淺談新能源汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)

陳佚 　朱成 　劉頔

摘 要：隨著新能源汽車在全球的廣泛應(yīng)用，新能源技術(shù)的發(fā)展越來越得到各界的關(guān)注。而電池組是目前決定新能源汽車性能和續(xù)航能力的重要部分，因此提升動(dòng)力電池的性能和確保電池組的工作可靠性、安全性是當(dāng)前新能源汽車領(lǐng)域的關(guān)鍵研究課題。從目前的技術(shù)來看，冷卻系統(tǒng)又是決定了動(dòng)力電池性能的關(guān)鍵技術(shù)，所以本文通過對(duì)動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的工作原理、作用以及四種冷卻技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行分析，探究冷卻技術(shù)對(duì)動(dòng)力電池的性能影響，從而為促進(jìn)新能源汽車的發(fā)展研究提供一點(diǎn)有用的資料。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 空氣 液體 熱管 相變材料 冷卻系統(tǒng)

1 引言

能源緊缺一直是當(dāng)前世界所面臨的最大困境，石油作為傳統(tǒng)工業(yè)化的主要能源，其在生產(chǎn)和生活中起著關(guān)鍵性作用。而當(dāng)前汽車的能源主要就是以石油的化工產(chǎn)品為主，但是隨著汽車保有量的不斷提升，對(duì)于原油的需求也日漸提升，再加上能源緊缺的問題，使得對(duì)于汽車行業(yè)的影響巨大。我國又是能源小國，主要原油都是來源于進(jìn)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(yè)受到了能源的直接限制。為了進(jìn)一步解決能源危機(jī)問題，我國大力提倡新能源的開發(fā)，其中以電力驅(qū)動(dòng)的新型能源汽車，是我國大規(guī)模進(jìn)入新能源應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域。使用新能源汽車，不僅可以解決傳統(tǒng)汽車在使用過程中存在的微米級(jí)顆粒、氮氧化合物、硫氧化合物等對(duì)于自然環(huán)境的污染，同時(shí)也可以通過新能源的應(yīng)用解決我國當(dāng)前所面臨的能源危機(jī)問題，還可以促進(jìn)社會(huì)消費(fèi)升級(jí)實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)的增長。本文通過動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的討論，來分析當(dāng)前在動(dòng)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(yīng)用提供一些研究資料。

2 動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的工作原理

新能源汽車的冷卻系統(tǒng)包含了動(dòng)力系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的冷卻，動(dòng)力系統(tǒng)冷卻是對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器以及DC/DC等關(guān)系部分的冷卻作用，而供電系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)則是對(duì)動(dòng)力電池和車載充電器的冷卻作用。

動(dòng)力電池在充放電過程中，由化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，再由電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，由于能量的轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生熱能，所以當(dāng)這些熱能無法及時(shí)釋放的時(shí)候會(huì)使動(dòng)力電池周邊的溫度升高，從而影響鋰電池的理理穩(wěn)定性而使性能下降。如果動(dòng)務(wù)電池長期處于高溫狀態(tài)下，不僅會(huì)影響性能，還會(huì)影響電池的壽命，從而影響汽車的性能。此外，當(dāng)出現(xiàn)極端天氣時(shí)，也會(huì)對(duì)汽車動(dòng)力電池的性能造成影響。在相關(guān)的研究成果中提到諸多熱管理的方法，所以對(duì)動(dòng)力電池采取熱管理系統(tǒng)也重要環(huán)節(jié)。由于熱管理系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜，不僅會(huì)受到模型大小、流場擾動(dòng)、人員操作以及準(zhǔn)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(tǒng)來實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)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(yōu)勢。

3 動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的作用

雖然當(dāng)前動(dòng)力電池的儲(chǔ)能水平以及轉(zhuǎn)換比已經(jīng)獲得了極大的提升，但是仍然是限制新能源汽車性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而動(dòng)力電池的溫度特性也對(duì)汽車的性能造成非常大的影響，其中包括對(duì)壽命的影響。而動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用，使電池能夠在適宜的環(huán)境下工作，從而保障汽車的性能。在炎熱的夏天，電力驅(qū)動(dòng)的汽車由于在電池放電過程中產(chǎn)生大量的熱量，使電池的性能下降，如果再加上風(fēng)道設(shè)計(jì)的不合理影響，還會(huì)進(jìn)一步加劇問題嚴(yán)重性，還會(huì)提升汽車使用安全隱患。所以設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的冷卻系統(tǒng)，可以最大限度的保障動(dòng)力電池的安全性和設(shè)備性能。動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)正是利用了汽車電池組熱量管理模型來對(duì)動(dòng)力電池的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)電池溫度低時(shí)提供熱量，當(dāng)電池溫度高時(shí)進(jìn)行冷卻，使動(dòng)力電池處于最佳的工作狀態(tài)中，從而提升動(dòng)力電池的性能。也就是說動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的控制水平?jīng)Q定了動(dòng)力電池的性能。

