新能源汽車電池散熱裝置設(shè)計(jì)研究

摘 要：隨著新能源汽車的不斷推廣，電池散熱裝置的研究與設(shè)計(jì)也在不斷深入。新能源汽車的電池在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，降低電池的充放電效率、縮短電池的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會引發(fā)安全隱患，因此設(shè)計(jì)高效的電池散熱裝置對于新能源汽車至關(guān)重要?，F(xiàn)階段已有的電池散熱裝置主要有風(fēng)冷散熱與液冷散熱等方式，但在實(shí)際應(yīng)用中都存在一定的局限性。基于此本研究綜合考慮散熱效率與可靠性等多方面因素，探究更優(yōu)化的電池散熱裝置設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 電池 散熱裝置 設(shè)計(jì)方案

新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展過程中也面臨著電池散熱的問題，由于電池在工作中會產(chǎn)生熱量，如果散熱不佳嚴(yán)重影響電池性能和壽命，損害汽車的正常駕駛。針對當(dāng)前新能源電池散熱裝置的局限性，本研究提出了新型的新能源汽車電池散熱裝置設(shè)計(jì)方案。在本方案中巧妙結(jié)合了風(fēng)冷與液冷的優(yōu)勢，既設(shè)有風(fēng)扇進(jìn)行風(fēng)冷，又有由水泵、水箱、盤管構(gòu)成的液冷系統(tǒng)。同時(shí)，為保障散熱裝置進(jìn)風(fēng)的清潔與穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了帶有毛刷清潔結(jié)構(gòu)的防塵網(wǎng)、錐形進(jìn)風(fēng)孔的第二固定板等部件。此外，本裝置中對水箱蓋進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，確保其密封性與空氣交換性，設(shè)計(jì)散熱翅片進(jìn)一步增強(qiáng)散熱效果。

1 溫度對能源消耗的影響分析

在新能源汽車領(lǐng)域中，溫度對電池的能源消耗有著顯著的影響。高溫環(huán)境首先會導(dǎo)致電池性能衰退，增加能源消耗。在高溫環(huán)境下電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率會加快，以鋰離子電池為例，在溫度升高時(shí)電池電極材料的結(jié)構(gòu)和性能會發(fā)生變化：正極材料會出現(xiàn)晶格膨脹、相變等現(xiàn)象，負(fù)極材料的固體電解質(zhì)SEI膜也會遭到破壞。這種結(jié)構(gòu)變化會導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，在電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量也會增多，造成額外的能量損耗。同時(shí)，高溫還會導(dǎo)致電池的自放電率明顯提高。存儲在電池中的電能會因?yàn)樽苑烹姮F(xiàn)象而流失，自放電率的提高意味著電池可用于驅(qū)動汽車的有效電量減少，車主則需要更頻繁地充電，進(jìn)一步導(dǎo)致了整體能源消耗的增加。其次，加重散熱系統(tǒng)負(fù)擔(dān)與能耗關(guān)聯(lián)。在高溫下電池的散熱裝置需要消耗更多的能量來維持電池的工作溫度，散熱系統(tǒng)的功率與環(huán)境溫度和電池溫度差密切相關(guān)。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)在環(huán)境溫度較高時(shí)需要提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來增強(qiáng)空氣對流，從而增加風(fēng)扇的耗電量，而液冷散熱系統(tǒng)則需要更大功率的水泵來驅(qū)動冷卻液循環(huán)，從而消耗更多的電能。最后，增加電池管理系統(tǒng)能耗。在高溫環(huán)境下，電池管理系統(tǒng)需要更頻繁地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和控制操作。而電池管理系統(tǒng)本身也是一個(gè)耗能的系統(tǒng)，在高溫環(huán)境下的額外操作需要消耗電能，從而對新能源汽車的能源消耗產(chǎn)生負(fù)面影響。

