新能源汽車電池冷卻系統(tǒng)研究

韓耀夫

摘 要：在新能源汽車的發(fā)展中電池模塊是影響其續(xù)航里程、充電效率和使用安全的重要因素，也是消費群體關注的重點。新能源汽車電池充放電特性受環(huán)境溫度影響較大，特別是在高溫情況下，容易產(chǎn)生能量功率衰減現(xiàn)象，還可能誘發(fā)電池自燃等風險隱患，在進行電池組模塊的設計過程中關注可控冷卻，不斷優(yōu)化汽車電池組的工作性能。研究新能源汽車電池冷卻系統(tǒng)應用的重要性，結合電池組冷卻系統(tǒng)設計，詳細分析四種常見的電池組冷卻技術。

關鍵詞：新能源汽車 電池 冷卻系統(tǒng)

1 引言

在國家大力推行新能源汽車發(fā)展的大背景下，更多車企將研發(fā)試驗的工作重點放在了新能源汽車上，特別是對其電池組的冷卻散熱技術優(yōu)化可以更好地提升其運行性能，是車輛運行輔助的重點核心要領。在對新能源汽車電池組的冷卻系統(tǒng)研究過程中，技術人員需要了解不同冷卻技術的適用條件和冷卻效果，結合冷卻技術的差異化優(yōu)勢，充分考慮不同的車輛運行狀況，構建更加高效安全的汽車電池冷卻模式，合理控制汽車電池運行溫度，助力新能源汽車實現(xiàn)更廣闊的發(fā)展。

2 電池冷卻系統(tǒng)應用重要性

面對化石能源的逐漸枯竭，新能源汽車節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)性的發(fā)展優(yōu)勢正在逐漸取代傳統(tǒng)的燃油汽車，也成了汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向。常見的新能源汽車包括電動汽車、氫能源汽車等，其依靠可靠的電池組來實現(xiàn)不同能源向動能的轉化。以鋰電池汽車為例，在其充放電的過程中會涉及較高的有端電壓，且額定工作溫度在-30℃～+60℃，一旦出現(xiàn)運行環(huán)境溫度較高的情況下，其充放電運行效率和循環(huán)使用壽命會有明顯的下降，甚至可能會出現(xiàn)電池組自燃的狀況，給駕駛人員的安全性帶來了極大的威脅[1]。根據(jù)鋰電池在充放電狀態(tài)下的過程和原理分析，其內部的電子會出現(xiàn)補充和消耗的情況，而由于蓄電池內部電子的劇烈無規(guī)律運動，會表現(xiàn)出向外釋放熱能的現(xiàn)象，必須依靠可靠且安全的冷卻系統(tǒng)來實現(xiàn)電池運行環(huán)境穩(wěn)定的維護。常見的新能源汽車電池組以鋰電池為主，其主要介質為磷酸亞鐵鋰材料，一旦出現(xiàn)高溫運行環(huán)境可能會導致內液對電池外殼的腐蝕和泄漏等問題，不僅會給環(huán)境帶來一定的污染，還可能會誘發(fā)其他的駕駛安全風險，必須引起汽車行業(yè)從業(yè)者和消費者的高度重視。

根據(jù)不同新能源汽車電池組的運行特點和溫度性能差異，必須要搭載可靠的冷卻系統(tǒng)來實現(xiàn)環(huán)境溫度的合理控制，不僅是保障車輛運行安全的重要前提，還可以合理降低電池組的系統(tǒng)性能自耗問題，使其能夠有效維持在穩(wěn)定地運行狀態(tài)和環(huán)境溫度下。常見的新能源汽車電池組冷卻系統(tǒng)主要是以能量熱交換的方式來實現(xiàn)轉移，不同的介質材料在能量吸收和散熱時的狀態(tài)與效率存在一定區(qū)別，技術人員在進行電池冷卻系統(tǒng)的規(guī)劃設計時，還需要結合電池組在不同運行狀態(tài)下的發(fā)熱量變化線性規(guī)律來進行合理設計，確保車輛電池組在充放電狀態(tài)下都能夠保持較為穩(wěn)定且安全的電池環(huán)境，為提升新能源汽車電池組的運行性能、續(xù)航容量等提供重要參考。