4 動(dòng)電電池冷卻系統(tǒng)技術(shù)

4.1 空氣冷卻電池技術(shù)

利用空氣作為介質(zhì)來對(duì)電池進(jìn)行冷卻作用的方式叫作空氣冷卻技術(shù)，其主要原理是利用流熱交換模式來實(shí)現(xiàn)降溫的目的。該冷卻技術(shù)以設(shè)備簡單、維護(hù)成本低、制造成本低廉等特點(diǎn)，因此在各類動(dòng)力電池以及電子設(shè)備電池的保護(hù)裝置中被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)雖然成本低、應(yīng)用便捷，但是會(huì)受到導(dǎo)熱系統(tǒng)和空氣比熱容的影響，所以在實(shí)際應(yīng)用過程中的冷卻效果相對(duì)較差。而當(dāng)前對(duì)于空氣冷卻電池技術(shù)的研究方向主要是在空氣體積流量、流道以及電池空間規(guī)劃三個(gè)方面。我國學(xué)者范德亮團(tuán)隊(duì)，就是利用流體力學(xué)的原理并通過仿真軟件來對(duì)電池間距以電池組工作溫度的影響進(jìn)行了研究分析，從而找到了最佳的動(dòng)力電池組間距可以弱化動(dòng)力電池的集熱現(xiàn)象，從而使溫度的分布更加均勻。Ahmad等人也通過對(duì)串行和并行的電池組的排列方式對(duì)集熱現(xiàn)象的影響研究，發(fā)現(xiàn)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(dá)到了將近兩倍值。AHMADAP等人基于空氣冷卻電池技術(shù)的不足，提出了主動(dòng)冷卻管理技術(shù)，其是采用了先對(duì)空氣介質(zhì)進(jìn)行冷卻，再借助空氣與電池?zé)崃恐g的溫差來增加空氣對(duì)流從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行降溫的作用。

4.2 液體冷卻電池技術(shù)

采用液體介質(zhì)來對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行降低冷卻的技術(shù)叫液體冷卻電池技術(shù)，通常是使用乙二醇和水的溶液再配合制冷劑來實(shí)現(xiàn)冷卻效果的。該技術(shù)的優(yōu)勢是比熱容大、換熱系數(shù)高等特點(diǎn)，相比空氣冷卻技術(shù)來講具有更好的降低溫度的效果。在液體冷卻電池技術(shù)中，又分為直接式和間接式，使用液體直接與電池進(jìn)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(duì)電池實(shí)施降溫的方式稱為間接冷卻式。目前較為常見的技術(shù)研究方向是冷卻劑組成優(yōu)化、冷板或者盤管通道設(shè)計(jì)、液體流量的優(yōu)化等方面。國內(nèi)研究者安州建等人對(duì)研究了氫氟醚工質(zhì)電子冷卻介質(zhì)NOVEC7000與傳統(tǒng)的乙二醇冷卻介質(zhì)的冷卻效果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)使用新型冷卻液可以將動(dòng)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(shí)則在電池工作一段時(shí)間后溫度出現(xiàn)了明顯的上升，說明新型冷卻介質(zhì)在冷卻效果方面要有明顯優(yōu)勢。

從各類研究成果的應(yīng)用來看，液體冷卻電池技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，包括直接式冷卻技術(shù)雖然使用了不導(dǎo)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(shí)際使用過程中會(huì)增加冷卻系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)負(fù)擔(dān)從而影響系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。而使用間接式冷卻技術(shù)，則由于使用了金屬導(dǎo)管和冷卻板，所以在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的能量損耗，造成降溫效率下降，且當(dāng)冷卻管或者板破裂造成冷卻液流出時(shí)會(huì)對(duì)電池造成短路風(fēng)險(xiǎn)，在安全性方面也存在不足。

4.3 熱管冷卻電池技術(shù)

