新能源电池散热技术研究

2024-10-08孙悦贾明正李雪珂王宁

时代汽车 2024年18期

摘要：在新能源汽车的不断发展中，电池的使用寿命，续航能力，动力性能以及安全性逐渐成为人们关注的重点，而影响上述因素的主要原因在于电池在运行过程中会集聚大量的热量，从而降低电池的性能，影响电池功率，严重时会导致热失控，因此如何有效地对电池系统进行热管理成为新能源汽车发展的重要环节。文章首先对目前市场上常见的电池类型进行介绍，并就电池散热技术发展现状进行探讨，而后详细分析了几种典型的电池散热技术，剖析了他们的优缺点及适用场景。最后对新能源汽车动力电池散热技术的发展提出了一定的建议。

关键词：新能源电池散热技术热管理系统

0 引言

随着工业的不断发展，能源问题逐渐引起了人们的注意，汽车行业作为工业化的代表，其发展备受关注。近年来新能源汽车研发不断取得突破性进展，以结构简单，清洁无污染，能源利用率高等优点，逐步占领市场。目前市场上的新能源车主要分为混合动力汽车（HEV）、燃料电池汽车（FEV）和电动汽车（EV）[1]。混合动力汽车发展最早，在结构上保留了内燃机，增加了燃料电池或动力电池系统，使其能够通过电池驱动电机运行。混合动力汽车技术路线比较成熟，性能相对完善，满足了新能源汽车的需求，符合国家标准，应用较为广泛。燃料电池汽车通过化学反应来提供动力，其中包含催化剂的影响，将电能转化为机械能使汽车运行，但由于采用的氢气等燃料存在储存和运输的安全性问题，还需要进一步发展研究。电动汽车驱动汽车行驶仅依靠动力电池来带动电机运转，无内燃机结构相对简单，对环境无污染、能量利用率也较高，是目前汽车发展的主要趋势。

目前影响新能源汽车发展的主要因素体现在电池的动力性和安全性上，电池在运行过程中会产生大量的热量积聚在汽车内部，如果不及时散热会降低电池的性能，影响电池的寿命，严重时会导致热失控产生无法挽回的后果。因此如何有效地对电池进行热管理是新能源汽车发展的关键环节[2]。

1 电池类型及发展

对于新能源汽车而言，电池的性能至关重要，不仅表现在电池的价格，使用寿命，续航能力，动力性能上，电池的安全性也是需要重点考虑的因素。目前常见的动力电池分为四类：铅酸蓄电池、镍氢电池、燃料电池和锂离子电池[3]。

1.1 铅酸蓄电池

铅酸电池出现时间较早，大约有150年的历史，理论研究方面达到了非常成熟的水平，在各个领域运用广泛。在充放电时实现化学能与电能之间的转换，从而为汽车提供能量。铅酸电池发展较早，其技术相对成熟，具有价格低、维护方便，可靠性强等优点，但也有着寿命短、能量低、污染严重等问题，目前在汽车的应用主要是发动机启动、向用电设备供电等方面。

1.2 镍氢电池

镍氢电池作为20世纪80年代出现的一种碱性电池，在充电时氢氧化镍在氢氧化钾溶液中通过电化学反应生成氢氧化氧镍和氢气，在放电情况下又转化为氢氧化镍。相比铅酸电池，其使用寿命长、清洁无污染，但存在比能量低、材料成本较高、高温充放电性能差等问题，目前在混合动力汽车上应用较多。

1.3 燃料电池

燃料电池一种将燃料与氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，具有较好的经济性和环保性，其正负极在电解液中通过氢氧化学反应产生电能，从而带动电机运作，实现汽车的行驶。燃料电池的优点是能量效率高、无污染、噪音小等，缺点是使用寿命短、成本高、充放电电流受限等，目前燃料电池技术仍处于不断发展阶段。

1.4 锂离子电池

锂离子电池在生活中应用广泛，作为车用动力电池时，采用石墨类碳材料作为负极，锂过渡金属氧化物为正极，在含锂盐电解液中进行化学反应。锂离子电池的比能量高，在放电过程中不会造成环境污染，其综合性能较好，但锂离子电池的缺点是一致性较差、低温性能不良、管理系统复杂，且电池组管理的各种设备也增加了其使用成本，作为目前相对性能最优的电池，锂离子电池广泛应用在各方面，对其研究也在不断推进[4]。

2 电池散热技术发展现状

随着汽车技术的不断进步，动力电池也在不断的发展。以锂离子电池为例，根据性能特性与其他电池相比，锂离子电池在新能源汽车市场中应用更为广泛。但它的性能会受到环境温度的制约。锂离子电池的最佳工作温度在20℃至40℃的之间。一旦超出范围，无论是高温还是低温环境，都可能导致电池内部温度分布不均，影响循环寿命[5]。

