新能源汽車動力電池冷卻技術(shù)分析

趙沖　王有鏜　鄭斌　田鑫

摘要：新能源電動汽車的使用效率很大程度上依賴于其所配套的電池組工作性能，而電池組的工作性能、安全性能和使用壽命又非常依賴于電池組配套的冷卻系統(tǒng)。本文綜述了空冷、液冷、熱管冷卻、相變材料冷卻這四種經(jīng)典電池冷卻技術(shù)的研究進展。分析四種冷卻技術(shù)的特點、使用領(lǐng)域、研究方向、模擬評測結(jié)果等。

關(guān)鍵詞：電池組;空氣;液體;熱管;相變材料;冷卻

0 ?引言

傳統(tǒng)汽車在使用過程中消耗所能量來源于石油資源加工產(chǎn)生的汽油、柴油等碳氫化合物。而我國的原油資源稟賦低，隨著國民經(jīng)濟水平不斷提高，我國的汽車使用量逐年增加，我國原油對外依存度越來越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，截至到2018年，我國原油進口依賴度已經(jīng)達到了72%，不僅消耗了大量的國際貿(mào)易貨幣還嚴(yán)重威脅到了我國能源戰(zhàn)略安全。此外，傳統(tǒng)汽車發(fā)動機在燃燒汽油、柴油過程中，會產(chǎn)生例如微米級固體顆粒、氮氧化合物、硫氧化合物等污染性廢棄物，是酸雨環(huán)境污染和霧霾的重要產(chǎn)生因素。因此，基于國家能源戰(zhàn)略和環(huán)境保護兩大重要背景下，我國政府大力支持企業(yè)開發(fā)新能源汽車，以緩解上述問題所帶來的壓力。新能源汽車使用過程中使用的能量來源于電能，由汽車配置的電池組提供。目前，能夠使用汽車大功率、大容量、大能量密度、循環(huán)性能好的電池組主要以鋰電池為主，目前處于研究階段的除了更高性能的鋰電池外，包括氫鎳電池、燃料電池等。

汽車電池組在充放電過程中不僅有電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠嚈C械能的形式，還伴隨著電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿男问?，如果產(chǎn)生的熱量沒有得到合理的釋放，而是聚集在汽車電池組的內(nèi)部或者周圍，則會導(dǎo)致電池組的溫度升高，對電池的使用性能、壽命和安全性都會造成影響。此外，在溫度極端的天氣環(huán)境下，環(huán)境溫度和電池工作溫度差異很大，也會導(dǎo)致電池工作性能的衰減。因此，汽車電池組熱管理模型是調(diào)節(jié)電池組熱量傳遞、熱量擴散等重要因素，是決定新能源汽車使用性能的重要模塊。因此，本文從汽車動力電池?zé)峁芾砟K中的冷卻技術(shù)入手，分析四種經(jīng)典的冷卻技術(shù)的研究進展。

1 ?汽車電池組冷卻技術(shù)研究

1.1 空氣冷卻電池技術(shù)

空氣冷卻技術(shù)使用空氣作為冷卻介質(zhì)，利用熱傳遞中的對流熱交換模式實現(xiàn)電池組工作溫度的降低。空氣冷卻技術(shù)結(jié)構(gòu)具有設(shè)備簡單、設(shè)備后期維護方便、制造成本低的特點，在新能源汽車的動力電池和電子設(shè)備電池中都可以應(yīng)用。但是空氣冷卻技術(shù)劣勢也很明顯，受到空氣比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)性質(zhì)的限制，空氣冷卻技術(shù)對電池組的冷卻效率較低。

當(dāng)前關(guān)于汽車動力電池空氣冷卻技術(shù)的開發(fā)主要集中在空氣體積流量、電池空間規(guī)劃和流道等幾個方向。范德亮等人利用流體力學(xué)仿真軟件分析了電池間距對電池組工作溫度對影響，發(fā)現(xiàn)電池組中電池距離的增加會提高溫度，但是電池組中集熱情況變?nèi)?，電池組的溫度分布更加均勻。Ahmad等人分析了兩種空氣冷卻流動方式（如圖1所示），對比空氣從電池一側(cè)流入從另一側(cè)流出和空氣從電池底部流入從頂部流入兩種冷卻空氣流動路徑，發(fā)現(xiàn)第二種的冷卻效率更高。相同空氣流量下，第二種冷卻方式下的電池組工作溫度降低幅度是第一種的兩倍。

