新能源汽车电池冷却系统研究

韩耀夫

摘 要：在新能源汽车的发展中电池模块是影响其续航里程、充电效率和使用安全的重要因素，也是消费群体关注的重点。新能源汽车电池充放电特性受环境温度影响较大，特别是在高温情况下，容易产生能量功率衰减现象，还可能诱发电池自燃等风险隐患，在进行电池组模块的设计过程中关注可控冷却，不断优化汽车电池组的工作性能。研究新能源汽车电池冷却系统应用的重要性，结合电池组冷却系统设计，详细分析四种常见的电池组冷却技术。

关键词：新能源汽车 电池 冷却系统

1 引言

在国家大力推行新能源汽车发展的大背景下，更多车企将研发试验的工作重点放在了新能源汽车上，特别是对其电池组的冷却散热技术优化可以更好地提升其运行性能，是车辆运行辅助的重点核心要领。在对新能源汽车电池组的冷却系统研究过程中，技术人员需要了解不同冷却技术的适用条件和冷却效果，结合冷却技术的差异化优势，充分考虑不同的车辆运行状况，构建更加高效安全的汽车电池冷却模式，合理控制汽车电池运行温度，助力新能源汽车实现更广阔的发展。

2 电池冷却系统应用重要性

面对化石能源的逐渐枯竭，新能源汽车节能环保和可持续性的发展优势正在逐渐取代传统的燃油汽车，也成了汽车行业的重要发展方向。常见的新能源汽车包括电动汽车、氢能源汽车等，其依靠可靠的电池组来实现不同能源向动能的转化。以锂电池汽车为例，在其充放电的过程中会涉及较高的有端电压，且额定工作温度在-30℃～+60℃，一旦出现运行环境温度较高的情况下，其充放电运行效率和循环使用寿命会有明显的下降，甚至可能会出现电池组自燃的状况，给驾驶人员的安全性带来了极大的威胁[1]。根据锂电池在充放电状态下的过程和原理分析，其内部的电子会出现补充和消耗的情况，而由于蓄电池内部电子的剧烈无规律运动，会表现出向外释放热能的现象，必须依靠可靠且安全的冷却系统来实现电池运行环境稳定的维护。常见的新能源汽车电池组以锂电池为主，其主要介质为磷酸亚铁锂材料，一旦出现高温运行环境可能会导致内液对电池外壳的腐蚀和泄漏等问题，不仅会给环境带来一定的污染，还可能会诱发其他的驾驶安全风险，必须引起汽车行业从业者和消费者的高度重视。

根据不同新能源汽车电池组的运行特点和温度性能差异，必须要搭载可靠的冷却系统来实现环境温度的合理控制，不仅是保障车辆运行安全的重要前提，还可以合理降低电池组的系统性能自耗问题，使其能够有效维持在稳定地运行状态和环境温度下。常见的新能源汽车电池组冷却系统主要是以能量热交换的方式来实现转移，不同的介质材料在能量吸收和散热时的状态与效率存在一定区别，技术人员在进行电池冷却系统的规划设计时，还需要结合电池组在不同运行状态下的发热量变化线性规律来进行合理设计，确保车辆电池组在充放电状态下都能够保持较为稳定且安全的电池环境，为提升新能源汽车电池组的运行性能、续航容量等提供重要参考。

3 电池组冷却系统设计

目前常见的新能源汽车电池组冷却系统的运行原理是依靠具有较高吸热性能的介质来与电池组之间形成热交换。在进行新能源汽车电池组的冷却系统设计过程中，技术人员需要提前了解，在不同运行状态下车辆电池的发热量变化现象，相关实验研究表明，镍氢电池和锂电池等的输出功率和电池发热量之间呈现出正相关关系，其中，锂电池在输出功率达到8000w时的发热量接近200w。为可靠地减少新能源汽车电池组地向外释热，不仅需要通过简单的系统通风和空气循环来予以冷却散热，更需要通过液冷循环、热管冷却和相变材料冷却等方式来进行热量传递转化，有效抑制汽车电池组的温度上升。以锂电池为例，其内部呈现出了正极、隔膜和负极的三层结构，而由于其内部材料本身的热传导性能较差，在电池垂直表面进行热量吸收和散热冷却的方式效率较低，可考虑采用正负极接线的方式来实现导热和散热[2]。技术人员在进行新能源汽车电池组的冷却系统设计过程中，可充分利用计算机技术对其进行建模和实验，通过设计不同的车辆运行状态和电池输出功率进行反复的数据验证，详细分析该冷却系统在运行过程中车辆电池电流和表面温度，合理兼顾电池充放电循环寿命和降温散热需求，不断提升新能源汽车电池组的冷却系统设计优化。

