新能源汽車動力電池的散熱方法研究

謝 鵬

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235100)

0 引言

隨著全球環(huán)境污染和社會能源日益短缺，以電動系統(tǒng)為主的新能源汽車在我國市場上得到了快速發(fā)展，關(guān)于新能源汽車的一些技術(shù)也取得了突破性進(jìn)展，其中在動力電池散熱及續(xù)航里程方面就有很大突破和提升。作為新能源汽車的儲能裝置，動力電池?zé)o疑是車輛的核心部件。在汽車運(yùn)行過程中，動力電池工作電流大，產(chǎn)生很大熱量，而動力電池又處在一個相對來說比較狹小和封閉的環(huán)境里，這就會使動力電池溫度不斷升高，給新能源汽車熱管理系統(tǒng)帶來非常大的挑戰(zhàn)。

1 新能源汽車動力電池的背景及發(fā)展趨勢

作為除汽油和柴油發(fā)動機(jī)以外的車型，新能源汽車以綠色環(huán)保、廢氣排量低的性能逐漸被社會認(rèn)可，并在我國市場上得到了飛速發(fā)展。根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，中國作為世界上新能源汽車最大生產(chǎn)國和消費(fèi)國，其動力電池在全球市場上也占據(jù)著非常重要的位置。目前來看，我國新能源汽車在動力電池這一部分呈現(xiàn)出非常好的發(fā)展勢頭，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)以及智能化的發(fā)展，動力電池在生產(chǎn)和研發(fā)技術(shù)方面也在逐漸走向智能化。絕大多數(shù)企業(yè)為了提高新能源汽車生產(chǎn)效率，在動力電池生產(chǎn)過程中用機(jī)器人來代替人工。

新能源汽車廠商在動力電池生產(chǎn)中都面臨著成本過高的問題，那么如何有效降低動力電池成本就成為了各大汽車廠商所面臨的主要問題。目前來看降低動力電池生產(chǎn)成本主要有三種方式，第一是研發(fā)新技術(shù)提高動力電池的使用壽命；第二通過規(guī)模化生產(chǎn)來降低企業(yè)生產(chǎn)成本；第三以資源再回收可利用為出發(fā)點(diǎn)，建立動力電池回收產(chǎn)業(yè)鏈，從整體上降低成本。新能源汽車動力電池所涉及到的內(nèi)容復(fù)雜多樣，其中包括原材料生產(chǎn)、技術(shù)研發(fā)以及規(guī)模化生產(chǎn)等方面。這就可以構(gòu)建一個共同合作、共同開發(fā)的生產(chǎn)模式，通過讓一些相關(guān)的中小型企業(yè)參與到動力電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，形成一套完整的動力電池產(chǎn)業(yè)鏈。

2 動力電池分類及熱管理系統(tǒng)作用

在我國，新能源汽車動力電池有很多種，鉛酸電池、鋰離子電池都是比較常見的種類，除此以外還有空氣電池、鈉硫電池等。隨著新能源汽車的普及，各個國家也越來越重視動力電池的研發(fā)。這其中鋰電池在新能源汽車生產(chǎn)設(shè)計中發(fā)揮了重要作用。我國目前針對新能源汽車，使用最廣泛的動力電池主要以三元鋰和磷酸鐵鋰為主[1]。但是鋰電池在性能、使用壽命和安全性上來講，它對溫度的要求很高，一般來說，鋰電池溫度應(yīng)該保持在25～40 ℃之間，超過這個數(shù)值范圍后，鋰離子電池在每升高1 ℃后，電池性能會相對減少0.2%，一旦溫度達(dá)到極限時，會加速動力電池老化。所以想要提高動力電池使用壽命，就要在低溫環(huán)境下給電池預(yù)熱，高溫下要散熱，目的是要動力電池始終處在一個恒溫、適宜的溫度里，這樣才能充分發(fā)揮其性能。

3 動力電池發(fā)熱原理

作為儲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。實(shí)現(xiàn)鋰電池充放電的過程，就是將鋰離子電池正負(fù)極同時放置在電解液里，這時候鋰元素以離子狀態(tài)通過電解液為介質(zhì)在正負(fù)極之間運(yùn)動。在鋰電池充放電過程中會產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)，并且會產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，由于電池在工作過程中會產(chǎn)生熱量積累，這就是鋰離子電池溫度升高的主要原因。在充放電過程中，鋰電池的總熱量Qt內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)熱Qr、極化熱Qp和焦耳熱Qj等熱量。所謂的極化現(xiàn)象就是鋰電池充放電的時候，電池工作電壓總是大于或者小于開路電壓，使得電極表面發(fā)生極化反應(yīng)[2]。