AHMAD A P等人為了解決空氣冷卻效率不足的問題，提出了一種主動冷卻管理技術(shù)：首先通過冷卻裝置對空氣進行冷卻，降低空氣介質(zhì)溫度，提高空氣與電池組的溫差，進而有效的控制電池組工作溫度。

1.2 液體冷卻電池技術(shù)

顧名思義，液體冷卻技術(shù)使用的冷卻介質(zhì)為液相物質(zhì)，通常選用乙二醇、水、制冷劑、乙二醇/水混合溶液等物質(zhì)。相較于空氣，液體冷卻介質(zhì)具有比熱容大、換熱系數(shù)的高的特點，有效的彌補了空氣冷卻效率低的技術(shù)不足。根據(jù)接觸方式的不同，液體冷卻技術(shù)可以分為直接冷卻方式和間接冷卻方式。直接冷卻方式將電池模塊完全浸沒在絕緣的冷卻液體當(dāng)中，冷卻液體與電池組直接接觸。間接冷卻方式在電池組之間設(shè)置冷卻盤管或者冷板，冷卻液體在其中流通，利用對流傳熱、制冷等方式降低電池組工作溫度，液體不與電池接觸。

當(dāng)前關(guān)于汽車動力電池液體冷卻技術(shù)的開發(fā)主要集中在冷卻劑組成優(yōu)化、冷板或者盤管通道優(yōu)化、液體流量優(yōu)化等方向。安州建等人對比了3M公司的氫氟醚工質(zhì)電子冷卻介質(zhì)NOVEC 7000與傳統(tǒng)的乙二醇冷卻介質(zhì)對汽車動力電池冷卻效率，結(jié)果表明，使用的新型電子冷卻介質(zhì)NOVEC 7000利用對流傳熱和介質(zhì)相變吸熱的冷卻方式可以保證電池組工作溫度穩(wěn)定的維持在35℃左右，而使用乙二醇作為冷卻介質(zhì)時，經(jīng)過多次介質(zhì)循環(huán)，電池組工作溫度成逐漸上升趨勢。這說明，一方面電子冷卻介質(zhì)NOVEC 7000冷卻效率更高，另一方面電子冷卻介質(zhì)NOVEC 7000使用壽命更長，性質(zhì)更加穩(wěn)定。

目前液體冷卻技術(shù)的缺陷主要為以下幾點：

①直接接觸冷卻方式使用的液體為不導(dǎo)電液體，安全性能好，但是液體的黏度通常很大，需要較大的動力，增加工作負(fù)荷;

②間接冷卻方式，液體與電池之間存在金屬管道，有一定的能量損耗;

③間接冷卻方式使用的液體導(dǎo)電，一旦發(fā)生泄露則會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故;

④相較于空氣冷卻技術(shù)，液體冷卻系統(tǒng)需要復(fù)雜的管道、流量泵、制冷設(shè)備，系統(tǒng)可靠性指數(shù)低。

1.3 熱管冷卻電池技術(shù)

熱管冷卻技術(shù)使用一種密封良好的空心管設(shè)備，空心管內(nèi)充滿相變工質(zhì)，兩端分別設(shè)置蒸發(fā)器和冷凝器。工作時，蒸發(fā)器吸收電池組熱量將處于空心管毛細芯內(nèi)的液體工質(zhì)汽化為氣體，氣體在壓力勢能的作用下流向冷凝器。氣體向冷凝器釋放出熱量又重新相變?yōu)橐后w，根據(jù)毛細作用原理，液體工質(zhì)有重新回流到蒸發(fā)器區(qū)域進行循環(huán)蒸發(fā)。

