新能源電池散熱技術研究

摘 要：在新能源汽車的不斷發展中，電池的使用壽命，續航能力，動力性能以及安全性逐漸成為人們關注的重點，而影響上述因素的主要原因在于電池在運行過程中會集聚大量的熱量，從而降低電池的性能，影響電池功率，嚴重時會導致熱失控，因此如何有效地對電池系統進行熱管理成為新能源汽車發展的重要環節。文章首先對目前市場上常見的電池類型進行介紹，并就電池散熱技術發展現狀進行探討，而后詳細分析了幾種典型的電池散熱技術，剖析了他們的優缺點及適用場景。最后對新能源汽車動力電池散熱技術的發展提出了一定的建議。

關鍵詞：新能源電池 散熱技術 熱管理系統

0 引言

隨著工業的不斷發展，能源問題逐漸引起了人們的注意，汽車行業作為工業化的代表，其發展備受關注。近年來新能源汽車研發不斷取得突破性進展，以結構簡單，清潔無污染，能源利用率高等優點，逐步占領市場。目前市場上的新能源車主要分為混合動力汽車（HEV）、燃料電池汽車（FEV）和電動汽車（EV）[1]?；旌蟿恿ζ嚢l展最早，在結構上保留了內燃機，增加了燃料電池或動力電池系統，使其能夠通過電池驅動電機運行。混合動力汽車技術路線比較成熟，性能相對完善，滿足了新能源汽車的需求，符合國家標準，應用較為廣泛。燃料電池汽車通過化學反應來提供動力，其中包含催化劑的影響，將電能轉化為機械能使汽車運行，但由于采用的氫氣等燃料存在儲存和運輸的安全性問題，還需要進一步發展研究。電動汽車驅動汽車行駛僅依靠動力電池來帶動電機運轉，無內燃機結構相對簡單，對環境無污染、能量利用率也較高，是目前汽車發展的主要趨勢。

目前影響新能源汽車發展的主要因素體現在電池的動力性和安全性上，電池在運行過程中會產生大量的熱量積聚在汽車內部，如果不及時散熱會降低電池的性能，影響電池的壽命，嚴重時會導致熱失控產生無法挽回的后果。因此如何有效地對電池進行熱管理是新能源汽車發展的關鍵環節[2]。

1 電池類型及發展

對于新能源汽車而言，電池的性能至關重要，不僅表現在電池的價格，使用壽命，續航能力，動力性能上，電池的安全性也是需要重點考慮的因素。目前常見的動力電池分為四類：鉛酸蓄電池、鎳氫電池、燃料電池和鋰離子電池[3]。

1.1 鉛酸蓄電池

鉛酸電池出現時間較早，大約有150年的歷史，理論研究方面達到了非常成熟的水平，在各個領域運用廣泛。在充放電時實現化學能與電能之間的轉換，從而為汽車提供能量。鉛酸電池發展較早，其技術相對成熟，具有價格低、維護方便，可靠性強等優點，但也有著壽命短、能量低、污染嚴重等問題，目前在汽車的應用主要是發動機啟動、向用電設備供電等方面。

1.2 鎳氫電池

鎳氫電池作為20世紀80年代出現的一種堿性電池，在充電時氫氧化鎳在氫氧化鉀溶液中通過電化學反應生成氫氧化氧鎳和氫氣，在放電情況下又轉化為氫氧化鎳。相比鉛酸電池，其使用壽命長、清潔無污染，但存在比能量低、材料成本較高、高溫充放電性能差等問題，目前在混合動力汽車上應用較多。

1.3 燃料電池

燃料電池一種將燃料與氧化劑中的化學能轉化為電能的發電裝置，具有較好的經濟性和環保性，其正負極在電解液中通過氫氧化學反應產生電能，從而帶動電機運作，實現汽車的行駛。燃料電池的優點是能量效率高、無污染、噪音小等，缺點是使用壽命短、成本高、充放電電流受限等，目前燃料電池技術仍處于不斷發展階段。

1.4 鋰離子電池

鋰離子電池在生活中應用廣泛，作為車用動力電池時，采用石墨類碳材料作為負極，鋰過渡金屬氧化物為正極，在含鋰鹽電解液中進行化學反應。鋰離子電池的比能量高，在放電過程中不會造成環境污染，其綜合性能較好，但鋰離子電池的缺點是一致性較差、低溫性能不良、管理系統復雜，且電池組管理的各種設備也增加了其使用成本，作為目前相對性能最優的電池，鋰離子電池廣泛應用在各方面，對其研究也在不斷推進[4]。

2 電池散熱技術發展現狀

隨著汽車技術的不斷進步，動力電池也在不斷的發展。以鋰離子電池為例，根據性能特性與其他電池相比，鋰離子電池在新能源汽車市場中應用更為廣泛。但它的性能會受到環境溫度的制約。鋰離子電池的最佳工作溫度在20℃至40℃的之間。一旦超出范圍，無論是高溫還是低溫環境，都可能導致電池內部溫度分布不均，影響循環壽命[5]。

