新能源汽车动力电池散热技术综述

张计军　葛家琪　潘汉平　康明龙

摘 要：随着新能源汽车的快速发展，新能源汽车动力电池作为“三电”核心之一，其散热问题越来越受到设计人员的关注。本文对目前主要的五种动力电池散热技术－对流散热、风冷散热、液冷散热、热管冷却和相变材料冷却分别进行了综述，并对其原理、优缺点和应用情况进行了分析比较，本文为新能源汽车动力电池散热技术的发展提供一定的参考价值。

关键词：动力电池 液冷散热 风冷散热 对流散热 热管冷却 相变材料

1 前言

为了进一步解决能源危机问题，我国大力提倡新能源的开发，其中以电力驱动的新型能源汽车，是我国大规模进入新能源应用的关键领域[1]。新能源汽车是指使用非化石能源（如电力、太阳能等）作为动力源的汽车，其具有低碳环保、高效节能等优点，已成为未来汽车行业的重要发展方向。而动力电池作为新能源汽车的核心部件之一，其性能直接影响着整车的性能和安全。然而，由于动力电池在工作时会产生大量的热量，因此其散热问题一直是制约其发展的重要因素之一。本文将对目前主流的五种散热技术——对流散热、风冷散热、液冷散热、热管冷却散热和相变材料散热进行综述，并对其原理、优缺点和应用情况进行了分析比较，为新能源汽车动力电池散热技术的发展提供一定的参考价值。

2 动力电池产热机理

作为储能装置的锂离子电池，其组成部分包括正极、负极、电解液、隔膜和壳体[2]。动力电池的产热机理主要有化学反应热、焦耳热、极化热、副反应热等。化学反应热是电池内部化学反应会产生一定热量，是动力电池的热量的主要来源。当电池进行充电时，正极和负极之间的化学反应会产生大量的化学反应热量；焦耳热是电池在工作时，电流通过电池内部会产生热量。这种热量的产生与电池的工作状态有关，例如，当电池的负载较大时，电流通过电池内部的时间较长，产生的焦耳热也就较多；极化热是电池内部的化学物质在电场作用下会发生极化现象。这种热量的大小与电池的工作电压、电流以及工作环境的温度等因素有关；副反应热是除了以上三种产热方式外，电池在使用过程中还可能发生一些副反应，这些副反应也会放出热量。总体来说，动力电池的产热机理是复杂的，需要根据具体的使用环境和条件来综合考虑。

3 动力电池散热技术

3.1 对流散热技术

动力电池对流散热技术是一种利用空气自然对流的方式，将电池内部产生的热量通过散热器散发出去的技术。对流散热是通过在电池组与底部导热材料传导热量，而电池组的侧面则通过空气散热。该技术具有传热效率高、稳定性好等优点，能够有效地降低电池的工作温度，提高电池的使用寿命和安全性。此外，对流散热技术还具有隔离减震作用，能够避免电池之间的短路、磨损等问题的发生。

当电池工作时，会产生大量的热量，这些热量如果不能及时散发出去，就会对电池的性能和寿命产生不利影响。因此，需要通过散热器将这些热量散发出去。对流散热技术的实现原理是在电池组之间与电池底部增加导热硅胶片来提高传热效率；同时在电池组的侧面通过空气流动来实现散热效果。导热硅胶片的选择对于对流散热的效果也非常重要。目前常用的导热硅胶片材料有硅橡胶、聚氨酯弹性体等。导热材料都具有好的导热性能和耐高温特性。此外，导热硅胶片的形状和尺寸也需要根据实际情况进行调整和优化。

对流散热技术的优点是传热效率高、稳定性好等显著优点；同时它还具有隔离减震作用的优点。但是该技术的缺点在于需要增加一定的硬件设施来实现对流散热功能，为了在实际使用过程中取得更好的冷却效果，往往需要增加如翅片等特殊部件以扩大散热接触的面积[3]；同时还需要针对不同车型和使用环境的需求进行优化设计和调整方案。动力电池对流散热技术主要应用于一些低端电动车中，但是随着技术的发展，在一些中端电动车中对流散热技术也开始得到应用。

3.2 风冷散热技术

风冷散热是在风扇的作用下，加强电池内部的空气的流动，带走电池散热的热量的一种方式。该技术具有结构简单、成本低廉等优点，适用于一些小型电池组或移动式电池组。但是，风冷散热技术的传热效率较低，且容易受到外界环境的影响，如气温、湿度等因素都会影响其散热效果。