在锂离子电池的充放电循环过程中，其内部会发生复杂的电化学反应从而使得部分化学能被转化为热能，这一过程导致内阻变化，且该变化又反馈作用于热量的产生机制，造成电池内部不同区域温度分布显著不均，进而显著削弱电池的整体性能。此外，充放电期间还伴随着热量的大量累积，若散热机制效率不足，无法迅速有效地降低电池组的温度，还可能触发热失控的潜在风险，甚至发生电池自燃的严重后果。构建高效的电池热管理系统，实现对电池组的有效冷却，这是保障电池性能与安全的重要措施。

电池热管理系统要实现对电池温度的监测，避免局部过热现象，设计合理的散热机制，增强电池组的安全性，保障其工作性能的稳定性与可靠性。研发高效稳定、快速响应的电池热管理系统对于推动新能源汽车的发展具有重要意义。

3 电池系统冷却方式

新能源汽车电池散热是一个复杂且关键的过程，要确保电池在工作时能够保持适宜的温度，以提高其性能，延长使用寿命及提高安全性。其散热方式主要以热传导为主，电池工作过程中会产生的热量通过电池内部的导热材料和电池外壳，以热传导的方式向外界环境传递。新能源汽车电池的散热方式有很多种，总体上可以分为被动散热和主动散热两类。被动散热主要依靠电池内部材料，电池外壳与外部环境之间的换热实现冷却效果。主动散热包括风冷、液冷、相变材料冷却和热管冷却等多种方式，主要通过外部设备和特殊材料进行散热[6]。

3.1 风冷散热方式

风冷也称空气冷却，作为新能源汽车电池组的一种散热方式，即具有其独特的优势也存在一定的局限性。作为最早的冷却方式之一，风冷技术已经过长时间的优化，具有较高的可靠性和稳定性。风冷系统不涉及复杂的液体循环或相变过程，因此故障率较低，维护容易。风冷系统相对简单，主要依赖空气的自然对流或强制对流来散热，因此成本较低，适合大规模应用。但与液冷、相变材料冷却等散热方式相比，风冷的散热效率较低。在高功率放电或极端环境条件下，可能无法满足电池组的散热需求，同时风冷受环境温度、湿度和风速等外界条件影响较大，在高温环境下，风冷系统的散热能力会显著下降。

串行通风方式中，冷却空气依次流经电池单体带出热量，这种方式的优点是结构简单，成本较低。然而空气流经电池单体时其温度会逐渐升高，导致对后续电池单体的冷却效果减弱。因此串行通风方式适用于电池组容量较小、发热量不高的场景。并行通风方式中，从进风口进入电池箱的冷却风同时流经所有的电池单体，将热量从出风口排出，确保了每个电池单体都能得到相对均匀的冷却。这种方式的优点在于散热效率高、散热均匀性好，同时由于空气流量分配相对均匀，也可以避免电池单体之间出现较大的温差。因此并行通风方式适用于电池组容量较大、发热量较高的场景[7]。

被动式的冷却方式主要是自然对流冷却，自然对流冷却主要依靠电池组与周围环境的温度差引起的空气自然流动来实现热量的传递和散发。这种方式结构简单，成本低廉，但散热效果受环境影响较大，不适用于高倍率放电场景。主动风冷方式又叫强制风冷，通过加装风扇或利用蒸发器等方式，人为地增加空气流动速度或降低冷却风的温度，增强散热效果。这种方式换热效果好，但成本较高，维护难度大，适用于高功率、高发热量、对散热要求高的场景[8]。

3.2 液冷散热方式

液冷冷却方式相比空气冷却方式的冷却效果更好，其依靠传热介质的持续循环流动，以实现高效的热量传递。传热介质可分为直接接触式与非直接接触式。前者涵盖了诸如矿物油之类的介质，它们能够直接与热源接触以吸收并转移热量；而后者则包括水和专用冷却液等，它们通过热交换器高效地将热量带走。

液冷冷却系统是目前汽车领域上应用较为广泛的一种冷却方式，冷却液种类较多，一般液体相较于气体对流换热系数要大很多，因而在散热过程中能够更有效地转移热量。因此液冷系统即便在高速率的充放电循环下，也能维持电池组内部的温度均衡性，满足较高的散热需求。但液冷系统电池组内部管路布局设计复杂，增加了整体成本[9]。此外，液冷系统对管道密封性的要求也很高，任何微小的泄漏都可能削弱冷却效果，对于直接接触式，还可能加剧温度分布的不均匀性，影响电池性能与寿命。