在鋰離子電池的充放電循環過程中，其內部會發生復雜的電化學反應從而使得部分化學能被轉化為熱能，這一過程導致內阻變化，且該變化又反饋作用于熱量的產生機制，造成電池內部不同區域溫度分布顯著不均，進而顯著削弱電池的整體性能。此外，充放電期間還伴隨著熱量的大量累積，若散熱機制效率不足，無法迅速有效地降低電池組的溫度，還可能觸發熱失控的潛在風險，甚至發生電池自燃的嚴重后果。構建高效的電池熱管理系統，實現對電池組的有效冷卻，這是保障電池性能與安全的重要措施。

電池熱管理系統要實現對電池溫度的監測，避免局部過熱現象，設計合理的散熱機制，增強電池組的安全性，保障其工作性能的穩定性與可靠性。研發高效穩定、快速響應的電池熱管理系統對于推動新能源汽車的發展具有重要意義。

3 電池系統冷卻方式

新能源汽車電池散熱是一個復雜且關鍵的過程，要確保電池在工作時能夠保持適宜的溫度，以提高其性能，延長使用壽命及提高安全性。其散熱方式主要以熱傳導為主，電池工作過程中會產生的熱量通過電池內部的導熱材料和電池外殼，以熱傳導的方式向外界環境傳遞。新能源汽車電池的散熱方式有很多種，總體上可以分為被動散熱和主動散熱兩類。被動散熱主要依靠電池內部材料，電池外殼與外部環境之間的換熱實現冷卻效果。主動散熱包括風冷、液冷、相變材料冷卻和熱管冷卻等多種方式，主要通過外部設備和特殊材料進行散熱[6]。

3.1 風冷散熱方式

風冷也稱空氣冷卻，作為新能源汽車電池組的一種散熱方式，即具有其獨特的優勢也存在一定的局限性。作為最早的冷卻方式之一，風冷技術已經過長時間的優化，具有較高的可靠性和穩定性。風冷系統不涉及復雜的液體循環或相變過程，因此故障率較低，維護容易。風冷系統相對簡單，主要依賴空氣的自然對流或強制對流來散熱，因此成本較低，適合大規模應用。但與液冷、相變材料冷卻等散熱方式相比，風冷的散熱效率較低。在高功率放電或極端環境條件下，可能無法滿足電池組的散熱需求，同時風冷受環境溫度、濕度和風速等外界條件影響較大，在高溫環境下，風冷系統的散熱能力會顯著下降。

串行通風方式中，冷卻空氣依次流經電池單體帶出熱量，這種方式的優點是結構簡單，成本較低。然而空氣流經電池單體時其溫度會逐漸升高，導致對后續電池單體的冷卻效果減弱。因此串行通風方式適用于電池組容量較小、發熱量不高的場景。并行通風方式中，從進風口進入電池箱的冷卻風同時流經所有的電池單體，將熱量從出風口排出，確保了每個電池單體都能得到相對均勻的冷卻。這種方式的優點在于散熱效率高、散熱均勻性好，同時由于空氣流量分配相對均勻，也可以避免電池單體之間出現較大的溫差。因此并行通風方式適用于電池組容量較大、發熱量較高的場景[7]。

被動式的冷卻方式主要是自然對流冷卻，自然對流冷卻主要依靠電池組與周圍環境的溫度差引起的空氣自然流動來實現熱量的傳遞和散發。這種方式結構簡單，成本低廉，但散熱效果受環境影響較大，不適用于高倍率放電場景。主動風冷方式又叫強制風冷，通過加裝風扇或利用蒸發器等方式，人為地增加空氣流動速度或降低冷卻風的溫度，增強散熱效果。這種方式換熱效果好，但成本較高，維護難度大，適用于高功率、高發熱量、對散熱要求高的場景[8]。

3.2 液冷散熱方式

液冷冷卻方式相比空氣冷卻方式的冷卻效果更好，其依靠傳熱介質的持續循環流動，以實現高效的熱量傳遞。傳熱介質可分為直接接觸式與非直接接觸式。前者涵蓋了諸如礦物油之類的介質，它們能夠直接與熱源接觸以吸收并轉移熱量；而后者則包括水和專用冷卻液等，它們通過熱交換器高效地將熱量帶走。

液冷冷卻系統是目前汽車領域上應用較為廣泛的一種冷卻方式，冷卻液種類較多，一般液體相較于氣體對流換熱系數要大很多，因而在散熱過程中能夠更有效地轉移熱量。因此液冷系統即便在高速率的充放電循環下，也能維持電池組內部的溫度均衡性，滿足較高的散熱需求。但液冷系統電池組內部管路布局設計復雜，增加了整體成本[9]。此外，液冷系統對管道密封性的要求也很高，任何微小的泄漏都可能削弱冷卻效果，對于直接接觸式，還可能加劇溫度分布的不均勻性，影響電池性能與壽命。

3.3 相變材料冷卻散熱方式

相變材料實際上就是傳熱介質，在電池組中通過附著于電池表面與電池組合成一體。當電池在充放電過程中溫度逐漸升高到接近其相變溫度時，相變材料會吸收熱量，實現從固態到液態的物理相態轉變過程，這一轉變有效地緩解了電池表面的溫度上升，實現了溫度的調控[10]。