3 電池組冷卻系統(tǒng)設計

目前常見的新能源汽車電池組冷卻系統(tǒng)的運行原理是依靠具有較高吸熱性能的介質來與電池組之間形成熱交換。在進行新能源汽車電池組的冷卻系統(tǒng)設計過程中，技術人員需要提前了解，在不同運行狀態(tài)下車輛電池的發(fā)熱量變化現(xiàn)象，相關實驗研究表明，鎳氫電池和鋰電池等的輸出功率和電池發(fā)熱量之間呈現(xiàn)出正相關關系，其中，鋰電池在輸出功率達到8000w時的發(fā)熱量接近200w。為可靠地減少新能源汽車電池組地向外釋熱，不僅需要通過簡單的系統(tǒng)通風和空氣循環(huán)來予以冷卻散熱，更需要通過液冷循環(huán)、熱管冷卻和相變材料冷卻等方式來進行熱量傳遞轉化，有效抑制汽車電池組的溫度上升。以鋰電池為例，其內部呈現(xiàn)出了正極、隔膜和負極的三層結構，而由于其內部材料本身的熱傳導性能較差，在電池垂直表面進行熱量吸收和散熱冷卻的方式效率較低，可考慮采用正負極接線的方式來實現(xiàn)導熱和散熱[2]。技術人員在進行新能源汽車電池組的冷卻系統(tǒng)設計過程中，可充分利用計算機技術對其進行建模和實驗，通過設計不同的車輛運行狀態(tài)和電池輸出功率進行反復的數(shù)據(jù)驗證，詳細分析該冷卻系統(tǒng)在運行過程中車輛電池電流和表面溫度，合理兼顧電池充放電循環(huán)壽命和降溫散熱需求，不斷提升新能源汽車電池組的冷卻系統(tǒng)設計優(yōu)化。

4 新能源汽車電池組冷卻技術

4.1 空氣冷卻電池技術

空氣冷卻電池技術是鋰電池組在能量熱交換過程中最常見的方式之一，在車輛內部本身就可利用空氣流通來實現(xiàn)主動散熱，特別是在風機循環(huán)的過程中，能夠將車輛電池包外的空氣與車輛外部的空氣之間形成整體回流，實際主動冷卻散熱的效果較好。在車輛的內部空氣流通過程中，風機轉動所形成的空氣氣體整體在電池包外側形成了循環(huán)回流，盡管不直接與，外部空氣之間產(chǎn)生接觸和交換，但依然能夠達到較好的電池組被動散熱目的。

新能源汽車電池組的空氣冷卻結構設計較為簡單，且不需要在電池組的外側增加其他的冷卻裝置或介質，這在車輛的生產(chǎn)制造成本和結構設計上更加節(jié)約簡便，形成的電池組降溫調控空間可觀。基于較為簡單的空氣流通電池降溫結構，在電池組需要進行主動和被動散熱時，直接通過啟動車輛內部的風機系統(tǒng)即可，基本可滿足電池組界定超出熱量的有效傳遞與交換，但在一些特殊情況下，其降溫的時效性則較為有限，還需要引起技術人員的充分關注，并依靠不同的汽車電池組散熱冷卻方式來形成互補[3]。

影響空氣冷卻電池運行性能的因素較多，包括電池固有溫度、空氣流通效率等，在應用這種冷卻方式的過程中，對車輛電池組內部的空間結構提出了較高的要求，必須在電池包外側有相當充裕的空間來實現(xiàn)空氣的回流與交換，確保能夠實現(xiàn)電池冷卻散熱的最大效率。在開啟車輛的冷風循環(huán)過程中，能夠實現(xiàn)對車輛電池組的均衡式降溫，將這些經(jīng)過冷卻壓縮處理的冷空氣在電池包外側進行循環(huán)回流，電池外側的各個發(fā)熱點都能夠實現(xiàn)可靠的空氣降溫，是一種較為理想且節(jié)能的電池散熱方式。

4.2 液體冷卻電池技術

新能源汽車電池組的液體冷卻技術是通過以液態(tài)物質為介質來實現(xiàn)熱能交換的過程，這種冷卻降溫方式充分借助了液體介質本身的高比熱容狀態(tài)，在進行新能源汽車電池組的冷卻系統(tǒng)設計時可有效實現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)的體積壓縮，對優(yōu)化車輛電池組的運行性能、改善車輛電池組冷卻系統(tǒng)設計具有重要參考價值。

接觸型液體介質冷卻技術是指直接將冷卻介質和新能源汽車電池組之間產(chǎn)生沉浸式接觸，通過整體包圍式的方式來實現(xiàn)電池組和液體介質之間的熱量交換與吸收，可以有效實現(xiàn)快速物理降溫[4]。非接觸型液體介質冷卻設計，是指在新能源汽車電池組周圍并不直接實現(xiàn)液體介質的接觸，而是通過一些管道，設備等來實現(xiàn)液體介質的快速流動，借助這種外界的冷卻介質循環(huán)來實現(xiàn)多余熱量的吸收，且在液體介質和電池組之間的熱交換與流動過程中可以更好地提升傳遞效率。