风冷散热器是动力电池风冷散热技术的核心部件，它主要由风扇、散热片、散热罩等组成。风扇的作用是将空气吹向散热器，形成气流，从而将热量带走。散热片则是将热量传递到空气中的重要媒介，其形状、大小、材料等都会影响散热效果。散热罩则是用来保护电池和散热器不受外界环境的影响，如灰尘、雨水等。风冷散热技术的实现原理就是提高空气流通量，从而带走动力电池的热量。风扇的选择对于风冷散热的效果也非常重要。目前常用的风扇有轴流式风扇和离心式风扇两种类型。轴流式风扇适用于低速运转的场景；而离心式风扇适用于高速运转的场景。此外，通风孔的设计也需要考虑到电池组内部的空间布局和结构特点等因素。

风冷散热技术的优点是具有结构简单、成本低等优势[4]，它适用于一些小型电池组或移动式电池组的散热需求。但是，风冷散热技术的传热效率较低，且容易受到外界环境的影响，如气温、湿度等因素都会影响其散热效果。此外，由于电池组内部空间有限，通风孔的数量和大小也需要根据实际情况进行调整和优化。风冷散热技术同时存在噪音大等不足，由于风扇的存在，風冷散热器在运行时候会存在一定的噪音。动力电池风冷散热技术主要应用于一些低端电动车和小型储能系统中。在这些系统中，由于成本和空间的限制，无法采用其他散热方式，因此只能采用风冷散热技术。但是随着技术的发展，风冷散热技术在一些高端电动车中也开始得到应用。

3.3 液冷散热技术

液冷散热是一种新型的散热方式，它的工作原理是在液体介质的作用下通过对流换热的方式释放电池热量，降低电池温度[5]。该技术具有传热效率高、散热效果好等优点，能够有效地降低电池的工作温度，提高电池的使用寿命和安全性。此外，液冷散热技术还具有可靠性高、维护成本低等优点，因此在新能源汽车领域得到了广泛的应用。

液冷散热技术的实现原理是将冷却液注入到电池组内部，然后通过散热铝管将热量散发出去。冷却液的选择对于液冷散热的效果至关重要。目前常用的冷却液有矿物油、合成油和水基冷却液等。其中，矿物油具有导热性能好、耐高温等特点，但其对环境有一定的污染性；合成油则具有更好的环保性能和高温稳定性；水基冷却液则具有无毒无害、环保性好等优点。在选择冷却液时需要根据具体的应用场景进行综合考虑。目前，液冷散热技术的研究主要还是集中在散热冷板结构的设计上，而散热冷板的设计又集中在流道的设计，往往都是通过改变流道的形状、流道数量来实现对动力电池散热的影响。流道设计越复杂，一般散热效果越好，但是加工起来又往往无比复杂，成本较高，甚至有些流道实际中是无法完成加工制造的，所以流道是设计要充分考虑制造方面的难易程度，再综合散热效果来制定方案。

液冷散热技术的优点是显而易见的。首先，它能够有效地降低电池的工作温度，从而提高电池的使用寿命和安全性。其次，液冷散热器件结构简单、易于维护和更换。此外，液冷散热技术还具有较高的可靠性和稳定性，能够在恶劣环境下正常工作。但是，液冷散热技术也存在一些缺点。例如，其成本较高，需要投入较多的资金进行设备改造和维护；同时，液体泄漏等问题也需要引起重视。

3.4 热管冷却技术

热管冷却是一种新兴的动力电池散热方式，其导热能力强，具有较好的应用前景[6]。热管冷却技术是一种利用热管原理进行散热的技术，主要用于电池系统的冷却。热管是一种高效的传热元件，由一个细长的管子和两个端部相连的金属翅片组成。当电池內部的热量传导到热管时，热管内的液体会吸热并蒸发，产生大量的蒸汽，这些蒸汽会沿着管子流动，同时带走电池内部的热量。最终，蒸汽会在散热器中冷凝成液体，释放出潜热，从而将热量散发出去。热管散热器是动力电池热管冷却散热技术的核心部件之一，它主要由热管、翅片、风扇等组成。热管的作用是将电池内部的热量传递到散热器上，而翅片则是用来增加散热面积和提高散热效率的重要组件。风扇则是用来加速空气流动，从而提高散热器的散热效果。在某些高端电池系统中，热管冷却技术已经得到了广泛应用，如新能源汽车、无人机等行业。随着技术的不断发展和成本的降低，相信热管冷却技术将会在更多的领域得到应用。