作為一種被動式的冷卻方式，相變材料在電池放電階過程中能夠有效吸收熱量并儲存能量，同時，在環境溫度偏低時，它還能釋放儲存的熱能來提升電池溫度，從而保障汽車冷啟動的性能。相變材料在相態轉換過程中的延時儲能與能量釋放的特性，對于維持電池組內溫度的均衡行也起到了至關重要的作用，確保了系統運行的穩定性。石墨作為一種典型相變材料，因其相變條件要求不高及成本低廉，在電池熱管理系統中應用較為廣泛。該冷卻方式在提升電池溫度分布均勻性方面表現突出。但部分相變材料的低導熱率特性也會影響熱量的傳遞，并且相變材料的儲能容量有限，當熱量累積至無法及時排出時，可能引發材料物理性質的變化，進而導致冷卻系統效能下降。因此相變材料更適宜于適當溫度條件下的冷卻，不適用于長時間高倍率充放電且溫度較高的情況下。為了克服上述局限，國內外研究者普遍采取的方法是在相變材料中摻入金屬粉末，來提升材料的傳熱效率，加快電池與相變材料間的熱量傳遞，進一步優化冷卻效果，確保電池系統的高效穩定運行。

3.4 熱管冷卻散熱方式

熱管是一種高效傳熱元件，主要通過熱傳導與相變材料快速傳熱的方式實現對溫度的調控，它具有優異的溫度調控性能，并且導熱能力較強。熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，兩端分別為蒸發端和冷凝端。蒸發端內，管內液體受熱蒸發吸收熱源釋放的熱量；以蒸汽的形式流至冷凝端，在冷凝端凝結為液態，此過程釋放的熱量被外部環境吸收。在壓力的驅動下，冷凝后的液體流回蒸發端，形成一個熱量吸收與釋放的循環過程，有效的降低了熱源溫度[11]。熱管的傳熱能力強且熱量傳遞過程可循環，在工業領域中應用廣泛，但其在成本控制及結構優化，材料選取等方面仍需要進一步研究。

車輛中采用的空調液冷系統設計方案可分為獨立式和集成式。獨立式液冷機組專門用于電池組的散熱。集成式液冷系統則創新性地融合了乘客艙空調與電池冷卻模塊，通過在傳統車輛空調系統中增設并聯的電池冷卻環路來實現冷卻效果，將電池中積聚的熱量排至外部環境。

4 結論

新能源汽車電池的散熱對于保障電池的性能、安全性和循環壽命至關重要。過高或過低的溫度都會影響電池的循環壽命和性能。目前，最常見的動力電池冷卻方式主要有四種：風冷、液冷、相變材料冷卻和熱管冷卻。根據不同冷卻方式的換熱系數，發現液冷方式相較于其他方式冷卻效果更好。我國在電池熱管理系統上有了技術提升，從早期的自然冷卻方法逐步轉型至更為高效的液冷方式。根據現有的熱管理方案發現單一冷卻方式的溫度調控效果不太理想，復合式熱管理技術的應用更為高效。新型熱管理系統的研發目標應取代單一的高溫冷卻功能，在電池處于低溫環境時實現一定的溫度提升，從而確保電池溫度保持在適宜范圍內。

基金項目：工程熱力學教學資源庫項目（HHJTXY-2022kczyk051）；工程熱力學一流課程項目（HHJTXY-2023ylkc19）。

參考文獻：

[1]王曉娟.中國新能源汽車的發展現狀及未來展望[J].時代汽車，2022，No.376（04）：107-108.

[2]張靜靜.新能源汽車鋰電池熱管理仿真分析[D].天津大學[2024-07-11].DOI：CNKI：CDMD：

2.1018.061934.

[3]王小林.新能源汽車動力電池安全問題分析及解決策略[J].時代汽車，2023（24）：112-114.

[4]朱志賢.鋰離子電池熱效應分析及散熱優化設計[D].北京交通大學[2024-07-11].

[5]陳旭斌.商用新能源汽車電池熱管理系統運用[J].當代化工研究，2022（20）：3.

[6]韓耀夫.新能源汽車電池冷卻系統研究[J].時代汽車，2023（24）：109-111.

[7]吳圣紅，余理，趙陳磊.新能源汽車電池熱管理技術探討[J].南方農機，2024，55（4）：155-158.

[8]林愛楨.電動汽車電池組風冷結構設計及優化研究[J].[2024-07-11].

[9]張輝亮，肖佳偉，張瀠月，等.液冷儲能電池冷卻系統的研究[J].電工技術，2023（16）：74-77.

[10]夏宇鋒.新能源汽車動力電池相變材料與熱管耦合熱管理技術研究[J].汽車測試報告，2023（16）：62-64.

[11]張計軍，葛家琪，潘漢平，等.新能源汽車動力電池散熱技術綜述[J].時代汽車， 2023（24）：122-124.