新能源汽車動力電池的散熱方法研究

謝 鵬

(淮北職業技術學院，安徽 淮北 235100)

0 引言

隨著全球環境污染和社會能源日益短缺，以電動系統為主的新能源汽車在我國市場上得到了快速發展，關于新能源汽車的一些技術也取得了突破性進展，其中在動力電池散熱及續航里程方面就有很大突破和提升。作為新能源汽車的儲能裝置，動力電池無疑是車輛的核心部件。在汽車運行過程中，動力電池工作電流大，產生很大熱量，而動力電池又處在一個相對來說比較狹小和封閉的環境里，這就會使動力電池溫度不斷升高，給新能源汽車熱管理系統帶來非常大的挑戰。

1 新能源汽車動力電池的背景及發展趨勢

作為除汽油和柴油發動機以外的車型，新能源汽車以綠色環保、廢氣排量低的性能逐漸被社會認可，并在我國市場上得到了飛速發展。根據調查結果顯示，中國作為世界上新能源汽車最大生產國和消費國，其動力電池在全球市場上也占據著非常重要的位置。目前來看，我國新能源汽車在動力電池這一部分呈現出非常好的發展勢頭，隨著大數據技術以及智能化的發展，動力電池在生產和研發技術方面也在逐漸走向智能化。絕大多數企業為了提高新能源汽車生產效率，在動力電池生產過程中用機器人來代替人工。

新能源汽車廠商在動力電池生產中都面臨著成本過高的問題，那么如何有效降低動力電池成本就成為了各大汽車廠商所面臨的主要問題。目前來看降低動力電池生產成本主要有三種方式，第一是研發新技術提高動力電池的使用壽命；第二通過規模化生產來降低企業生產成本；第三以資源再回收可利用為出發點，建立動力電池回收產業鏈，從整體上降低成本。新能源汽車動力電池所涉及到的內容復雜多樣，其中包括原材料生產、技術研發以及規模化生產等方面。這就可以構建一個共同合作、共同開發的生產模式，通過讓一些相關的中小型企業參與到動力電池生產環節中，形成一套完整的動力電池產業鏈。

2 動力電池分類及熱管理系統作用

在我國，新能源汽車動力電池有很多種，鉛酸電池、鋰離子電池都是比較常見的種類，除此以外還有空氣電池、鈉硫電池等。隨著新能源汽車的普及，各個國家也越來越重視動力電池的研發。這其中鋰電池在新能源汽車生產設計中發揮了重要作用。我國目前針對新能源汽車，使用最廣泛的動力電池主要以三元鋰和磷酸鐵鋰為主[1]。但是鋰電池在性能、使用壽命和安全性上來講，它對溫度的要求很高，一般來說，鋰電池溫度應該保持在25～40 ℃之間，超過這個數值范圍后，鋰離子電池在每升高1 ℃后，電池性能會相對減少0.2%，一旦溫度達到極限時，會加速動力電池老化。所以想要提高動力電池使用壽命，就要在低溫環境下給電池預熱，高溫下要散熱，目的是要動力電池始終處在一個恒溫、適宜的溫度里，這樣才能充分發揮其性能。

3 動力電池發熱原理

作為儲能裝置的鋰離子電池，其組成部分包括正極、負極、電解液、隔膜和殼體。實現鋰電池充放電的過程，就是將鋰離子電池正負極同時放置在電解液里，這時候鋰元素以離子狀態通過電解液為介質在正負極之間運動。在鋰電池充放電過程中會產生一系列化學反應，并且會產生放熱和吸熱現象，由于電池在工作過程中會產生熱量積累，這就是鋰離子電池溫度升高的主要原因。在充放電過程中，鋰電池的總熱量Qt內部發生電化學反應熱Qr、極化熱Qp和焦耳熱Qj等熱量。所謂的極化現象就是鋰電池充放電的時候，電池工作電壓總是大于或者小于開路電壓，使得電極表面發生極化反應[2]。

4 新能源汽車動力電池的散熱方法

作為新能源汽車的心臟，動力電池想要持久續航，首先要解決的就是散熱問題。目前，動力電池散熱主要有四種方式，分別是空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻和相變材料冷卻。下面就四種散熱方法進行詳細介紹。

4.1 空氣冷卻

新能源汽車動力電池最為常見的一種散熱方法就是空氣冷卻，其工作原理主要是以空氣作為冷卻媒介，在鋰離子電池表面形成對流換熱的一種散熱方式。自然對流和強制對流是空氣冷卻中的兩種方式，通過實驗對兩種對流散熱方式進行研究和比較，發現鋰電池在自然對流工作中，其最高溫度過高；當采用強制對流方式進行散熱時，鋰電池在工作中的最高溫度可以保持在合理范圍內[3]。

空氣冷卻對動力電池的散熱其優點在于結構簡單、成本較低，針對所產生的有害氣體，能夠有效通風散發；缺點是在和電池壁面之間換熱系數低，冷卻速度較慢。

4.2 液體冷卻

利用水、乙二醇或礦物油等液態材料作為散熱媒介，直接或間接接觸單體電池，從而達到冷卻散熱的目的，就是動力電池中的液體冷卻。特斯拉MODELS車型正是采用液體冷卻的方式，來對電池進行散熱。液體冷卻作為動力電池的散熱方式，其主要優點在于與動力電池壁面之間換熱系數高，冷卻散熱速度較快；缺點是密封性要求高，后期維護和保養比較復雜。

4.3 熱管冷卻

熱管是利用在密封管內工作介質的蒸發和凝結來傳導熱量，是由管殼、吸液芯、端蓋組成，在靠近電池一面是蒸發端、絕熱端和冷凝端，液體是被密封在管中。工作原理是在蒸發端吸收鋰電池的熱量，將液態轉變為氣態后，在冷凝端散熱，將氣態再次轉換為液態，在轉換為液態后重新回到蒸發端，再依次循環，達到對鋰離子電池散熱效果。值得注意的是熱管冷卻目前還在研究階段，尚未投入使用[4]。

4.4 相變材料冷卻

相變材料冷卻就是將相變材料作為冷卻介質，從而對動力電池冷卻的一種方法。相變材料是指物質狀態可以隨著溫度變化而發生變化，而且在相變過程中還會吸收和釋放大量熱量。在鋰離子電池工作過程中，相變材料會使其溫度更加穩定和均勻。而且相對于空氣冷卻和液體冷卻這兩種動力電池散熱方式，相變材料冷卻能耗少，結構也比其他冷卻方法要簡單。但是值得注意的一點是，相變材料在相變過程中體積會發生變化，這就意味著存在泄漏的風險，成本相較于空氣冷卻和液體冷卻也會偏高一點。

5 結語

隨著新能源汽車的投入和使用，對于動力電池續航里程、電池容量方面的要求也相對提高。動力電池作為新能源車輛的核心裝置，電池散熱一直是廠商研究的重點方向，通過調查發現，傳統、單一的散熱方式已經無法滿足大功率、大尺寸動力電池散熱需求，如何研發出更加安全、高效的散熱系統，對目前新能源汽車尤為重要。想要提高新能源汽車動力電池在散熱方面的能力，還要加大對冷卻介質和相變材料等方面的研究，而解決汽車本身動力轉化問題，是改善和提高動力電池散熱系統的方法之一。

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