淺談新能源汽車動力電池冷卻技術

陳佚 　朱成 　劉頔

摘 要：隨著新能源汽車在全球的廣泛應用，新能源技術的發展越來越得到各界的關注。而電池組是目前決定新能源汽車性能和續航能力的重要部分，因此提升動力電池的性能和確保電池組的工作可靠性、安全性是當前新能源汽車領域的關鍵研究課題。從目前的技術來看，冷卻系統又是決定了動力電池性能的關鍵技術，所以本文通過對動力電池冷卻系統的工作原理、作用以及四種冷卻技術特點出發進行分析，探究冷卻技術對動力電池的性能影響，從而為促進新能源汽車的發展研究提供一點有用的資料。

關鍵詞：動力電池 空氣 液體 熱管 相變材料 冷卻系統

1 引言

能源緊缺一直是當前世界所面臨的最大困境，石油作為傳統工業化的主要能源，其在生產和生活中起著關鍵性作用。而當前汽車的能源主要就是以石油的化工產品為主，但是隨著汽車保有量的不斷提升，對于原油的需求也日漸提升，再加上能源緊缺的問題，使得對于汽車行業的影響巨大。我國又是能源小國，主要原油都是來源于進口，一方面增加了我國的成本壓力，另一方面也使我國的工業受到了能源的直接限制。為了進一步解決能源危機問題，我國大力提倡新能源的開發，其中以電力驅動的新型能源汽車，是我國大規模進入新能源應用的關鍵領域。使用新能源汽車，不僅可以解決傳統汽車在使用過程中存在的微米級顆粒、氮氧化合物、硫氧化合物等對于自然環境的污染，同時也可以通過新能源的應用解決我國當前所面臨的能源危機問題，還可以促進社會消費升級實現國民經濟的增長。本文通過動力電池冷卻系統的討論，來分析當前在動力電池性能提升和可靠性保障方面的不足，希望可以為新能源的應用提供一些研究資料。

2 動力電池冷卻系統的工作原理

新能源汽車的冷卻系統包含了動力系統和供電系統的冷卻，動力系統冷卻是對驅動電機、控制器以及DC/DC等關系部分的冷卻作用，而供電系統的冷卻系統則是對動力電池和車載充電器的冷卻作用。

動力電池在充放電過程中，由化學能轉換為電能，再由電能轉換為動能，由于能量的轉換會產生熱能，所以當這些熱能無法及時釋放的時候會使動力電池周邊的溫度升高，從而影響鋰電池的理理穩定性而使性能下降。如果動務電池長期處于高溫狀態下，不僅會影響性能，還會影響電池的壽命，從而影響汽車的性能。此外，當出現極端天氣時，也會對汽車動力電池的性能造成影響。在相關的研究成果中提到諸多熱管理的方法，所以對動力電池采取熱管理系統也重要環節。由于熱管理系統的技術實驗比較復雜，不僅會受到模型大小、流場擾動、人員操作以及準確度的影響，還存在成本高、周期長等劣勢因素，因此往往采用CFD仿真系統來實現熱管理系統的實驗，從而實現預研的目的，該方案具有限制條件少、信息完整、成本低和周期短的優勢。

3 動力電池冷卻系統的作用

雖然當前動力電池的儲能水平以及轉換比已經獲得了極大的提升，但是仍然是限制新能源汽車性能的關鍵環節，而動力電池的溫度特性也對汽車的性能造成非常大的影響，其中包括對壽命的影響。而動力電池冷卻系統的應用，使電池能夠在適宜的環境下工作，從而保障汽車的性能。在炎熱的夏天，電力驅動的汽車由于在電池放電過程中產生大量的熱量，使電池的性能下降，如果再加上風道設計的不合理影響，還會進一步加劇問題嚴重性，還會提升汽車使用安全隱患。所以設計性能優良的冷卻系統，可以最大限度的保障動力電池的安全性和設備性能。動力電池冷卻系統正是利用了汽車電池組熱量管理模型來對動力電池的溫度進行調節，當電池溫度低時提供熱量，當電池溫度高時進行冷卻，使動力電池處于最佳的工作狀態中，從而提升動力電池的性能。也就是說動力電池冷卻系統的控制水平決定了動力電池的性能。

4 動電電池冷卻系統技術

4.1 空氣冷卻電池技術

利用空氣作為介質來對電池進行冷卻作用的方式叫作空氣冷卻技術，其主要原理是利用流熱交換模式來實現降溫的目的。該冷卻技術以設備簡單、維護成本低、制造成本低廉等特點，因此在各類動力電池以及電子設備電池的保護裝置中被廣泛應用。該技術雖然成本低、應用便捷，但是會受到導熱系統和空氣比熱容的影響，所以在實際應用過程中的冷卻效果相對較差。而當前對于空氣冷卻電池技術的研究方向主要是在空氣體積流量、流道以及電池空間規劃三個方面。我國學者范德亮團隊，就是利用流體力學的原理并通過仿真軟件來對電池間距以電池組工作溫度的影響進行了研究分析，從而找到了最佳的動力電池組間距可以弱化動力電池的集熱現象，從而使溫度的分布更加均勻。Ahmad等人也通過對串行和并行的電池組的排列方式對集熱現象的影響研究，發現并行的排列方式的降低效果要比串行的排列方式更佳，且效果達到了將近兩倍值。AHMADAP等人基于空氣冷卻電池技術的不足，提出了主動冷卻管理技術，其是采用了先對空氣介質進行冷卻，再借助空氣與電池熱量之間的溫差來增加空氣對流從而實現對動力電池進行降溫的作用。

