電池模組及其冷卻方法研究

摘要：電池模組是由多個電池模塊連接而成的，在實際應用中會產生大量的熱量導致電池的溫度上升，溫度過高會直接降低電池的性能。文章以電池模組冷卻為研究對象，對一種冷卻效果好、結構穩定性高的電池模組進行探究，根據研究，該散熱裝置的散熱效果較好，能夠有效滿足實際應用需求。

關鍵詞：鋰電池；電池模組；散熱裝置；冷卻方法；能源消耗 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM911 文章編號：1009-2374（2017）11-0060-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.031

眾所周知，能源是國民經濟的重要組成部分，而目前推動經濟發展最多的還是石油資源。21世紀以來，隨著全球能源消耗的不斷加大，隨之帶來的環境污染問題也愈發嚴重。汽車尾氣排放超標已成為城市空氣污染的一個重要因素，如果不解決石油資源等不可再生能源的快速消耗和控制汽車尾氣的排放，將會直接危害人類的生存空間和身心健康。不斷研究和開發新技術降低能源消耗是解決以上問題的關鍵，電動汽車就是新能源概念下的產物，用電能取代燃料成為能量源，為汽車提供驅動力。隨著我國對新能源汽車的各類補貼政策的推動，新能源汽車（混合動力、純電動、燃料電池等）得以快速發展。鋰電池作為純電動汽車的主要動力元件，直接決定著車輛的使用和整體性能。

1 鋰電池模組冷卻的必要性

鋰電池模組是由若干個鋰電池串并聯后組裝而成的，在電動汽車的應用中，電池處于隨時充放電的狀態，而充放電又是典型的電化學過程，在電池充放電過程中，電池組內溫度可能達60℃以上。在電動汽車長時間運行過程中，若干個電池模塊的熱量則會聚集，如不及時對電池模組進行散熱冷卻，則會對電池的性能、使用壽命以及使用的安全性產生影響。根據文獻及研究分析，鋰電池衰減機理表明鋰離子電池在40℃的環境下工作與常溫下工作時的壽命基本一致，但在超過45℃以上的溫度下，隨著工作溫度升高，鋰電池初始容量會不斷衰減，當工作達到55℃時，電池容量就只有初始容量的70%。因此鋰電池理想工作溫度為20℃～40℃，如果需要鋰電池在恒定的溫度下工作，必須構建完善的冷卻系統。目前，針對電池冷卻也有多種方式，但是電池冷卻受技術影響，仍會出現各種不穩定問題。同時由于車輛行駛地域環境跨度較廣，電池需適應各種惡劣環境的考驗，這就使得研究電池冷卻系統具有十分重要的現實意義。

2 鋰電池冷卻方式研究

由于鋰離子電池對工作溫度很敏感，其使用壽命主要受工作溫度影響，汽車行駛過程中，隨著不斷的充放電，電池內部產生的熱量需要及時散發出去，使電池始終處于理想溫度的工作狀態。但同一類型、規格的電池在電壓、內阻、容量等方面的參數值存在差別，使其在電動汽車上使用時，性能指標往往達不到單體電池的原有水平。在電池運行過程中，不能忽略電池溫度均勻性，由于電池的溫度是不一樣的，因此必須關注任意兩個電池的溫差，同時還應該提高散熱效果，具體包括設計風道、提升冷卻板的接觸導熱能力等。通過應用電池模組冷卻熱管理，可以有效起到很好的冷卻效果。目前，電動汽車動力領域鋰電池模組冷卻方式主要有以下三種：

2.1 風冷

風冷的結構簡單、安全，維護方便，成本也較低，是目前電池模組采用最多的散熱方式。它分為自然對流和強制對流兩種冷卻方式，電動汽車多采用強制對流流冷卻，通過風扇或壓縮空氣對電池散熱。但是空氣與電池表面熱交換系數低、熱量散出慢，且電池模組無法密封，防水、防塵效果差，也很難保證電池模組內單體電池之間的溫度一致。

2.2 液體冷卻

液體冷卻是指采用高導熱率、電絕緣的液體和電池進行直接或間接接觸，使熱量被流動的液體帶走。制冷液體由于導熱率高可以快速的使電池降溫，并能保持單體電池之間溫度的一致性，但制冷液都存在黏度大的特點，限制了流動的速度，導致換熱效果也不夠好（如表1所示）。

2.3 相變材料冷卻

相變材料是指隨著外界溫度變化，其物理狀態發生改變并提供熱量的物質，利用工質的相變潛熱使電池溫度維持在一定范圍內。它可以在很大程度上控制溫度的上下限，滿足鋰電池20℃～40℃理想工作溫度要求，并且使電池模組內各單體電池溫度一致，冷卻效果好，但成本較高，目前技術也還不夠成熟，正處于發展階段。

