新能源汽车电池散热装置设计研究

摘 要：随着新能源汽车的不断推广，电池散热装置的研究与设计也在不断深入。新能源汽车的电池在工作过程中会产生大量的热量，降低电池的充放电效率、缩短电池的使用寿命，严重时还会引发安全隐患，因此设计高效的电池散热装置对于新能源汽车至关重要。现阶段已有的电池散热装置主要有风冷散热与液冷散热等方式，但在实际应用中都存在一定的局限性。基于此本研究综合考虑散热效率与可靠性等多方面因素，探究更优化的电池散热装置设计方案。

关键词：新能源汽车 电池 散热装置 设计方案

新能源汽车产业的蓬勃发展过程中也面临着电池散热的问题，由于电池在工作中会产生热量，如果散热不佳严重影响电池性能和寿命，损害汽车的正常驾驶。针对当前新能源电池散热装置的局限性，本研究提出了新型的新能源汽车电池散热装置设计方案。在本方案中巧妙结合了风冷与液冷的优势，既设有风扇进行风冷，又有由水泵、水箱、盘管构成的液冷系统。同时，为保障散热装置进风的清洁与稳定，设计了带有毛刷清洁结构的防尘网、锥形进风孔的第二固定板等部件。此外，本装置中对水箱盖进行了特殊设计，确保其密封性与空气交换性，设计散热翅片进一步增强散热效果。

1 温度对能源消耗的影响分析

在新能源汽车领域中，温度对电池的能源消耗有着显著的影响。高温环境首先会导致电池性能衰退，增加能源消耗。在高温环境下电池内部的化学反应速率会加快，以锂离子电池为例，在温度升高时电池电极材料的结构和性能会发生变化：正极材料会出现晶格膨胀、相变等现象，负极材料的固体电解质SEI膜也会遭到破坏。这种结构变化会导致电池内阻增大，在电池内部产生的热量也会增多，造成额外的能量损耗。同时，高温还会导致电池的自放电率明显提高。存储在电池中的电能会因为自放电现象而流失，自放电率的提高意味着电池可用于驱动汽车的有效电量减少，车主则需要更频繁地充电，进一步导致了整体能源消耗的增加。其次，加重散热系统负担与能耗关联。在高温下电池的散热装置需要消耗更多的能量来维持电池的工作温度，散热系统的功率与环境温度和电池温度差密切相关。风冷散热系统在环境温度较高时需要提高风扇的转速来增强空气对流，从而增加风扇的耗电量，而液冷散热系统则需要更大功率的水泵来驱动冷却液循环，从而消耗更多的电能。最后，增加电池管理系统能耗。在高温环境下，电池管理系统需要更频繁地进行数据采集、分析和控制操作。而电池管理系统本身也是一个耗能的系统，在高温环境下的额外操作需要消耗电能，从而对新能源汽车的能源消耗产生负面影响。

2 新能源汽车电池散热的基本理论

2.1 电池散热的基本方式

2.1.1 热传导散热方式

热传导是指热量通过直接接触的物质分子传递的方式，在新能源汽车电池中热传导主要发生在电池内部的电极、电解质以及电池外壳等部件之间。新能源汽车电池内部产生的热量会从电极反应区域通过电池的固体组件传导到外壳，热传导的速率取决于电池材料的热导率，如铝制等金属材料的电池外壳的热导率较高，能够有效地传导热量。

2.1.2 热对流散热方式

热对流是指流体与固体表面之间的热量传递过程，在新能源汽车电池散热中，风冷散热方式就是利用空气的热对流。热对流散热方式具体可分为自然对流和强制对流，其中自然对流依靠温度差引起的流体密度变化来驱动热量传递，例如电池周围的空气受热上升，冷空气补充进来带走热量。强制对流则是通过风扇等设备使流体加速流动，增强散热效果，热对流的散热效果与流体的流速、热容等因素密切相关。

2.1.3 热辐射散热方式

热辐射是指物体通过电磁波形式向外发射能量的过程，在新能源汽车电池散热中，电池表面会以热辐射的方式向周围环境散热。热辐射散热方式受到环境温度的影响较大，在常温下热辐射对电池散热的贡献相对较小，但在高温环境或者特定的散热设计下，设计者可以通过优化电池表面的辐射特性提高热辐射的散热效率。