使用一種密封性良好的充滿相變工質(zhì)的空心管來利用蒸發(fā)器和冷凝器的方式實(shí)現(xiàn)降溫作用的技術(shù)稱為熱管冷卻電池技術(shù)。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是在蒸發(fā)器吸收了充足的熱量后，將封閉狀態(tài)空心管毛細(xì)芯內(nèi)的液體進(jìn)行汽化，從而產(chǎn)生氣壓，并向冷凝器流動(dòng)，而氣體在經(jīng)過冷凝器后會(huì)釋放出熱量又將汽體重新凝固為液體繼續(xù)吸熱，依次循環(huán)往復(fù)過程來實(shí)現(xiàn)降溫的作用。該技術(shù)的原理就是液體轉(zhuǎn)化為汽體時(shí)產(chǎn)生毛細(xì)作用，從而使管內(nèi)的介質(zhì)發(fā)生流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)蒸發(fā)的效果。目前對(duì)于汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾鋮s技術(shù)的研究主要是在阿冷卻性能模擬、阿伯發(fā)器冷凝器設(shè)備優(yōu)化、數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)等方面。研究者TRAN在借助小試驗(yàn)平臺(tái)來模擬了單管型熱管對(duì)汽車動(dòng)力電池的冷卻效果，從結(jié)果上看冷卻的效果顯著。國內(nèi)研究者越振志等人也通過對(duì)熱管冷凝長度和噴霧頻率對(duì)降低冷卻效果的影響的研究得出了，當(dāng)動(dòng)力電池組出現(xiàn)了升溫過快現(xiàn)象時(shí)，可以采用增加冷凝端長度和噴霧頻率的方式來實(shí)現(xiàn)快速降溫的效果?？梢?，通過熱管冷卻電池技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)勢和效果都比較明顯。

4.4 相變材料冷卻電池技術(shù)

相變材料實(shí)現(xiàn)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(wěn)定性好、成本低、使用方便的技術(shù)特點(diǎn)。相變材料冷卻模式不需要通道設(shè)備、電氣設(shè)備，因此系統(tǒng)安全性非常高。目前應(yīng)用廣泛成熟的相變材料主要為脂肪烴蠟油、改性費(fèi)脫蠟、水合鹽、有機(jī)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?zé)峁芾硐到y(tǒng)，對(duì)汽車磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行模擬冷卻實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，搭建的這套冷卻系統(tǒng)比空氣冷卻系統(tǒng)、純石蠟相變冷卻系統(tǒng)效果更佳，表現(xiàn)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(duì)比了脂肪烴石蠟/泡沫鋁相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)和冷卻效率，結(jié)果表明這種復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)是純脂肪烴石蠟的200多倍，實(shí)際冷卻效率可以提高45.6%。

5 結(jié)論

電池組冷卻技術(shù)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電動(dòng)汽車使用的電池組電容量、電池模塊數(shù)量逐漸增加，電池組工作時(shí)釋放出的熱量也增加，這對(duì)電池組冷卻技術(shù)的性能要求也越來越苛刻。

掛靠課題：基金項(xiàng)目：中挪新能源汽車安全高效應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范（國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目? 課題編號(hào)：2019YFE0104700）

參考文獻(xiàn)：

[1]高蒙蒙，劉建祥，朱增懷，吳義磊，崔敏.動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)流量仿真[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018：5-6，15.

[2]張景濤;李明濤;張禮憲;周雨輝;魏濤.某電動(dòng)客車動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)及驗(yàn)證[J].客車技術(shù)與研究，2018：36-38.

[3]趙沖，王有鏜，鄭斌，田鑫.新能源汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020：192-193.

[4]王亞峰，王良模，蒲金鵬，鐘弘，劉經(jīng)興，丁洋.某車型動(dòng)力電池冷卻裝置的CFD分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2015：30-33.

[5]張景濤，李明濤，張禮憲，周雨輝，魏濤.某電動(dòng)客車動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)及驗(yàn)證[J].客車技術(shù)與研究，2018：33-35.

[6]王普浩，李立濤，藺強(qiáng)，張曉光，毛夢娜，呂海峰.動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)流量分配特性研究[J].液壓氣動(dòng)與密封，2020：57-63.

[7]張景濤，李明濤，張禮憲，周雨輝，魏濤.某電動(dòng)客車動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)及驗(yàn)證[J].客車技術(shù)與研究，2018：33-35.

[8]彭影，黃瑞，俞小莉，許建青.電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池冷卻方案的對(duì)比研究[J].機(jī)電工程，2015：101-107.