2 新能源汽車電池散熱的基本理論

2.1 電池散熱的基本方式

2.1.1 熱傳導(dǎo)散熱方式

熱傳導(dǎo)是指熱量通過直接接觸的物質(zhì)分子傳遞的方式，在新能源汽車電池中熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在電池內(nèi)部的電極、電解質(zhì)以及電池外殼等部件之間。新能源汽車電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量會從電極反應(yīng)區(qū)域通過電池的固體組件傳導(dǎo)到外殼，熱傳導(dǎo)的速率取決于電池材料的熱導(dǎo)率，如鋁制等金屬材料的電池外殼的熱導(dǎo)率較高，能夠有效地傳導(dǎo)熱量。

2.1.2 熱對流散熱方式

熱對流是指流體與固體表面之間的熱量傳遞過程，在新能源汽車電池散熱中，風(fēng)冷散熱方式就是利用空氣的熱對流。熱對流散熱方式具體可分為自然對流和強(qiáng)制對流，其中自然對流依靠溫度差引起的流體密度變化來驅(qū)動熱量傳遞，例如電池周圍的空氣受熱上升，冷空氣補(bǔ)充進(jìn)來帶走熱量。強(qiáng)制對流則是通過風(fēng)扇等設(shè)備使流體加速流動，增強(qiáng)散熱效果，熱對流的散熱效果與流體的流速、熱容等因素密切相關(guān)。

2.1.3 熱輻射散熱方式

熱輻射是指物體通過電磁波形式向外發(fā)射能量的過程，在新能源汽車電池散熱中，電池表面會以熱輻射的方式向周圍環(huán)境散熱。熱輻射散熱方式受到環(huán)境溫度的影響較大，在常溫下熱輻射對電池散熱的貢獻(xiàn)相對較小，但在高溫環(huán)境或者特定的散熱設(shè)計(jì)下，設(shè)計(jì)者可以通過優(yōu)化電池表面的輻射特性提高熱輻射的散熱效率。

2.2 電池散熱的要求與性能指標(biāo)

2.2.1 合適的工作溫度范圍

不同類型的新能源汽車電池適宜的工作溫度范圍各不相同，如鋰電池的最佳工作溫度范圍在20℃-40℃之間。如果電池的溫度過高會加速電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率，導(dǎo)致電池壽命縮短、性能下降，而溫度過低則會嚴(yán)重影響電池的充放電性能，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，充放電容量降低。

2.2.2 溫度均勻性要求

新能源汽車電池組由多個(gè)電池單體組成，在散熱過程中，要確保電池組內(nèi)各單體之間溫度的均勻性。溫度不均勻會導(dǎo)致電池單體之間的性能差異增大，影響電池組的整體性能和壽命。如果新能源汽車電池組局部過熱會導(dǎo)致電池單體加速老化，影響整個(gè)電池組的能量輸出和安全性。

2.2.3 散熱效率指標(biāo)

散熱效率是衡量電池散熱裝置性能的重要指標(biāo)，反映了散熱裝置在單位時(shí)間內(nèi)能夠帶走電池產(chǎn)生熱量的能力。散熱效率與散熱方式、散熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱介質(zhì)等因素有關(guān)。散熱效率越高，電池在高功率充放電過程中保持較低溫度的能力越強(qiáng)，借此可以延長電池的使用壽命，提高電池的性能穩(wěn)定性。

3 現(xiàn)有新能源汽車電池散熱裝置的類型與分析

3.1 風(fēng)冷散熱裝置

風(fēng)冷散熱裝置主要由風(fēng)扇和散熱風(fēng)道構(gòu)成，借助風(fēng)扇促使空氣流動，空氣流經(jīng)電池表面，通過熱對流將電池?zé)崃繋ё?。風(fēng)冷散熱裝置的成本較低，不需要復(fù)雜的輔助設(shè)備和特殊材料，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝和維護(hù)。但風(fēng)冷散熱裝置的散熱效率相對較低，難以滿足高功率電池散熱需求。在早期的新能源汽車中，由于電池功率較小且對成本控制較為嚴(yán)格的原因大多采用風(fēng)冷散熱，在正常城市工況下能夠滿足散熱需求。

