新能源汽車電池熱管理技術探討

吳圣紅 ，余 理 ，趙陳磊

（四川吉利學院，四川 成都 641423）

動力電池是新能源汽車的主要動力源，電池在車輛運行過程中產生大量的熱量，且隨著時間的累積在相對狹小的空間內積聚。由于電池包內電芯的密集堆放，也在一定程度上造成中間區(qū)域散熱相對更困難，加劇了電芯間溫度不一致的情況，其結果會降低電池的充放電效率，影響電池的功率；嚴重時還會導致熱失控，影響系統(tǒng)的安全性和壽命，特別是在溫度管理方面，電池的熱失控可能會導致火災和性能下降。因此，研究新能源汽車電池熱管理技術，對新能源汽車的發(fā)展有十分重要的意義。

1 整車熱管理系統(tǒng)基本組成

汽車熱管理系統(tǒng)構成如圖1 所示，新能源汽車的熱管理系統(tǒng)包含電池系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、其他部件四大部分，相比傳統(tǒng)的燃油車熱管理，新能源汽車熱管理系統(tǒng)更加復雜。電池系統(tǒng)是新能源汽車至關重要的組成部分，工程師要設計好整車熱管理系統(tǒng)，需要從電池系統(tǒng)的熱管理開始研究。

圖1 汽車熱管理系統(tǒng)構成

2 新能源汽車電池熱管理常見的散熱方法

新能源汽車自誕生以來，相關行業(yè)的專家學者對其電池散熱問題進行了大量的研究，已經有大量的成果。電池熱管理的主流冷卻方式已從風冷轉變?yōu)橐豪渖帷⑾嘧儾牧侠鋮s散熱和熱管冷卻散熱，下面分別對空氣冷卻、液冷、相變材料冷卻和熱管冷卻等冷卻技術進行分析。

2.1 空氣冷卻

空氣冷卻是以空氣為介質，利用空氣中的熱對流，使得電池與空氣直接交換熱量，從而降低電池溫度的一種散熱方式。空氣冷卻可根據是否利用風機分為自然冷卻和強制冷卻。沒有利用風機是自然風冷；利用風機的是強制風冷。采用強制風冷的車型有北汽新能源、豐田普銳斯等。大量的研究表明：強制風冷的散熱效果要遠遠高于自然風冷的散熱效果[1]。

Xu 等[2]研究了電池艙的空冷散熱以及導板對空氣冷卻的影響，結果表明添加導板改善了電池艙的風冷效果，因此可知冷卻氣流進出口結構的設計對電池散熱尤為重要。空氣冷卻還可根據散熱結構的不同，分為串行冷卻和并行冷卻。如圖2 所示為串行冷卻方式，這種氣流從一側流入，另一側流出，這種方式將導致距離空氣進口流道較遠的電池冷卻情況不好，會出現電池散熱不均勻的現象，使得電池溫差大；如圖3 所示為并行冷卻方式，氣流一般從下面進入，上面流出，從圖中可以看出，冷卻氣流基本上能流過每塊電池表面，因此各個電池之間的溫差會小于串行冷卻，但同樣帶來了熱量分配不均的問題[3]。

圖2 串行冷卻

圖3 并行冷卻

空氣冷卻是目前較成熟的冷卻方案，它具有成本低、能耗低、技術成熟等優(yōu)點，并且控制也較容易；由于整個冷卻系統(tǒng)的結構不復雜，后期的維護既容易也便宜。而缺點是冷卻效果受環(huán)境溫度影響較大，在炎熱的夏天，散熱效率較低。在冬天電池需要加熱的話，也需要額外的加熱系統(tǒng)，比如在電池間裝電加熱膜等。另外，空氣冷卻的方式對大規(guī)模電池組散熱的均勻性難以保障，存在部分電池發(fā)熱量較大、散熱效率非常低的問題，這就影響了整個動力電池組的安全性[4]。空氣冷卻在新能源汽車電池熱管理行業(yè)中，并不是最佳的冷卻方式。