4 新能源汽车电池组冷却技术

4.1 空气冷却电池技术

空气冷却电池技术是锂电池组在能量热交换过程中最常见的方式之一，在车辆内部本身就可利用空气流通来实现主动散热，特别是在风机循环的过程中，能够将车辆电池包外的空气与车辆外部的空气之间形成整体回流，实际主动冷却散熱的效果较好。在车辆的内部空气流通过程中，风机转动所形成的空气气体整体在电池包外侧形成了循环回流，尽管不直接与，外部空气之间产生接触和交换，但依然能够达到较好的电池组被动散热目的。

新能源汽车电池组的空气冷却结构设计较为简单，且不需要在电池组的外侧增加其他的冷却装置或介质，这在车辆的生产制造成本和结构设计上更加节约简便，形成的电池组降温调控空间可观。基于较为简单的空气流通电池降温结构，在电池组需要进行主动和被动散热时，直接通过启动车辆内部的风机系统即可，基本可满足电池组界定超出热量的有效传递与交换，但在一些特殊情况下，其降温的时效性则较为有限，还需要引起技术人员的充分关注，并依靠不同的汽车电池组散热冷却方式来形成互补[3]。

影响空气冷却电池运行性能的因素较多，包括电池固有温度、空气流通效率等，在应用这种冷却方式的过程中，对车辆电池组内部的空间结构提出了较高的要求，必须在电池包外侧有相当充裕的空间来实现空气的回流与交换，确保能够实现电池冷却散热的最大效率。在开启车辆的冷风循环过程中，能够实现对车辆电池组的均衡式降温，将这些经过冷却压缩处理的冷空气在电池包外侧进行循环回流，电池外侧的各个发热点都能够实现可靠的空气降温，是一种较为理想且节能的电池散热方式。

4.2 液体冷却电池技术

新能源汽车电池组的液体冷却技术是通过以液态物质为介质来实现热能交换的过程，这种冷却降温方式充分借助了液体介质本身的高比热容状态，在进行新能源汽车电池组的冷却系统设计时可有效实现循环系统的体积压缩，对优化车辆电池组的运行性能、改善车辆电池组冷却系统设计具有重要参考价值。

接触型液体介质冷却技术是指直接将冷却介质和新能源汽车电池组之间产生沉浸式接触，通过整体包围式的方式来实现电池组和液体介质之间的热量交换与吸收，可以有效实现快速物理降温[4]。非接触型液体介质冷却设计，是指在新能源汽车电池组周围并不直接实现液体介质的接触，而是通过一些管道，设备等来实现液体介质的快速流动，借助这种外界的冷却介质循环来实现多余热量的吸收，且在液体介质和电池组之间的热交换与流动过程中可以更好地提升传递效率。

目前，新能源汽车电池组中的液冷循环装置以非接触式结构为主，这种降温冷却的工作方式基本结构更加稳定，有效减少了由于电池组和液體介质之间接触而产生的腐蚀、渗漏等风险。常见的电池冷却液体介质以混合物为主，包括乙醇、水等材料，在多次循环反复降温的过程中，有效保证新能源汽车电池组的工作温度在35℃至38℃内，这也是其固有极限值的高效率运行温度。

在进行新能源汽车电池组液冷循环系统的结构优化过程中，需要综合考虑到冷却介质、管道结构等方面的性能差异，通过双向优化形成更适合不同车型的电池组冷却结构，进一步提升电池组的运行性能和使用寿命[5]。值得注意的是，由于非冷却式液冷系统在运行过程中需要实现多次冷却介质的循环，在这过程中造成的电池阻积系统能量消耗可能会影响电池组的供电性能，技术人员还需结合实际与车辆运行工况进行灵活选用，确保达到更加节能高效的电池冷却目的。

4.3 热管冷却电池技术

通过具有较强导热性能的铜片将电池组的产热吸收至热管当中，而管材内部的织物和器芯等可以有效实现对热能的吸收与转化，这种电池冷却技术的运行效率会受到内部吸热物质的性能影响。在新能源汽车电池组的热管冷却拓扑系统中可发现，铜片等热交换材料吸收的电池热能会经过政法机构、冷凝机构来实现能量的循环与制冷，通过将热能吸附在热管的，中空部分的方式来实现液体介质的吸热，当中空部分的液体吸热气化后会产生一定的反向气压现象，在整体压降影响下，会将其导入到热管的冷凝机构当中，这些高温液体经冷凝后会再次液化，顺延热管内部的循环吸附装置重新回流到中空的蒸发装置中，有效实现了在热管内部汽化到液化的反复循环，有效保障了在新能源汽车长时间运行过程中的电池持续性冷却需求[6]。

