式冷卻效果更好。我國在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)上有了技術(shù)提升，從早期的自然冷卻方法逐步轉(zhuǎn)型至更為高效的液冷方式。根據(jù)現(xiàn)有的熱管理方案發(fā)現(xiàn)單一冷卻方式的溫度調(diào)控效果不太理想，復(fù)合式熱管理技術(shù)的應(yīng)用更為高效。新型熱管理系統(tǒng)的研發(fā)目標應(yīng)取代單一的高溫冷卻功能，在電池處于低溫環(huán)境時實現(xiàn)一定的溫度提升，從而確保電池溫度保持在適宜范圍內(nèi)。

基金項目：工程熱力學(xué)教學(xué)資源庫項目（HHJTXY-2022kczyk051）；工程熱力學(xué)一流課程項目（HHJTXY-2023ylkc19）。

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