2.2 液冷

動力電池液冷技術是熱管理技術中的一種，該技術通常使用換熱系數高的冷卻液，使得電池與冷卻液進行熱交換，從而降低電池溫度。Akbarzadeh等[5]通過仿真分析對空氣冷卻和液體冷卻的電池組散熱性能進行了比較分析，結果表明在液體冷卻系統(tǒng)中電池組最高溫度更低，并且溫度一致性表現更好。液冷是一種極為有效的散熱方法，其與空氣冷卻相比，傳熱系數更高。電動汽車的液冷系統(tǒng)可以根據絕緣液體與電池的接觸形式，分為直接接觸和間接接觸。將電池單體或模塊沉浸在液體中進行熱交換的形式為直接接觸形式；另外，也可在電池模塊間設置冷卻通道，或在電池底部采用冷卻板，動力電池的熱量通過冷卻板再傳遞到冷卻液，這種液冷形式為間接接觸。這兩種形式對液冷系統(tǒng)的氣密性要求較高。此外，對機械強度要求較高，需要保證耐振動性以及冷卻系統(tǒng)的壽命要求。

電動汽車液冷系統(tǒng)主要由冷卻液、冷卻板、電子水泵、溫度傳感器、散熱器等組成，其基本原理圖如圖4 所示，壓縮機作為制冷的動力發(fā)起點，決定著整個系統(tǒng)的換熱能力。Chiller（冷卻裝置）則起到了制冷劑和冷卻液的交換作用，而換熱量的大小也直接決定著冷卻液的溫度。水泵則決定了管路內冷卻液的流速，流速越快換熱性能就會越好，反之亦然。目前，液冷是許多電動乘用車的優(yōu)選方案，國內外的典型產品如通用沃藍達（Volt）、特斯拉（Tesla）等都用到了液冷系統(tǒng)，與沃藍達的并行流道相比，特斯拉的液冷采用串行流道，Tesla 液冷結構模擬圖和實物圖分別如圖5、圖6 所示，冷板安裝于電池間隙，這種結構設計難度較大，同時，蛇形冷板在較大程度上增加了液冷系統(tǒng)的壓力損失。雖然有研究表明液冷比風冷散熱效果更佳，但是目前液冷系統(tǒng)的設計仍然存在一些問題，如冷卻板的結構設計以及流道設計，冷卻液的流速對電池溫度會產生很大的影響，需要將其影響因素控制在合適的范圍內[6]。

圖4 電池液冷系統(tǒng)基本原理圖

圖5 Tesla液冷結構模擬圖

圖6 Tesla液冷結構實物圖

2.3 相變材料冷卻

相變材料（PCM）散熱技術是利用了相變材料發(fā)生相變時會吸收熱量的原理，將相變材料圍繞著電池組（如圖7 所示），在一定環(huán)境下達到相變溫度，相變材料發(fā)生相變并吸收電池工作時產生的熱量，從而有效避免電池模組溫度過高的過程[7]。因為相變過程是一個恒溫過程，這樣可以很好地把電池溫度維持在相變材料相變溫度附近，從而抑制電池溫度繼續(xù)上升。但使用相變材料冷卻需重視密封問題，并且會增大電池包體積，降低能量密度。此外，保溫功能只能在有限的駐車時間內維持，長時間的電池預熱還要靠內建的熱源，而且保溫一般需要較低的導熱系數，這可能會帶來溫度分布不均的問題。