3.2 液冷散熱裝置

液冷散熱裝置包含冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，有冷卻液儲存罐、泵、管道和散熱器等部件。冷卻液在泵的作用下在管道中循環(huán)，流經(jīng)電池時(shí)吸收熱量，然后在散熱器中釋放熱量。液冷散熱裝置的散熱效率較高，溫度均勻性好，可縮小汽車電池組各部分溫度差異。液冷散熱裝置的系統(tǒng)涉及多個(gè)部件，綜合成本較高，同時(shí)液冷散熱裝置也存在漏液風(fēng)險(xiǎn)，一旦漏液可能會損壞電池。

3.3 熱管散熱裝置

熱管散熱裝置的熱管內(nèi)部有工作介質(zhì)，蒸發(fā)段在電池高溫區(qū)吸收熱量并工作介質(zhì)蒸發(fā)，蒸汽流向冷凝段，釋放熱量后冷凝回流。熱管散熱裝置具有高效的熱傳導(dǎo)能力，能夠快速將熱量從高溫區(qū)傳導(dǎo)到低溫區(qū)。但熱管散熱裝置的制造工藝要求相對較高，綜合成本也相對較高。

4 新能源汽車電池散熱裝置設(shè)計(jì)方案

本研究技術(shù)方案：新能源汽車電池的散熱裝置，包括殼體，殼體的一側(cè)安裝有框架，框架的內(nèi)部安裝有防塵網(wǎng)，防塵網(wǎng)上安裝有扇葉，扇葉的一側(cè)安裝有毛刷，且毛刷與防塵網(wǎng)相連不相接，殼體的內(nèi)部安裝有第一固定板，第一固定板的底部安裝有溫度傳感器，溫度傳感器與PLC板相連接，PLC板上連接有風(fēng)扇和水泵，風(fēng)扇和水泵分別安裝于殼體的內(nèi)部和外部，殼體的外部固定連接有水箱，水箱的內(nèi)部插接有抽水管，抽水管與水泵相連通，水泵的出水端連通有盤管，盤管安裝于殼體的內(nèi)部，第一固定板上開設(shè)有出風(fēng)孔，殼體上安裝有散熱翅片。水箱的頂部螺紋連接有水箱蓋，水箱蓋的內(nèi)部安裝有密封墊。水箱蓋上開設(shè)有進(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔的內(nèi)部安裝有呼吸紙。殼體上靠近防塵網(wǎng)的一側(cè)安裝有第二固定板，第二固定板上開設(shè)有錐形進(jìn)風(fēng)孔。框架的四周均開設(shè)有排塵孔。散熱翅片最少設(shè)置有四組，且每組散熱翅片不少于四組。

新能源汽車電池散熱裝置技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：在設(shè)計(jì)的新能源汽車的電池散熱裝置中，于殼體一側(cè)安裝防塵網(wǎng)，可以有效防止外界灰塵進(jìn)入殼體內(nèi)部，成為保護(hù)電池的第一道防線。在防塵網(wǎng)上安裝扇葉，在汽車行駛時(shí)，自然風(fēng)能夠吹入殼體內(nèi)部，形成自然風(fēng)冷，帶走電池散發(fā)的熱量，確保電池處于適宜的工作溫度范圍。由于在行車過程中，防塵網(wǎng)容易吸附灰塵，灰塵積累過多會堵塞網(wǎng)孔，阻礙自然風(fēng)進(jìn)入，影響散熱效率，本設(shè)計(jì)在扇葉上安裝了毛刷，隨著自然風(fēng)帶動扇葉轉(zhuǎn)動毛刷會自動對防塵網(wǎng)進(jìn)行清掃，這種設(shè)計(jì)不僅利用自然風(fēng)實(shí)現(xiàn)了電池散熱，還通過巧妙的聯(lián)動裝置保持了防塵網(wǎng)的清潔，有效提高了殼體的防塵效果，從而保障了散熱系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

