新能源汽车动力电池冷却技术分析

赵冲　王有镗　郑斌　田鑫

摘要：新能源电动汽车的使用效率很大程度上依赖于其所配套的电池组工作性能，而电池组的工作性能、安全性能和使用寿命又非常依赖于电池组配套的冷却系统。本文综述了空冷、液冷、热管冷却、相变材料冷却这四种经典电池冷却技术的研究进展。分析四种冷却技术的特点、使用领域、研究方向、模拟评测结果等。

关键词：电池组;空气;液体;热管;相变材料;冷却

0  引言

传统汽车在使用过程中消耗所能量来源于石油资源加工产生的汽油、柴油等碳氢化合物。而我国的原油资源禀赋低，随着国民经济水平不断提高，我国的汽车使用量逐年增加，我国原油对外依存度越来越严重。据统计，截至到2018年，我国原油进口依赖度已经达到了72%，不仅消耗了大量的国际贸易货币还严重威胁到了我国能源战略安全。此外，传统汽车发动机在燃烧汽油、柴油过程中，会产生例如微米级固体颗粒、氮氧化合物、硫氧化合物等污染性废弃物，是酸雨环境污染和雾霾的重要产生因素。因此，基于国家能源战略和环境保护两大重要背景下，我国政府大力支持企业开发新能源汽车，以缓解上述问题所带来的压力。新能源汽车使用过程中使用的能量来源于电能，由汽车配置的电池组提供。目前，能够使用汽车大功率、大容量、大能量密度、循环性能好的电池组主要以锂电池为主，目前处于研究阶段的除了更高性能的锂电池外，包括氢镍电池、燃料电池等。

汽车电池组在充放电过程中不仅有电能转变为汽车机械能的形式，还伴随着电能转变为热能的形式，如果产生的热量没有得到合理的释放，而是聚集在汽车电池组的内部或者周围，则会导致电池组的温度升高，对电池的使用性能、寿命和安全性都会造成影响。此外，在温度极端的天气环境下，环境温度和电池工作温度差异很大，也会导致电池工作性能的衰减。因此，汽车电池组热管理模型是调节电池组热量传递、热量扩散等重要因素，是决定新能源汽车使用性能的重要模块。因此，本文从汽车动力电池热管理模块中的冷却技术入手，分析四种经典的冷却技术的研究进展。

1  汽車电池组冷却技术研究

1.1 空气冷却电池技术

空气冷却技术使用空气作为冷却介质，利用热传递中的对流热交换模式实现电池组工作温度的降低。空气冷却技术结构具有设备简单、设备后期维护方便、制造成本低的特点，在新能源汽车的动力电池和电子设备电池中都可以应用。但是空气冷却技术劣势也很明显，受到空气比热容和导热系数性质的限制，空气冷却技术对电池组的冷却效率较低。

当前关于汽车动力电池空气冷却技术的开发主要集中在空气体积流量、电池空间规划和流道等几个方向。范德亮等人利用流体力学仿真软件分析了电池间距对电池组工作温度对影响，发现电池组中电池距离的增加会提高温度，但是电池组中集热情况变弱，电池组的温度分布更加均匀。Ahmad等人分析了两种空气冷却流动方式（如图1所示），对比空气从电池一侧流入从另一侧流出和空气从电池底部流入从顶部流入两种冷却空气流动路径，发现第二种的冷却效率更高。相同空气流量下，第二种冷却方式下的电池组工作温度降低幅度是第一种的两倍。

AHMAD A P等人为了解决空气冷却效率不足的问题，提出了一种主动冷却管理技术：首先通过冷却装置对空气进行冷却，降低空气介质温度，提高空气与电池组的温差，进而有效的控制电池组工作温度。

1.2 液体冷却电池技术

顾名思义，液体冷却技术使用的冷却介质为液相物质，通常选用乙二醇、水、制冷剂、乙二醇/水混合溶液等物质。相较于空气，液体冷却介质具有比热容大、换热系数的高的特点，有效的弥补了空气冷却效率低的技术不足。根据接触方式的不同，液体冷却技术可以分为直接冷却方式和间接冷却方式。直接冷却方式将电池模块完全浸没在绝缘的冷却液体当中，冷却液体与电池组直接接触。间接冷却方式在电池组之间设置冷却盘管或者冷板，冷却液体在其中流通，利用对流传热、制冷等方式降低电池组工作温度，液体不与电池接触。