目前，新能源汽車電池組中的液冷循環(huán)裝置以非接觸式結構為主，這種降溫冷卻的工作方式基本結構更加穩(wěn)定，有效減少了由于電池組和液體介質之間接觸而產(chǎn)生的腐蝕、滲漏等風險。常見的電池冷卻液體介質以混合物為主，包括乙醇、水等材料，在多次循環(huán)反復降溫的過程中，有效保證新能源汽車電池組的工作溫度在35℃至38℃內，這也是其固有極限值的高效率運行溫度。

在進行新能源汽車電池組液冷循環(huán)系統(tǒng)的結構優(yōu)化過程中，需要綜合考慮到冷卻介質、管道結構等方面的性能差異，通過雙向優(yōu)化形成更適合不同車型的電池組冷卻結構，進一步提升電池組的運行性能和使用壽命[5]。值得注意的是，由于非冷卻式液冷系統(tǒng)在運行過程中需要實現(xiàn)多次冷卻介質的循環(huán)，在這過程中造成的電池阻積系統(tǒng)能量消耗可能會影響電池組的供電性能，技術人員還需結合實際與車輛運行工況進行靈活選用，確保達到更加節(jié)能高效的電池冷卻目的。

4.3 熱管冷卻電池技術

通過具有較強導熱性能的銅片將電池組的產(chǎn)熱吸收至熱管當中，而管材內部的織物和器芯等可以有效實現(xiàn)對熱能的吸收與轉化，這種電池冷卻技術的運行效率會受到內部吸熱物質的性能影響。在新能源汽車電池組的熱管冷卻拓撲系統(tǒng)中可發(fā)現(xiàn)，銅片等熱交換材料吸收的電池熱能會經(jīng)過政法機構、冷凝機構來實現(xiàn)能量的循環(huán)與制冷，通過將熱能吸附在熱管的，中空部分的方式來實現(xiàn)液體介質的吸熱，當中空部分的液體吸熱氣化后會產(chǎn)生一定的反向氣壓現(xiàn)象，在整體壓降影響下，會將其導入到熱管的冷凝機構當中，這些高溫液體經(jīng)冷凝后會再次液化，順延熱管內部的循環(huán)吸附裝置重新回流到中空的蒸發(fā)裝置中，有效實現(xiàn)了在熱管內部汽化到液化的反復循環(huán)，有效保障了在新能源汽車長時間運行過程中的電池持續(xù)性冷卻需求[6]。

在熱管冷卻電池基本結構的實際運行過程中，必須考慮到其中液體的冷卻介質所形成的電池冷卻性能和效率，這對評價熱管技術的實用價值具有重要意義。以鋰電池的單管熱管冷卻模型來看，由于在單管運行過程中冷卻液體的汽化與液化過程較為單一，所能提供的冷卻流量較小，不易受到其他環(huán)境等因素帶來的干擾，在對電池組的降溫效率上表現(xiàn)更加突出[7]。熱管系統(tǒng)中的冷卻機構在吸收熱量時，不會對電池組本身的固有溫度狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響，僅會將由政法機構所吸附的電池多余熱能進行冷卻降溫處理，這對于保證電池組的運行溫度，精細化控制和性能優(yōu)化具有重要意義。

另外，在對熱管冷卻系統(tǒng)運行過程中的結構參數(shù)研究過程中，技術人員發(fā)現(xiàn)，熱管的長度和電池組的降溫運行效率之間呈正相關關系，但受到汽車電池組本身體積限制的影響，在熱管結構的設計中不能無限度拉長，但對優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的性能可形成一定參考。在熱管中空內腔中的冷卻介質液體汽化過程中，其反應程度越強，電池組的冷卻性能越好，這提醒技術人員，在進行電池組的冷卻結構設計過程中應當合理選擇冷卻介質，確保能夠有效延長新能源汽車電池組的使用壽命，使其在充放電過程中的運行更加安全可靠，如圖1所示。