3.3 相变材料冷却散热方式

相变材料实际上就是传热介质，在电池组中通过附着于电池表面与电池组合成一体。当电池在充放电过程中温度逐渐升高到接近其相变温度时，相变材料会吸收热量，实现从固态到液态的物理相态转变过程，这一转变有效地缓解了电池表面的温度上升，实现了温度的调控[10]。

作为一种被动式的冷却方式，相变材料在电池放电阶过程中能够有效吸收热量并储存能量，同时，在环境温度偏低时，它还能释放储存的热能来提升电池温度，从而保障汽车冷启动的性能。相变材料在相态转换过程中的延时储能与能量释放的特性，对于维持电池组内温度的均衡行也起到了至关重要的作用，确保了系统运行的稳定性。石墨作为一种典型相变材料，因其相变条件要求不高及成本低廉，在电池热管理系统中应用较为广泛。该冷却方式在提升电池温度分布均匀性方面表现突出。但部分相变材料的低导热率特性也会影响热量的传递，并且相变材料的储能容量有限，当热量累积至无法及时排出时，可能引发材料物理性质的变化，进而导致冷却系统效能下降。因此相变材料更适宜于适当温度条件下的冷却，不适用于长时间高倍率充放电且温度较高的情况下。为了克服上述局限，国内外研究者普遍采取的方法是在相变材料中掺入金属粉末，来提升材料的传热效率，加快电池与相变材料间的热量传递，进一步优化冷却效果，确保电池系统的高效稳定运行。

3.4 热管冷却散热方式

热管是一种高效传热元件，主要通过热传导与相变材料快速传热的方式实现对温度的调控，它具有优异的温度调控性能，并且导热能力较强。热管由管壳、吸液芯和端盖组成，两端分别为蒸发端和冷凝端。蒸发端内，管内液体受热蒸发吸收热源释放的热量；以蒸汽的形式流至冷凝端，在冷凝端凝结为液态，此过程释放的热量被外部环境吸收。在压力的驱动下，冷凝后的液体流回蒸发端，形成一个热量吸收与释放的循环过程，有效的降低了热源温度[11]。热管的传热能力强且热量传递过程可循环，在工业领域中应用广泛，但其在成本控制及结构优化，材料选取等方面仍需要进一步研究。

车辆中采用的空调液冷系统设计方案可分为独立式和集成式。独立式液冷机组专门用于电池组的散热。集成式液冷系统则创新性地融合了乘客舱空调与电池冷却模块，通过在传统车辆空调系统中增设并联的电池冷却环路来实现冷却效果，将电池中积聚的热量排至外部环境。

4 结论

新能源汽车电池的散热对于保障电池的性能、安全性和循环寿命至关重要。过高或过低的温度都会影响电池的循环寿命和性能。目前，最常见的动力电池冷却方式主要有四种：风冷、液冷、相变材料冷却和热管冷却。根据不同冷却方式的换热系数，发现液冷方式相较于其他方式冷却效果更好。我国在电池热管理系统上有了技术提升，从早期的自然冷却方法逐步转型至更为高效的液冷方式。根据现有的热管理方案发现单一冷却方式的温度调控效果不太理想，复合式热管理技术的应用更为高效。新型热管理系统的研发目标应取代单一的高温冷却功能，在电池处于低温环境时实现一定的温度提升，从而确保电池温度保持在适宜范围内。

基金项目：工程热力学教学资源库项目（HHJTXY-2022kczyk051）；工程热力学一流课程项目（HHJTXY-2023ylkc19）。

参考文献：

[1]王晓娟.中国新能源汽车的发展现状及未来展望[J].时代汽车，2022，No.376（04）：107-108.

[2]张静静.新能源汽车锂电池热管理仿真分析[D].天津大学[2024-07-11].DOI：CNKI：CDMD：

2.1018.061934.

[3]王小林.新能源汽车动力电池安全问题分析及解决策略[J].时代汽车，2023（24）：112-114.

[4]朱志贤.锂离子电池热效应分析及散热优化设计[D].北京交通大学[2024-07-11].

[5]陈旭斌.商用新能源汽车电池热管理系统运用[J].当代化工研究，2022（20）：3.

[6]韩耀夫.新能源汽车电池冷却系统研究[J].时代汽车，2023（24）：109-111.

[7]吴圣红，余理，赵陈磊.新能源汽车电池热管理技术探讨[J].南方农机，2024，55（4）：155-158.

[8]林爱桢.电动汽车电池组风冷结构设计及优化研究[J].[2024-07-11].

[9]张辉亮，肖佳伟，张潆月，等.液冷储能电池冷却系统的研究[J].电工技术，2023（16）：74-77.