2.2 电池散热的要求与性能指标

2.2.1 合适的工作温度范围

不同类型的新能源汽车电池适宜的工作温度范围各不相同，如锂电池的最佳工作温度范围在20℃-40℃之间。如果电池的温度过高会加速电池内部的化学反应速率，导致电池寿命缩短、性能下降，而温度过低则会严重影响电池的充放电性能，导致电池内阻增大，充放电容量降低。

2.2.2 温度均匀性要求

新能源汽车电池组由多个电池单体组成，在散热过程中，要确保电池组内各单体之间温度的均匀性。温度不均匀会导致电池单体之间的性能差异增大，影响电池组的整体性能和寿命。如果新能源汽车电池组局部过热会导致电池单体加速老化，影响整个电池组的能量输出和安全性。

2.2.3 散热效率指标

散热效率是衡量电池散热装置性能的重要指标，反映了散热装置在单位时间内能够带走电池产生热量的能力。散热效率与散热方式、散热装置的结构设计、散热介质等因素有关。散热效率越高，电池在高功率充放电过程中保持较低温度的能力越强，借此可以延长电池的使用寿命，提高电池的性能稳定性。

3 现有新能源汽车电池散热装置的类型与分析

3.1 风冷散热装置

风冷散热装置主要由风扇和散热风道构成，借助风扇促使空气流动，空气流经电池表面，通过热对流将电池热量带走。风冷散热装置的成本较低，不需要复杂的辅助设备和特殊材料，整个装置结构简单，易于安装和维护。但风冷散热装置的散热效率相对较低，难以满足高功率电池散热需求。在早期的新能源汽车中，由于电池功率较小且对成本控制较为严格的原因大多采用风冷散热，在正常城市工况下能够满足散热需求。

3.2 液冷散热装置

液冷散热装置包含冷却液循环系统，有冷却液储存罐、泵、管道和散热器等部件。冷却液在泵的作用下在管道中循环，流经电池时吸收热量，然后在散热器中释放热量。液冷散热装置的散热效率较高，温度均匀性好，可缩小汽车电池组各部分温度差异。液冷散热装置的系统涉及多个部件，综合成本较高，同时液冷散热装置也存在漏液风险，一旦漏液可能会损坏电池。

3.3 热管散热装置

热管散热装置的热管内部有工作介质，蒸发段在电池高温区吸收热量并工作介质蒸发，蒸汽流向冷凝段，释放热量后冷凝回流。热管散热装置具有高效的热传导能力，能够快速将热量从高温区传导到低温区。但热管散热装置的制造工艺要求相对较高，综合成本也相对较高。

4 新能源汽车电池散热装置设计方案

本研究技术方案：新能源汽车电池的散热装置，包括壳体，壳体的一侧安装有框架，框架的内部安装有防尘网，防尘网上安装有扇叶，扇叶的一侧安装有毛刷，且毛刷与防尘网相连不相接，壳体的内部安装有第一固定板，第一固定板的底部安装有温度传感器，温度传感器与PLC板相连接，PLC板上连接有风扇和水泵，风扇和水泵分别安装于壳体的内部和外部，壳体的外部固定连接有水箱，水箱的内部插接有抽水管，抽水管与水泵相连通，水泵的出水端连通有盘管，盘管安装于壳体的内部，第一固定板上开设有出风孔，壳体上安装有散热翅片。水箱的顶部螺纹连接有水箱盖，水箱盖的内部安装有密封垫。水箱盖上开设有进气孔，进气孔的内部安装有呼吸纸。壳体上靠近防尘网的一侧安装有第二固定板，第二固定板上开设有锥形进风孔。框架的四周均开设有排尘孔。散热翅片最少设置有四组，且每组散热翅片不少于四组。