4.4 相變材料冷卻電池技術

相變材料冷卻電池技術，顧名思義是指，在進行電池冷卻的過程中利用了相變介質來實現(xiàn)熱交換，這種電池冷卻技術是近年來較為新興的一種工藝手段，能夠借助相變材料的特性對汽車電池組當前的運行溫度和變化趨勢進行細致分析與嚴格掌控，確保電池在不同的運行溫度狀態(tài)下都能夠通過相變介質的熱量交換來實現(xiàn)多余熱能的消耗，有效保障新能源汽車的電池組能長期處于最佳運行狀態(tài)下。相變介質材料具有較強的可塑性，不僅能夠實現(xiàn)對電池組多余熱能的充分吸收，還可以在需求應用的情況下實現(xiàn)潛熱地提供，且在整個能量交互與轉化的過程中不涉及其他污染性物質的排放等問題，是一種較為理想且環(huán)保的電池冷卻介質材料[8]。相變介質材料在吸熱和放熱的過程中都能夠較好地保證電池組系統(tǒng)溫度的平穩(wěn)性，甚至可以通過溫度變化趨勢的分析提前來進行吸熱和放熱的調控，使汽車電池組能夠在近似恒溫的狀態(tài)下實現(xiàn)穩(wěn)定運行，相較于其他的電池冷卻技術而言具有更強的應用優(yōu)勢。

常見的相變材料包括固－液相變、固－固相變和復合相變，這主要是根據(jù)其在吸熱與放熱狀態(tài)下所形成的向態(tài)轉變特點來進行區(qū)分。第一，固－液相變材料以脂肪烴類和醇類等物質為主，盡管在吸放熱的過程中依然不容易發(fā)生相分離的現(xiàn)象，但由于其轉變?yōu)橐簯B(tài)后容易出現(xiàn)泄露問題，對外層包裹材料的密封性要求較高，實際應用場景較為有限。第二，固－固相變材料主要以莖形的轉化方式來實現(xiàn)相變，其中的分子排列更為緊湊，有效減少了其在電池組冷卻過程中的外圍包裹體積，整體呈現(xiàn)固體的晶形狀態(tài)，不存在材料泄露的風險性，實際使用年限較長，是一種較為理想的相變材料類型。第三，復合型相變材料是將具有相變特性的介質加入在載體物質中所形成的一種固態(tài)形態(tài)的材料，其中能夠實現(xiàn)對電池組冷卻降溫的相變材料被稱為工作介質，在目前的汽車電池組相變冷卻方面也具有較強的發(fā)展?jié)摿蛯嵺`價值。

5 結束語

電池組是新能源汽車在運行過程中的重要動力來源，在其充、放電的過程中會產(chǎn)生電池環(huán)境溫度上升的現(xiàn)象，必須依靠科學合理的散熱手段實現(xiàn)電池運行性能的維護，為保證實現(xiàn)最大運行功率和提升車輛駕駛安全具有重要意義。常見的風冷循環(huán)、液冷降溫和相變介質冷卻等方式都是通過與外界環(huán)境熱交換的方式來實現(xiàn)電池組的降溫散熱，但其在冷卻效果、生產(chǎn)成本和運行狀態(tài)等方面存在一定的差異，還需技術人員結合實際予以靈活選用，充分保障新能源汽車電池組的運行安全與可靠。

參考文獻：

[1]黃菊花，陳瑞可，等.雙層相變材料的制備及其對鋰離子電池控溫性能的影響[J].化工新型材料，2023，03（01）：1-12.

[2]賈子潤，王震坡，等.新能源汽車動力電池熱失控機理和安全風險管控方法的研究[J].汽車工程，2022，44（11）：1689-1705.

[3]單春賢，夏燈富，等.基于熱電耦合液體冷卻的動力電池熱管理系統(tǒng)的實驗研究[J].汽車安全與節(jié)能學報，2022，13（03）：535-540.

[4]付佩，周紫佳，等.氫燃料電池汽車發(fā)動機關鍵技術研究現(xiàn)狀及趨勢展望[J].汽車工程學報，2022，12（04）：388-398.

[5]孫麗穎，方超.基于正交試驗的液冷型高功率動力電池包冷卻結構參數(shù)優(yōu)化[J].機械設計與制造工程，2022，51（05）：25-30.

[6]王亞楠，韓雪冰，等.電動汽車動力電池研究展望：智能電池、智能管理與智慧能源[J].汽車工程，2022，44（04）：617-637.

[7]吳曉剛，崔智昊，等.電動汽車大功率充電過程動力電池充電策略與熱管理技術綜述[J].儲能科學與技術，2021，10（06）：2218-2234.

[8]王震坡，袁昌貴，李曉宇.新能源汽車動力電池安全管理技術挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢分析[J].汽車工程，2020，42（12）：1606-1620.