當(dāng)前關(guān)于汽車動力電池?zé)峁芾鋮s技術(shù)的開發(fā)主要集中在冷卻性能模擬評價、蒸發(fā)器冷凝器設(shè)備優(yōu)化、數(shù)學(xué)模型搭建等方向。TRAN通過小試實驗平臺模擬了單管型熱管對汽車鋰電池組的冷卻效果，結(jié)果表明使用低流量冷卻空氣對單管型熱管的冷凝器冷卻即可實現(xiàn)電池組工作溫度的控制。趙振志等人研究了熱管冷凝端長度和噴霧頻率對冷卻效率的影響，結(jié)果表明當(dāng)電池組出現(xiàn)突發(fā)劇烈升溫情況時，通過提高冷凝端長度和提高噴霧頻率可以快速的降低電池組工作溫度。李國茂等人以鎳氫電池組為冷卻對象，對比了熱管冷卻方式、液體冷卻方式和強制對流空氣冷卻方式對鎳氫電池組冷卻性能。結(jié)果表明，三種冷卻性能由大到小依次為熱管冷卻、液體冷卻和強制對流空氣冷卻。熱管冷卻模式下的鎳氫電池組工作溫度可以長時間保持在最佳工作溫度區(qū)間內(nèi)，且電池組內(nèi)的各個電池模塊之間溫差小。

1.4 相變材料冷卻電池技術(shù)

相變材料實現(xiàn)電池組工作溫度的降低是基于相變吸熱的原理，其具有材料無毒無害、熱穩(wěn)定性好、成本低、使用方便的技術(shù)特點。相變材料冷卻模式不需要通道設(shè)備、電氣設(shè)備，因此系統(tǒng)安全性非常高。研究人員對比了空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻三種冷卻技術(shù)特點，發(fā)現(xiàn)相變材料冷卻技術(shù)的特點在于能夠保持整體電池組溫度均勻，避免電池組出現(xiàn)局部熱點的情況，而冷卻效率介于空氣冷卻和液體冷卻之間。目前應(yīng)用廣泛成熟的相變材料主要為脂肪烴蠟油、改性費脫蠟、水合鹽、有機酸化合物等。

李國威等人使用脂肪烴蠟油/泡沫銅作為相變材料，搭建電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，對汽車磷酸鐵鋰電池組進行模擬冷卻實驗。結(jié)果表明，搭建的這套冷卻系統(tǒng)比空氣冷卻系統(tǒng)、純石蠟相變冷卻系統(tǒng)效果更佳，表現(xiàn)在電池工作溫度降低幅度更大、電池組溫度分布更均勻。王磊星等人對比了脂肪烴石蠟/泡沫鋁相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)和冷卻效率，結(jié)果表明這種復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)是純脂肪烴石蠟的200多倍，實際冷卻效率可以提高45.6%。

2 ?結(jié)論

電池組冷卻技術(shù)在提高電池使用壽命、保障電池組工作安全、保證電池組工作效率的方面起到了重要作用。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電動汽車使用的電池組電容量、電池模塊數(shù)量逐漸增加，電池組工作時釋放出的熱量也增加，這對電池組冷卻技術(shù)的性能要求也越來越苛刻。本文，介紹了空氣冷卻技術(shù)、液體冷卻技術(shù)、熱管冷卻技術(shù)和相變材料冷卻技術(shù)四種冷卻模式，從研究分析和商業(yè)應(yīng)用情況來看，四種冷卻技術(shù)都有其各自技術(shù)特點和適用領(lǐng)域。一方面技術(shù)人員要不斷對冷卻技術(shù)升級提高使用性能，另一方面要探尋冷卻技術(shù)與電池組之間的內(nèi)在匹配性，尋找最佳的冷卻組合方式。

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作者簡介：趙沖（1994-），男，山東濟寧人，碩士研究生，就讀于山東理工大學(xué)，研究方向為新能源汽車動力電池?zé)峁芾?王有鏜（通訊作者）（1984-），男，山東淄博人，博士，研究方向為新能源汽車動力系統(tǒng)熱管理。