在热管冷却电池基本结构的实际运行过程中，必须考虑到其中液体的冷却介质所形成的电池冷却性能和效率，这对评价热管技术的实用价值具有重要意义。以锂电池的单管热管冷却模型来看，由于在单管运行过程中冷却液体的汽化与液化过程较为单一，所能提供的冷却流量较小，不易受到其他环境等因素带来的干扰，在对电池组的降温效率上表现更加突出[7]。热管系统中的冷却机构在吸收热量时，不会对电池组本身的固有温度状态产生较大的影响，仅会将由政法机构所吸附的电池多余热能进行冷却降温处理，这对于保证电池组的运行温度，精细化控制和性能优化具有重要意义。

另外，在对热管冷却系统运行过程中的结构参数研究过程中，技术人员发现，热管的长度和电池组的降温运行效率之间呈正相关关系，但受到汽车电池组本身体积限制的影响，在热管结构的设计中不能无限度拉长，但对优化冷却系统的性能可形成一定参考。在热管中空内腔中的冷却介质液体汽化过程中，其反应程度越强，电池组的冷却性能越好，这提醒技术人员，在进行电池组的冷却结构设计过程中应当合理选择冷却介质，确保能够有效延长新能源汽车电池组的使用寿命，使其在充放电过程中的运行更加安全可靠，如图1所示。

4.4 相变材料冷却电池技术

相变材料冷却电池技术，顾名思义是指，在进行电池冷却的过程中利用了相变介质来实现热交换，这种电池冷却技术是近年来较为新兴的一种工艺手段，能够借助相变材料的特性对汽车电池组当前的运行温度和变化趋势进行细致分析与严格掌控，确保电池在不同的运行温度状态下都能够通过相变介质的热量交换来实现多余热能的消耗，有效保障新能源汽车的电池组能长期处于最佳运行状态下。相变介质材料具有较强的可塑性，不仅能够实现对电池组多余热能的充分吸收，还可以在需求应用的情况下实现潜热地提供，且在整个能量交互与转化的过程中不涉及其他污染性物质的排放等问题，是一种较为理想且环保的电池冷却介质材料[8]。相变介质材料在吸热和放热的过程中都能够较好地保证电池组系统温度的平稳性，甚至可以通过温度变化趋势的分析提前来进行吸热和放热的调控，使汽车电池组能够在近似恒温的状态下实现稳定运行，相较于其他的电池冷却技术而言具有更强的应用优势。

常见的相变材料包括固－液相变、固－固相变和复合相变，这主要是根据其在吸热与放热状态下所形成的向态转变特点来进行区分。第一，固－液相变材料以脂肪烃类和醇类等物质为主，尽管在吸放热的过程中依然不容易发生相分离的现象，但由于其转变为液态后容易出现泄露问题，对外层包裹材料的密封性要求较高，实际应用场景较为有限。第二，固－固相变材料主要以茎形的转化方式来实现相变，其中的分子排列更为紧凑，有效减少了其在电池组冷却过程中的外围包裹体积，整体呈现固体的晶形状态，不存在材料泄露的风险性，实际使用年限较长，是一种较为理想的相变材料类型。第三，复合型相变材料是将具有相变特性的介质加入在载体物质中所形成的一种固态形态的材料，其中能够实现对电池组冷却降温的相变材料被称为工作介质，在目前的汽车电池组相变冷却方面也具有较强的发展潜力和实践价值。

5 结束语

电池组是新能源汽车在运行过程中的重要动力来源，在其充、放电的过程中会产生电池环境温度上升的现象，必须依靠科学合理的散热手段实现电池运行性能的维护，为保证实现最大运行功率和提升车辆驾驶安全具有重要意义。常见的风冷循环、液冷降温和相变介质冷却等方式都是通过与外界环境热交换的方式来实现电池组的降温散热，但其在冷却效果、生产成本和运行状态等方面存在一定的差异，还需技术人员结合实际予以灵活选用，充分保障新能源汽车电池组的运行安全与可靠。

参考文献：

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[5]孙丽颖，方超.基于正交试验的液冷型高功率动力电池包冷却结构参数优化[J].机械设计与制造工程，2022，51（05）：25-30.

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[8]王震坡，袁昌贵，李晓宇.新能源汽车动力电池安全管理技术挑战与发展趋势分析[J].汽车工程，2020，42（12）：1606-1620.