当前关于汽车动力电池液体冷却技术的开发主要集中在冷却剂组成优化、冷板或者盘管通道优化、液体流量优化等方向。安州建等人对比了3M公司的氢氟醚工质电子冷却介质NOVEC 7000与传统的乙二醇冷却介质对汽车动力电池冷却效率，结果表明，使用的新型电子冷却介质NOVEC 7000利用对流传热和介质相变吸热的冷却方式可以保证电池组工作温度稳定的维持在35℃左右，而使用乙二醇作为冷却介质时，经过多次介质循环，电池组工作温度成逐渐上升趋势。这说明，一方面电子冷却介质NOVEC 7000冷却效率更高，另一方面电子冷却介质NOVEC 7000使用寿命更长，性质更加稳定。

目前液体冷却技术的缺陷主要为以下几点：

①直接接触冷却方式使用的液体为不导电液体，安全性能好，但是液体的黏度通常很大，需要较大的动力，增加工作负荷;

②间接冷却方式，液体与电池之间存在金属管道，有一定的能量损耗;

③间接冷却方式使用的液体导电，一旦发生泄露则会导致严重的安全事故;

④相较于空气冷却技术，液体冷却系统需要复杂的管道、流量泵、制冷设备，系统可靠性指数低。

1.3 热管冷却电池技术

热管冷却技术使用一种密封良好的空心管设备，空心管内充满相变工质，两端分别设置蒸发器和冷凝器。工作时，蒸发器吸收电池组热量将处于空心管毛细芯内的液体工质汽化为气体，气体在压力势能的作用下流向冷凝器。气体向冷凝器释放出热量又重新相变为液体，根据毛细作用原理，液体工质有重新回流到蒸发器区域进行循环蒸发。

当前关于汽车动力电池热管冷却技术的开发主要集中在冷却性能模拟评价、蒸发器冷凝器设备优化、数学模型搭建等方向。TRAN通过小试实验平台模拟了单管型热管对汽车锂电池组的冷却效果，结果表明使用低流量冷却空气对单管型热管的冷凝器冷却即可实现电池组工作温度的控制。赵振志等人研究了热管冷凝端长度和喷雾频率对冷却效率的影响，结果表明当电池组出现突发剧烈升温情况时，通过提高冷凝端长度和提高喷雾频率可以快速的降低电池组工作温度。李国茂等人以镍氢电池组为冷却对象，对比了热管冷却方式、液体冷却方式和强制对流空气冷却方式对镍氢电池组冷却性能。结果表明，三种冷却性能由大到小依次为热管冷却、液体冷却和强制对流空气冷却。热管冷却模式下的镍氢电池组工作温度可以长时间保持在最佳工作温度区间内，且电池组内的各个电池模块之间温差小。

1.4 相变材料冷却电池技术

相变材料实现电池组工作温度的降低是基于相变吸热的原理，其具有材料无毒无害、热稳定性好、成本低、使用方便的技术特点。相变材料冷却模式不需要通道设备、电气设备，因此系统安全性非常高。研究人员对比了空气冷却、液体冷却和相变材料冷却三种冷却技术特点，发现相变材料冷却技术的特点在于能够保持整体电池组温度均匀，避免电池组出现局部热点的情况，而冷却效率介于空气冷却和液体冷却之间。目前应用广泛成熟的相变材料主要为脂肪烃蜡油、改性费脱蜡、水合盐、有机酸化合物等。

李国威等人使用脂肪烃蜡油/泡沫铜作为相变材料，搭建电池热管理系统，对汽车磷酸铁锂电池组进行模拟冷却实验。结果表明，搭建的这套冷却系统比空气冷却系统、纯石蜡相变冷却系统效果更佳，表现在电池工作温度降低幅度更大、电池组温度分布更均匀。王磊星等人对比了脂肪烃石蜡/泡沫铝相变材料的导热系数和冷却效率，结果表明这种复合相变材料的导热系数是纯脂肪烃石蜡的200多倍，实际冷却效率可以提高45.6%。

2  结论

电池组冷却技术在提高电池使用寿命、保障电池组工作安全、保证电池组工作效率的方面起到了重要作用。随着新能源汽车产业的发展，电动汽车使用的电池组电容量、电池模块数量逐渐增加，电池组工作时释放出的热量也增加，这对电池组冷却技术的性能要求也越来越苛刻。本文，介绍了空气冷却技术、液体冷却技术、热管冷却技术和相变材料冷却技术四种冷却模式，从研究分析和商业应用情况来看，四种冷却技术都有其各自技术特点和适用领域。一方面技术人员要不断对冷却技术升级提高使用性能，另一方面要探寻冷却技术与电池组之间的内在匹配性，寻找最佳的冷却组合方式。

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作者简介：赵冲（1994-），男，山东济宁人，硕士研究生，就读于山东理工大学，研究方向为新能源汽车动力电池热管理;王有镗（通讯作者）（1984-），男，山东淄博人，博士，研究方向为新能源汽车动力系统热管理。