圖7 PCM與圓柱形電池的結合

為提高相變材料的適用性，相關學者和專家進行了研究，按相變材料的成分可以分為有機、無機、共晶相變材料。在實際應用中，考慮到成本問題，大多采用工業(yè)石蠟做相變材料，有機相變材料物理化學性質穩(wěn)定，具有過冷度小、相變潛熱較大、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但是導熱系數較小，傳熱能力較差。相比于有機相變材料，無機相變材料具有溫度范圍廣、蓄熱性能好、熱導率高、成本低等特點，但也存在相分離、過冷度較大和腐蝕等問題。共晶相變材料是由有機和無機組成的混合材料，是一種復合材料，包括無機-無機、有機-有機或者無機-有機相變材料的二元或多元共晶體系，通過混合多種相變材料克服單一相變材料的缺點，使其更好地應用于實際情況。根據以上情況，純PCM 已不能滿足實際應用的需要，相關研究人員對復合相變材料展開了大量的研究，Zhang等[8]通過制備石蠟/EG 復合相變材料來實現電池組的熱控制，其中添加的EG 主要起到提高導熱率防止相變材料泄漏的作用。研究表明該復合材料可以提高蓄熱能力以及熱導率。林裕旺[9]研究了復合相變材料在動力電池熱管理中的應用，研究結果表明：少量納米粒子的增加可以進一步提高膨脹石墨/石蠟復合相變材料的導熱系數和相變潛熱。 金露等[10]分析了相變材料的基本性能，總結得出相變材料與傳統(tǒng)的空冷、液冷方式結合后，混合熱管理系統(tǒng)用于電池熱管理系統(tǒng)散熱效果更好的結論。

通過上述分析可知，復合相變材料是當下電池熱管理材料方面研究的主要方向之一。其中熱門的研究話題有PCM 中的添加劑材料散熱效果研究、PCM與風冷組成的混合冷卻系統(tǒng)散熱效果研究以及PCM與空氣冷卻組成的電池熱管理混合冷卻系統(tǒng)、復合相變材料保溫性能研究等。

2.4 熱管冷卻

熱管冷卻是將熱管分為蒸發(fā)段、熱量傳遞段和冷凝段，其主要散熱原理是通過熱管蒸發(fā)段吸熱將電池包中熱量導出，蒸發(fā)段熱量因形成的壓力差通過熱管中間段傳遞到冷凝段散熱，進而實現電池包的有效熱管理，熱管工作原理圖如圖8 所示。關于熱管冷卻的研究，蔣樂等[11]將動力電池的三種冷卻方式，即空氣、液體和熱管冷卻的冷卻效果進行了對比，結果表明熱管冷卻對電池包的冷卻效果最好。Gan 等[12]利用熱管設計了對鋰離子電池進行冷卻的方法，其中，熱管蒸發(fā)端使用波浪形的鋁套與電池側面進行連接，結果表明鋁套的高度和冷卻液的流量對調節(jié)電池包的溫度特性有著重要的影響。Kleiner 等[13]介紹了一種基于液體冷卻和電池集成熱管的新型混合冷卻方法。為了進行實驗研究，開發(fā)了一種熱電池仿真器，并再現了汽車電池系統(tǒng)中電池的環(huán)境條件，結果表明使用集成熱管在3C 循環(huán)期間核心溫度降低了2 K。此外，在快速充電的案例研究中，熱管可在電池芯內實現一致的溫度，同時充電時間縮短12%。仇昌盛等[14]研發(fā)了一種基于相變冷卻和熱管冷卻的燃料電池DCDC冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)降低了整車水泵流量和揚程的消耗，減小了水泵工作時的能量消耗，提高了燃料電池的整體性能。

圖8 熱管工作原理圖

根據以上研究結果可知，單純的熱管冷卻系統(tǒng)不足以調節(jié)整車動力電池的溫度特性，大部分研究學者都是將熱管和其他冷卻方式結合研究其熱管理效果，新型熱管理控制系統(tǒng)不僅僅是要在電池高溫的時候降溫，而且要求在電池低溫的時候也能夠達到升溫的效果。

3 結語

綜上所述，本研究回顧了新能源汽車熱管理系統(tǒng)目前主要的冷卻方式，如空氣冷卻、液冷、相變材料冷卻、熱管冷卻的研究進展，并將這四種冷卻方式進行了對比，結果表明，單純的任何一種冷卻方式形成的熱管理系統(tǒng)，都不能達到想要的溫度控制效果，復合式新能源汽車熱管理系統(tǒng)是未來研究的主要方向。在功能上，未來研究的新型冷卻系統(tǒng)不僅僅是要在電池高溫的時候降溫，還應當在電池低溫的時候，也能夠達到升溫的效果。總之，電池熱管理系統(tǒng)的設計應當使電池溫度一直保持在正常的工作溫度條件下。