新能源汽车电池散热装置技术效果和优点：在设计的新能源汽车的电池散热装置中，于壳体一侧安装防尘网，可以有效防止外界灰尘进入壳体内部，成为保护电池的第一道防线。在防尘网上安装扇叶，在汽车行驶时，自然风能够吹入壳体内部，形成自然风冷，带走电池散发的热量，确保电池处于适宜的工作温度范围。由于在行车过程中，防尘网容易吸附灰尘，灰尘积累过多会堵塞网孔，阻碍自然风进入，影响散热效率，本设计在扇叶上安装了毛刷，随着自然风带动扇叶转动毛刷会自动对防尘网进行清扫，这种设计不仅利用自然风实现了电池散热，还通过巧妙的联动装置保持了防尘网的清洁，有效提高了壳体的防尘效果，从而保障了散热系统的长期稳定运行。

本设计方案在壳体底部安装了温度传感器、PLC 板和风扇等组件，形成了一套高效的散热控制系统。在汽车停止运动时，温度传感器实时监测电池温度，将数据传输给 PLC 板。一旦电池温度超出正常范围，PLC板便会控制启动风扇和水泵。风扇对电池进行风冷散热，同时水泵将水箱中的水抽入盘管，盘管吸收电池热量并带出热量，实现液冷散热。这种风冷与液冷相结合的方式能快速有效地降低电池温度。当电池温度降低到正常温度时，PLC 板又能精准控制风扇和水泵停止运行，既避免了能源浪费，又很好地提高了电池的散热效果，延长电池使用寿命。

5 新能源汽车电池散热装置结构与工作原理

下面将结合本装置结构示意如图1-4所示，对新能源汽车电池散热装置的技术方案进行清楚、完整地描述。

将汽车电池安装在壳体中，将壳体安装在汽车的引擎盖中，使得在行车的时候，自然风可以吹入到壳体中，对电池进行散热，壳体的一侧安装有框架，框架的内部安装有防尘网，该防尘网设置有两组，提高了壳体的防尘效果，同时可以防止水进入到壳体中，防尘网上安装有扇叶，扇叶的一侧安装有毛刷，且毛刷与防尘网相连不相接，壳体的内部安装有第一固定板，该第一固定板用来安装电池，将电池与风扇、温度传感器和PLC板隔开，第一固定板的底部安装有温度传感器，温度传感器与PLC板相连接，PLC板上连接有风扇和水泵，风扇和水泵分别安装于壳体的内部和外部，壳体的外部固定连接有水箱，该水箱安装在壳体的外部，有利于水箱中水的散热，不会影响到壳体内部的散热，水箱的内部插接有抽水管，抽水管与水泵相连通，水泵的出水端连通有盘管，盘管安装于壳体的内部，第一固定板上开设有出风孔，壳体上安装有散热翅片，该散热翅片有利于提高壳体中电池的散热效率。

水箱的顶部螺纹连接有水箱盖，水箱盖的内部安装有密封垫。该水箱盖便于向水箱中添加冷却水，密封垫提高水箱的密封效果。水箱盖上开设有进气孔，进气孔的内部安装有呼吸纸。该进气孔有利于外界的空气进入水箱中，保证水泵的正常工作，呼吸纸可以防止冷却水泄漏，同时方式灰尘进入到水箱中。壳体上靠近防尘网的一侧安装有第二固定板，第二固定板上开设有锥形进风孔。该第二固定板上的锥形进风孔可以使得自然风进入到壳体中的时候，形成一种冲击力，提高了自然风的利用率，同时可以防止水进入到壳体中。框架的四周均开设有排尘孔。在毛刷将防尘网上的灰尘刮落之后，受自然风的吹力从该排尘孔中排出。散热翅片最少设置有四组，且每组散热翅片不少于四组。该散热翅片利于提高壳体的散热效果。

6 结语

本研究设计的新能源汽车电池的散热装置，能有效解决新能源车辆在行车及充放电时的散热问题。行车时自然风吹进壳体中，对壳体中的电池进行散热。在汽车停止运动的时候，PLC板控制风扇和水泵运行，风扇对电池进行散热，同时水泵将水箱中的水抽入到盘管中，将电池的热量带出，解决了电池在充放电过程产生大量热量的问题。

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