新能源电动汽车动力锂离子电池冷却系统设计

虞彬彬

摘 要：动力锂离子电池自身有最佳的工作温度范围20～30°C，但电池在工作过程中电化学反应会产生大量的热量，电池自身的温度会升高而超过最佳的工作温度范围，要使电池一直保持在最佳的工作状态，延长使用寿命，就需要给锂离子电池提供冷却降溫。

关键词：动力锂离子电池；冷却；性能；使用寿命

电动汽车真正实现绿色环保，彻底摆脱对石油的依赖，也成为目前汽车工业技术的发展方向。动力电池是为电动汽车主要或唯一驱动能源，相当于汽车的心脏，所以电池性能的好坏直接影响整车的性能。

根据动力电池的使用特点、要求、应用领域不同，国内外动力电池的研发大致有4个阶段；第一代的铅酸蓄电池、第二代的碱性电池、第三代的锂离子电池和第四代的燃料电池，结合当前的技术和成本，目前电动汽车使用最广的是锂离子电池作为动力驱动，下面就针对锂离子电池的冷却系统展开讨论。

目前市场上单体锂离子电池基本有三种圆柱形电池、方形电池和软包电池，虽然它们的外形有差异，但是所使用的冷却方式基本都相同。

锂离子电池在量产中常用冷却方式主要有三种 ：自然冷却、风扇风冷或蒸发器风冷及液冷。这三种冷却方式都是利用冷却介质流过或接触过热电池的表面，利用温度差的热传递方式将热量带走，从而达到给电池冷却降温作用。

一、自然冷却系统

自然冷却系统是利用电池系统、模组或电池单体自身温度与周围环境温度之间的存在温差，空气为介质，利用空气的自然对流换热，将电池系统、模组或电池单体的热量传递到周围的空气中，从而在一定程度上减低电池单体的温度。由于空气的导热系数很低，且自然对流很慢，因此自然冷却的散热效率一般比较低。此外，当电池系统周围不存在其他热源时，温度也可以控制在较小的范围内。自然冷却方式虽然冷却效果较低，但这种方式的成本较低，占用的空间较小。在电池系统运行工况缓和、成本控制较高以及留给冷却系统的空间十分有限或空间非常大的情况，这种方式也是可取的选择。

虽然自然冷却是一种利用电池系统工作环境的温度差的一种被动冷却方式，但还是需要进行结构设计。电池工作时，电池内部发生化学反应，产生大量的热量，我们需要电池的热量从导热材料或金属板导到模组或电池箱体上，再通过空气的对流，将热量散发出来，所以我们一般都需要对模组的结构进行设计。圆柱形电池由于尺寸小、发热量不太大等结构特点，如果电池与电池之间加有导热材料，这样成本会大幅增加，所以圆柱形电池的模组只需将电池固定，不需要填充导热材料。方形和软包电池，一般形状规整，体积较大，模组设计时，一般在电池之间或电池的底部，增加导热材料或导热铝板，便于将电池内部的热量导出，再通过模组和箱体将热量散发出来。

二、风扇风冷或蒸发器风冷系统

风扇风冷或蒸发器风冷是通过风扇或蒸发器将温度较低空气引入箱体内部。如果电池系统需要密封时，就只能通过蒸发器来实现或者不将外界空气引入箱体。空气在风扇转动的作用下，以一定的流速穿过模组或电池的外表面，并将电池产生的热量传递到环境空气中；有一种是单独使用风扇风冷，另一种是使用蒸发器与风扇组合的风冷系统。

这种冷却方式需要对箱体或模组进行特有的结构设计。一般有电池排布方式、风道设计、蒸发器设计、风扇选型及固定等。

（1）电池排布一般两个电池之间需要留有一定的间隙，便于空气以一定的流速穿过各个电池的外表面。圆柱形和方形电池强度和刚度比较高，排布时可以留有一定的间隙，而软包电池自身的强度和刚度较差，需要在电池之间增加导热材料，将电池内部的热量导出；

（2）对于风冷系统设计，风道的设计是十分关键的，很好的风道设计，不仅可以提高散热的均匀性，而且还可以降低系统的流动阻力，所以风道设计应该从结构简单、成本低、密封性好、便于安装、对对空气流通无阻碍等这几个方面来考虑；

（3）蒸发器的选型，根据整车空调系统中压缩机的型号及制冷量、电池包中电池数量、箱体的空间、蒸发器制冷量和成本等方面来考虑；

（4）对于风扇的选型，最重要是所选用的风扇必须满足提供足够的风量和风压，以保证系统有足够的冷却空气流量和流通速度，另外还要根据电池包结构空间的大小，来选择风扇的尺寸、重量，再有就是为风扇提供的工作电压、噪音功能和成本等因素也在考虑范围之内。

三、液冷系统设计

随着用户对电动汽车的性能要求越来越高，国家补贴政策也偏向行驶里程长，能量密度高的整车，整车厂对动力电池系统的功率性能和快充性能的要求也越来越高，要使电池发挥最佳的性能，这就是对电池系统冷却设计的要求也越来越高，在这里只讨论电池系统内部的液冷系统。

液冷系统的工作原理，就是通过液冷板中冷却液与电池表面接触，将热量带到电池系统的外部，从而达到给电池冷却降温作用。

其实一套完整的电池系统内部液冷系统，包括冷却液的进、出接口、冷却管、液冷板及冷却液等。

（1）冷却液的进、出接口需要与整车的冷却系统相匹配，我们一般选用国标通用接口类型，这样加工成本比较低；

（2）冷却管一般从管子的材料、管径的大小、耐腐蚀性、工作压力及工作温度范围等这几个方面选型；

（3）液冷板相当于弯曲的水管，冷却液能在液冷板内流动，液冷板使用的材料是导热效果较好的铝；液冷板需要与电池的表面充分接触，这样才能起到更好的导热效果；由于电池与液冷板的表面都比较硬，因此，需要在液冷板表面贴一层导热和绝缘效果较好的导热垫。液冷板的设计是液冷系统中最重要的环节，根据电池的种类不同，设计成不同的液冷板，如果使用方形电池和软包电池，一般使用板式结构的液冷板，液冷板与电池的底部或者侧面充分接触；如使用圆柱形电池时，由于电池的外表面是圆形，所以液冷板需要设计成弯曲的带状，其弯曲弧度尺寸需要与电池的外径尺寸相匹配，才能与电池表面无缝的接触，起到更好的导热效果；

（4）冷却液在液冷系统中起着重要的作用，冷却液的选型需要从传热能力、使用温度范围、电绝缘性、腐蚀性等方面综合考虑。

四、结 论

（1）根据不同车型的不同工况、电池型号、电池系统空间大小及成本要求，来选择适合的冷却系统，并对电池的使用寿命和工作性能起很大的作用。

（2）动力锂离子电池冷却系统的设计需要满足散热均匀且效果佳、机械结构易于加工、成本低及安装方便等。