本設(shè)計(jì)方案在殼體底部安裝了溫度傳感器、PLC 板和風(fēng)扇等組件，形成了一套高效的散熱控制系統(tǒng)。在汽車停止運(yùn)動時(shí)，溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測電池溫度，將數(shù)據(jù)傳輸給 PLC 板。一旦電池溫度超出正常范圍，PLC板便會控制啟動風(fēng)扇和水泵。風(fēng)扇對電池進(jìn)行風(fēng)冷散熱，同時(shí)水泵將水箱中的水抽入盤管，盤管吸收電池?zé)崃坎С鰺崃?，?shí)現(xiàn)液冷散熱。這種風(fēng)冷與液冷相結(jié)合的方式能快速有效地降低電池溫度。當(dāng)電池溫度降低到正常溫度時(shí)，PLC 板又能精準(zhǔn)控制風(fēng)扇和水泵停止運(yùn)行，既避免了能源浪費(fèi)，又很好地提高了電池的散熱效果，延長電池使用壽命。

5 新能源汽車電池散熱裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

下面將結(jié)合本裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1-4所示，對新能源汽車電池散熱裝置的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

將汽車電池安裝在殼體中，將殼體安裝在汽車的引擎蓋中，使得在行車的時(shí)候，自然風(fēng)可以吹入到殼體中，對電池進(jìn)行散熱，殼體的一側(cè)安裝有框架，框架的內(nèi)部安裝有防塵網(wǎng)，該防塵網(wǎng)設(shè)置有兩組，提高了殼體的防塵效果，同時(shí)可以防止水進(jìn)入到殼體中，防塵網(wǎng)上安裝有扇葉，扇葉的一側(cè)安裝有毛刷，且毛刷與防塵網(wǎng)相連不相接，殼體的內(nèi)部安裝有第一固定板，該第一固定板用來安裝電池，將電池與風(fēng)扇、溫度傳感器和PLC板隔開，第一固定板的底部安裝有溫度傳感器，溫度傳感器與PLC板相連接，PLC板上連接有風(fēng)扇和水泵，風(fēng)扇和水泵分別安裝于殼體的內(nèi)部和外部，殼體的外部固定連接有水箱，該水箱安裝在殼體的外部，有利于水箱中水的散熱，不會影響到殼體內(nèi)部的散熱，水箱的內(nèi)部插接有抽水管，抽水管與水泵相連通，水泵的出水端連通有盤管，盤管安裝于殼體的內(nèi)部，第一固定板上開設(shè)有出風(fēng)孔，殼體上安裝有散熱翅片，該散熱翅片有利于提高殼體中電池的散熱效率。

水箱的頂部螺紋連接有水箱蓋，水箱蓋的內(nèi)部安裝有密封墊。該水箱蓋便于向水箱中添加冷卻水，密封墊提高水箱的密封效果。水箱蓋上開設(shè)有進(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔的內(nèi)部安裝有呼吸紙。該進(jìn)氣孔有利于外界的空氣進(jìn)入水箱中，保證水泵的正常工作，呼吸紙可以防止冷卻水泄漏，同時(shí)方式灰塵進(jìn)入到水箱中。殼體上靠近防塵網(wǎng)的一側(cè)安裝有第二固定板，第二固定板上開設(shè)有錐形進(jìn)風(fēng)孔。該第二固定板上的錐形進(jìn)風(fēng)孔可以使得自然風(fēng)進(jìn)入到殼體中的時(shí)候，形成一種沖擊力，提高了自然風(fēng)的利用率，同時(shí)可以防止水進(jìn)入到殼體中?？蚣艿乃闹芫_設(shè)有排塵孔。在毛刷將防塵網(wǎng)上的灰塵刮落之后，受自然風(fēng)的吹力從該排塵孔中排出。散熱翅片最少設(shè)置有四組，且每組散熱翅片不少于四組。該散熱翅片利于提高殼體的散熱效果。

6 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)的新能源汽車電池的散熱裝置，能有效解決新能源車輛在行車及充放電時(shí)的散熱問題。行車時(shí)自然風(fēng)吹進(jìn)殼體中，對殼體中的電池進(jìn)行散熱。在汽車停止運(yùn)動的時(shí)候，PLC板控制風(fēng)扇和水泵運(yùn)行，風(fēng)扇對電池進(jìn)行散熱，同時(shí)水泵將水箱中的水抽入到盤管中，將電池的熱量帶出，解決了電池在充放電過程產(chǎn)生大量熱量的問題。

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