3 電池模組冷卻方案設計

電池模組由電池陣列、散熱片、冷卻管和殼體四個部分組成。電池陣列1包括若干單體電池。電池采用圓柱形電池，若干電池在電池陣列1中呈錯列布置。散熱片2穿插于電池陣列1中，冷卻管3設置于電池陣列1兩側，其內部通入制冷劑。如圖1所示，散熱片2迂回的穿插于電池陣列1中，并穿出電池陣列1固定于冷卻管3上。散熱片2采用迂回的穿插方式，有利于增加散熱片2與電池11的接觸面積，從而增加電池模組的換熱面積，能有效地將單體電池的熱量導出。

3.1 電池

電池陣列1包括兩個相鄰設置的第一電池11和第二電池12，散熱片2包括兩個相鄰設置的第一散熱片21和第二散熱片22，第一散熱片21和第二散熱片22均包括相對設置的第一側面211和第二側面212，第一散熱片21的第一側面211沿著第一電池11的軸向包裹于第一電池11外，第一散熱片21的第二側面212沿著第二電池12的軸向包裹于第二電池12外，第二散熱片22的第二側面212與第一電池11接觸設置。由此可見，在由第一電池11和第二電池12組成的電池陣列中，散熱片2與第一電池11的軸向外表面都呈接觸設置，相對于傳統的直線型的散熱片，其可以使散熱片與單個電池的軸向表面相接觸，散熱面積大，冷卻效果好。優選的散熱片2的寬度與單體電池軸向長度相等，如此可以使散熱片2能接觸整個電池的軸向表面。散熱片2的寬度大于單體電池軸向長度的一半。

3.2 散熱片

散熱片2采用柔性的石墨材料制成，石墨材料具有優越的導熱性，薄且為柔性，可以依電池的具體排布進行任何迂曲的不規則布置，可增加散熱片與電池之間的接觸面積，從而進行有效換熱。石墨材料可以為石墨片或石墨烯等。

3.3 冷卻管

冷卻管3呈迂曲管狀，一方面，迂曲的管狀有利于增加制冷劑的行程，從而增加制冷量，提高換熱效果；另一方面，迂曲的管狀有利于散熱片的固定。如圖2所示，冷卻管3包括與單體電池的軸向相平行的第一段31以及與第一段31相垂直的第二段32，第一段31與第二段32之間采用圓弧過渡連接，散熱片2固定于第一段31上。

第一段31設置于電池陣列1的兩側，并位于相鄰兩單體電池之間的對應位置。如此設計，當散熱片2與第一段31連接時，必須要被牽引到兩單體電池之間的對應位置，可以進一步增加電池與散熱片的接觸面積。

3.4 殼體

殼體4與電池陣列1、散熱片2和冷卻管3一體成型，以將電池陣列1、散熱片2和冷卻管3封于殼體4中（如圖3所示）。如此設計，可將電池、散熱片、冷卻管牢固的固定在一起，形成電芯磚，增加整個電池模組的結構穩定性，可滿足強烈的沖擊、振動、冷熱沖擊等惡劣環境使用需求。本次實施將電池陣列、散熱片和冷卻管組裝完成后，然后采用灌封膠水灌封，使四個部分牢固地結合在一起。還可以對殼體進行水冷或強制風冷，以進一步提高電池模組的冷卻效果。

4 結語

綜上所述，本方案通過采用迂回穿插于電池陣列的散熱片，可以增加散熱片與電池的接觸面積，使其充分進行熱傳導，并將熱量傳遞給冷卻管，與制冷劑進行熱交換，除此以外，還能夠達到很好的制冷效果，從而實現對電池陣列的冷卻，冷卻效果好。

參考文獻

[1] 嚴剛，李頂根，秦李偉，等.純電動汽車鋰離子電池成組熱效應分析[J].汽車工程學報，2016，6（5）.

[2] 張翔，胡冰樂，鄭金鳳，等.新能源汽車電池散熱風扇驅動系統設計[J].福建師大學報（自然科學版），2013，42（5）.

[3] 楊志剛，黃慎，趙蘭萍.電動汽車鋰離子電池組散熱優化設計[J].計算機輔助工程，2011，20（3）.

[4] 韓治成，謝安國，單琪，等.電動汽車電池箱結構優化的散熱性能數值模擬[J].遼寧科技大學學報，2013，36（6）.

作者簡介：劉智亮（1978-），男，江西人，供職于廣東億鼎新能源汽車有限公司，研究方向：汽車項目管理。

（責任編輯：黃銀芳）