4 新能源汽車動力電池的散熱方法

作為新能源汽車的心臟，動力電池想要持久續(xù)航，首先要解決的就是散熱問題。目前，動力電池散熱主要有四種方式，分別是空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻和相變材料冷卻。下面就四種散熱方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

4.1 空氣冷卻

新能源汽車動力電池最為常見的一種散熱方法就是空氣冷卻，其工作原理主要是以空氣作為冷卻媒介，在鋰離子電池表面形成對流換熱的一種散熱方式。自然對流和強(qiáng)制對流是空氣冷卻中的兩種方式，通過實(shí)驗(yàn)對兩種對流散熱方式進(jìn)行研究和比較，發(fā)現(xiàn)鋰電池在自然對流工作中，其最高溫度過高；當(dāng)采用強(qiáng)制對流方式進(jìn)行散熱時，鋰電池在工作中的最高溫度可以保持在合理范圍內(nèi)[3]。

空氣冷卻對動力電池的散熱其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，針對所產(chǎn)生的有害氣體，能夠有效通風(fēng)散發(fā)；缺點(diǎn)是在和電池壁面之間換熱系數(shù)低，冷卻速度較慢。

4.2 液體冷卻

利用水、乙二醇或礦物油等液態(tài)材料作為散熱媒介，直接或間接接觸單體電池，從而達(dá)到冷卻散熱的目的，就是動力電池中的液體冷卻。特斯拉MODELS車型正是采用液體冷卻的方式，來對電池進(jìn)行散熱。液體冷卻作為動力電池的散熱方式，其主要優(yōu)點(diǎn)在于與動力電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻散熱速度較快；缺點(diǎn)是密封性要求高，后期維護(hù)和保養(yǎng)比較復(fù)雜。

4.3 熱管冷卻

熱管是利用在密封管內(nèi)工作介質(zhì)的蒸發(fā)和凝結(jié)來傳導(dǎo)熱量，是由管殼、吸液芯、端蓋組成，在靠近電池一面是蒸發(fā)端、絕熱端和冷凝端，液體是被密封在管中。工作原理是在蒸發(fā)端吸收鋰電池的熱量，將液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)后，在冷凝端散熱，將氣態(tài)再次轉(zhuǎn)換為液態(tài)，在轉(zhuǎn)換為液態(tài)后重新回到蒸發(fā)端，再依次循環(huán)，達(dá)到對鋰離子電池散熱效果。值得注意的是熱管冷卻目前還在研究階段，尚未投入使用[4]。

4.4 相變材料冷卻

相變材料冷卻就是將相變材料作為冷卻介質(zhì)，從而對動力電池冷卻的一種方法。相變材料是指物質(zhì)狀態(tài)可以隨著溫度變化而發(fā)生變化，而且在相變過程中還會吸收和釋放大量熱量。在鋰離子電池工作過程中，相變材料會使其溫度更加穩(wěn)定和均勻。而且相對于空氣冷卻和液體冷卻這兩種動力電池散熱方式，相變材料冷卻能耗少，結(jié)構(gòu)也比其他冷卻方法要簡單。但是值得注意的一點(diǎn)是，相變材料在相變過程中體積會發(fā)生變化，這就意味著存在泄漏的風(fēng)險，成本相較于空氣冷卻和液體冷卻也會偏高一點(diǎn)。

5 結(jié)語

隨著新能源汽車的投入和使用，對于動力電池續(xù)航里程、電池容量方面的要求也相對提高。動力電池作為新能源車輛的核心裝置，電池散熱一直是廠商研究的重點(diǎn)方向，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)、單一的散熱方式已經(jīng)無法滿足大功率、大尺寸動力電池散熱需求，如何研發(fā)出更加安全、高效的散熱系統(tǒng)，對目前新能源汽車尤為重要。想要提高新能源汽車動力電池在散熱方面的能力，還要加大對冷卻介質(zhì)和相變材料等方面的研究，而解決汽車本身動力轉(zhuǎn)化問題，是改善和提高動力電池散熱系統(tǒng)的方法之一。

(04)