新能源電動汽車動力鋰離子電池冷卻系統設計

虞彬彬

摘 要：動力鋰離子電池自身有最佳的工作溫度范圍20～30°C，但電池在工作過程中電化學反應會產生大量的熱量，電池自身的溫度會升高而超過最佳的工作溫度范圍，要使電池一直保持在最佳的工作狀態，延長使用壽命，就需要給鋰離子電池提供冷卻降溫。

關鍵詞：動力鋰離子電池；冷卻；性能；使用壽命

電動汽車真正實現綠色環保，徹底擺脫對石油的依賴，也成為目前汽車工業技術的發展方向。動力電池是為電動汽車主要或唯一驅動能源，相當于汽車的心臟，所以電池性能的好壞直接影響整車的性能。

根據動力電池的使用特點、要求、應用領域不同，國內外動力電池的研發大致有4個階段；第一代的鉛酸蓄電池、第二代的堿性電池、第三代的鋰離子電池和第四代的燃料電池，結合當前的技術和成本，目前電動汽車使用最廣的是鋰離子電池作為動力驅動，下面就針對鋰離子電池的冷卻系統展開討論。

目前市場上單體鋰離子電池基本有三種圓柱形電池、方形電池和軟包電池，雖然它們的外形有差異，但是所使用的冷卻方式基本都相同。

鋰離子電池在量產中常用冷卻方式主要有三種 ：自然冷卻、風扇風冷或蒸發器風冷及液冷。這三種冷卻方式都是利用冷卻介質流過或接觸過熱電池的表面，利用溫度差的熱傳遞方式將熱量帶走，從而達到給電池冷卻降溫作用。

一、自然冷卻系統

自然冷卻系統是利用電池系統、模組或電池單體自身溫度與周圍環境溫度之間的存在溫差，空氣為介質，利用空氣的自然對流換熱，將電池系統、模組或電池單體的熱量傳遞到周圍的空氣中，從而在一定程度上減低電池單體的溫度。由于空氣的導熱系數很低，且自然對流很慢，因此自然冷卻的散熱效率一般比較低。此外，當電池系統周圍不存在其他熱源時，溫度也可以控制在較小的范圍內。自然冷卻方式雖然冷卻效果較低，但這種方式的成本較低，占用的空間較小。在電池系統運行工況緩和、成本控制較高以及留給冷卻系統的空間十分有限或空間非常大的情況，這種方式也是可取的選擇。

雖然自然冷卻是一種利用電池系統工作環境的溫度差的一種被動冷卻方式，但還是需要進行結構設計。電池工作時，電池內部發生化學反應，產生大量的熱量，我們需要電池的熱量從導熱材料或金屬板導到模組或電池箱體上，再通過空氣的對流，將熱量散發出來，所以我們一般都需要對模組的結構進行設計。圓柱形電池由于尺寸小、發熱量不太大等結構特點，如果電池與電池之間加有導熱材料，這樣成本會大幅增加，所以圓柱形電池的模組只需將電池固定，不需要填充導熱材料。方形和軟包電池，一般形狀規整，體積較大，模組設計時，一般在電池之間或電池的底部，增加導熱材料或導熱鋁板，便于將電池內部的熱量導出，再通過模組和箱體將熱量散發出來。

二、風扇風冷或蒸發器風冷系統

風扇風冷或蒸發器風冷是通過風扇或蒸發器將溫度較低空氣引入箱體內部。如果電池系統需要密封時，就只能通過蒸發器來實現或者不將外界空氣引入箱體。空氣在風扇轉動的作用下，以一定的流速穿過模組或電池的外表面，并將電池產生的熱量傳遞到環境空氣中；有一種是單獨使用風扇風冷，另一種是使用蒸發器與風扇組合的風冷系統。

這種冷卻方式需要對箱體或模組進行特有的結構設計。一般有電池排布方式、風道設計、蒸發器設計、風扇選型及固定等。

（1）電池排布一般兩個電池之間需要留有一定的間隙，便于空氣以一定的流速穿過各個電池的外表面。圓柱形和方形電池強度和剛度比較高，排布時可以留有一定的間隙，而軟包電池自身的強度和剛度較差，需要在電池之間增加導熱材料，將電池內部的熱量導出；

（2）對于風冷系統設計，風道的設計是十分關鍵的，很好的風道設計，不僅可以提高散熱的均勻性，而且還可以降低系統的流動阻力，所以風道設計應該從結構簡單、成本低、密封性好、便于安裝、對對空氣流通無阻礙等這幾個方面來考慮；

（3）蒸發器的選型，根據整車空調系統中壓縮機的型號及制冷量、電池包中電池數量、箱體的空間、蒸發器制冷量和成本等方面來考慮；

（4）對于風扇的選型，最重要是所選用的風扇必須滿足提供足夠的風量和風壓，以保證系統有足夠的冷卻空氣流量和流通速度，另外還要根據電池包結構空間的大小，來選擇風扇的尺寸、重量，再有就是為風扇提供的工作電壓、噪音功能和成本等因素也在考慮范圍之內。

三、液冷系統設計

隨著用戶對電動汽車的性能要求越來越高，國家補貼政策也偏向行駛里程長，能量密度高的整車，整車廠對動力電池系統的功率性能和快充性能的要求也越來越高，要使電池發揮最佳的性能，這就是對電池系統冷卻設計的要求也越來越高，在這里只討論電池系統內部的液冷系統。

液冷系統的工作原理，就是通過液冷板中冷卻液與電池表面接觸，將熱量帶到電池系統的外部，從而達到給電池冷卻降溫作用。

其實一套完整的電池系統內部液冷系統，包括冷卻液的進、出接口、冷卻管、液冷板及冷卻液等。

（1）冷卻液的進、出接口需要與整車的冷卻系統相匹配，我們一般選用國標通用接口類型，這樣加工成本比較低；

（2）冷卻管一般從管子的材料、管徑的大小、耐腐蝕性、工作壓力及工作溫度范圍等這幾個方面選型；

（3）液冷板相當于彎曲的水管，冷卻液能在液冷板內流動，液冷板使用的材料是導熱效果較好的鋁；液冷板需要與電池的表面充分接觸，這樣才能起到更好的導熱效果；由于電池與液冷板的表面都比較硬，因此，需要在液冷板表面貼一層導熱和絕緣效果較好的導熱墊。液冷板的設計是液冷系統中最重要的環節，根據電池的種類不同，設計成不同的液冷板，如果使用方形電池和軟包電池，一般使用板式結構的液冷板，液冷板與電池的底部或者側面充分接觸；如使用圓柱形電池時，由于電池的外表面是圓形，所以液冷板需要設計成彎曲的帶狀，其彎曲弧度尺寸需要與電池的外徑尺寸相匹配，才能與電池表面無縫的接觸，起到更好的導熱效果；

（4）冷卻液在液冷系統中起著重要的作用，冷卻液的選型需要從傳熱能力、使用溫度范圍、電絕緣性、腐蝕性等方面綜合考慮。

四、結 論

（1）根據不同車型的不同工況、電池型號、電池系統空間大小及成本要求，來選擇適合的冷卻系統，并對電池的使用壽命和工作性能起很大的作用。

（2）動力鋰離子電池冷卻系統的設計需要滿足散熱均勻且效果佳、機械結構易于加工、成本低及安裝方便等。