4.2 液體冷卻電池技術

采用液體介質來對動力電池進行降低冷卻的技術叫液體冷卻電池技術，通常是使用乙二醇和水的溶液再配合制冷劑來實現冷卻效果的。該技術的優勢是比熱容大、換熱系數高等特點，相比空氣冷卻技術來講具有更好的降低溫度的效果。在液體冷卻電池技術中，又分為直接式和間接式，使用液體直接與電池進行接觸的方式稱這直接式，而使用冷卻管或者冷卻盤板的方式來對電池實施降溫的方式稱為間接冷卻式。目前較為常見的技術研究方向是冷卻劑組成優化、冷板或者盤管通道設計、液體流量的優化等方面。國內研究者安州建等人對研究了氫氟醚工質電子冷卻介質NOVEC7000與傳統的乙二醇冷卻介質的冷卻效果對比，發現使用新型冷卻液可以將動力電池的工作溫度維持在35攝氏度左右，而采用使用乙二醇混合溶液時則在電池工作一段時間后溫度出現了明顯的上升，說明新型冷卻介質在冷卻效果方面要有明顯優勢。

從各類研究成果的應用來看，液體冷卻電池技術也存在一些缺點，包括直接式冷卻技術雖然使用了不導電液體確保了使用的安全性，但是由于該類液體的黏度較大，因此在實際使用過程中會增加冷卻系統的驅動負擔從而影響系統工作穩定性。而使用間接式冷卻技術，則由于使用了金屬導管和冷卻板，所以在實際應用中存在較大的能量損耗，造成降溫效率下降，且當冷卻管或者板破裂造成冷卻液流出時會對電池造成短路風險，在安全性方面也存在不足。

4.3 熱管冷卻電池技術

使用一種密封性良好的充滿相變工質的空心管來利用蒸發器和冷凝器的方式實現降溫作用的技術稱為熱管冷卻電池技術。該技術的實現原理是在蒸發器吸收了充足的熱量后，將封閉狀態空心管毛細芯內的液體進行汽化，從而產生氣壓，并向冷凝器流動，而氣體在經過冷凝器后會釋放出熱量又將汽體重新凝固為液體繼續吸熱，依次循環往復過程來實現降溫的作用。該技術的原理就是液體轉化為汽體時產生毛細作用，從而使管內的介質發生流動，實現循環蒸發的效果。目前對于汽車動力電池熱管冷卻技術的研究主要是在阿冷卻性能模擬、阿伯發器冷凝器設備優化、數學模型設計等方面。研究者TRAN在借助小試驗平臺來模擬了單管型熱管對汽車動力電池的冷卻效果，從結果上看冷卻的效果顯著。國內研究者越振志等人也通過對熱管冷凝長度和噴霧頻率對降低冷卻效果的影響的研究得出了，當動力電池組出現了升溫過快現象時，可以采用增加冷凝端長度和噴霧頻率的方式來實現快速降溫的效果?？梢?，通過熱管冷卻電池技術在實際應用的優勢和效果都比較明顯。

4.4 相變材料冷卻電池技術

相變材料實現電池組工作溫度的降低是基于相變吸熱的原理，其具有材料無毒無害、熱穩定性好、成本低、使用方便的技術特點。相變材料冷卻模式不需要通道設備、電氣設備，因此系統安全性非常高。目前應用廣泛成熟的相變材料主要為脂肪烴蠟油、改性費脫蠟、水合鹽、有機酸化合物等。李國威等人使用脂肪烴蠟油/泡沫銅作為相變材料，搭建電池熱管理系統，對汽車磷酸鐵鋰電池組進行模擬冷卻實驗。結果表明，搭建的這套冷卻系統比空氣冷卻系統、純石蠟相變冷卻系統效果更佳，表現在電池工作溫度降低幅度更大、電池組溫度分布更均勻。王磊星等人對比了脂肪烴石蠟/泡沫鋁相變材料的導熱系數和冷卻效率，結果表明這種復合相變材料的導熱系數是純脂肪烴石蠟的200多倍，實際冷卻效率可以提高45.6%。

5 結論

電池組冷卻技術在提高電池使用壽命、保障電池組工作安全、保證電池組工作效率的方面起到了重要作用。隨著新能源汽車產業的發展，電動汽車使用的電池組電容量、電池模塊數量逐漸增加，電池組工作時釋放出的熱量也增加，這對電池組冷卻技術的性能要求也越來越苛刻。

掛靠課題：基金項目：中挪新能源汽車安全高效應用關鍵技術研究與示范（國家重點研發計劃項目? 課題編號：2019YFE0104700）

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