热管冷却技术的有高效节能、可靠性高、适用范围广、维护成本低等优点。高效节能：热管冷却技术能够将电池产生的热量快速传递出去，避免了能量的浪费，提高了能源利用效率；可靠性高：热管冷却技术采用封闭的管道结构，不会受到外界环境的影响，具有较高的稳定性和可靠性；适用范围广：热管冷却技术适用于各种类型的电池系统，包括锂离子电池、铅酸电池等；维护成本低：热管冷却技术结构简单，维护成本较低，可以长期稳定运行。

热管冷却技术的缺点也是非常明显的，主要有体积较大、成本较高、流体阻力大等不利因素。体积大：由于热管需要占用一定的空间，因此相对于传统的风冷方式，热管冷却技术需要更大的安装空间；成本高：热管冷却技术的制造成本相对较高，需要使用高质量的材料和工艺来保证其性能和寿命；流体阻力大：热管内部液体流动时会产生一定的阻力，这会影响热管的传热效率；热管冷却技术同时存在噪音大问题，由于风扇的存在，热管散热器在运行时会产生一定的噪音；热管冷却技术温度控制比较困难，其散热效果受到环境因素的影响较大，因此温度控制相对困难。

3.5 相变材料冷却技术

动力电池相变材料冷却技术是一种利用相变材料进行散热的技术，主要用于电池系统的冷却。动力电池相变材料散热技术的基本原理是利用相变材料进行散热。相变材料是一种能够在一定温度范围内吸收或释放大量热量的材料，当电池内部的热量传导到相变材料时，相变材料中的液态部分会吸热并膨胀，变成气态；而固态部分则会放热并收缩。这样，相变材料就能够将电池内部的热量快速传递到散热器上，从而实现对电池的冷却。相变材料散热器是动力电池相变材料散热技术的核心部件之一，它主要由相变材料、翅片、风扇等组成。

相片材料冷却技术优点是高效节能、可靠性高、适用范围广、维护成本低。高效节能：相变材料冷却技术能够将电池产生的热量快速传递出去，避免了能量的浪费，提高了能源利用效率；可靠性高：相变材料冷却技术采用稳定的相变材料，具有较高的稳定性和可靠性，能够长期稳定运行；适用范围广：相变材料冷却技术适用于各种类型的电池系统，包括锂离子电池、铅酸电池等；维护成本低：相变材料冷却技术结构简单，维护成本较低，可以长期稳定运行。

相片材料冷却技术缺点是体积较大、成本较高、温度范围受限等。体积较大：由于相变材料需要占用一定的空间，因此相对于传统的风冷方式，相变材料冷却技术需要更大的安装空间；成本较高：相变材料冷却技术的制造成本相对较高，需要使用高质量的材料和工艺来保证其性能和寿命；温度范围受限：相变材料的温度范围较窄，只能在一定范围内进行散热，不能适应所有工况下的需求。

4 结论与展望

综上所述，对流散热技术、风冷散热技术、液冷散热技术、热管冷却散热技术和相变材料冷却散热技术是目前主流的五种新能源汽车动力电池散热技术。其中液冷散热技术具有传热效率高、散热效果好等优点；风冷散热技术具有结构简单、成本低廉等优点；对流散热技术具有传热效率高、稳定性好等优点；热管冷却散热技术有高效节能、可靠性高、适用范围广、维护成本低等优点；在未来的发展中，应该根据不同车型和使用环境的需求选择合适的散热技术方案，并且不断优化和完善现有的散热技术，以提高新能源汽车动力电池的性能和可靠性。

基金项目：2022年广西教育厅中青年教师科研基础能力提升项目：基于ANSYS动力电池的水冷散热器仿真分析与优化（2022KY1229）；2021年广西生态工程职业技术学院校级课题：基于小型森林越野车的前悬架仿真研究与优化（2021KY06）。

参考文献：

[1]陈佚，朱成，刘頔.浅谈新能源汽车动力电池冷却技术[J].时代汽车，2021（08）：83-84.

[2]谢鹏.新能源汽车动力电池的散热方法研究[J].农机使用与维修，2021，（11）：44-45.

[3]丁玉章. 新能源汽车动力电池包液冷散热特性仿真研究[D].重庆交通大学，2018.

[4]王酉方.新能源汽车动力电池散热管理系统优化设计研究[J].南方农机，2020，51（24）：170-173.

[5]董志辉.新能源汽车动力电池散热管理系统优化探讨[J].内燃机与配件，2022，（06）：188-190.

[6]郭绍杰.新能源汽车动力电池散热方式及散热问题的热管理解决方案[J].节能，2022，41（05）：86-88.