新能源汽車動力電池散熱技術綜述

張計軍　葛家琪　潘漢平　康明龍

摘 要：隨著新能源汽車的快速發展，新能源汽車動力電池作為“三電”核心之一，其散熱問題越來越受到設計人員的關注。本文對目前主要的五種動力電池散熱技術－對流散熱、風冷散熱、液冷散熱、熱管冷卻和相變材料冷卻分別進行了綜述，并對其原理、優缺點和應用情況進行了分析比較，本文為新能源汽車動力電池散熱技術的發展提供一定的參考價值。

關鍵詞：動力電池 液冷散熱 風冷散熱 對流散熱 熱管冷卻 相變材料

1 前言

為了進一步解決能源危機問題，我國大力提倡新能源的開發，其中以電力驅動的新型能源汽車，是我國大規模進入新能源應用的關鍵領域[1]。新能源汽車是指使用非化石能源（如電力、太陽能等）作為動力源的汽車，其具有低碳環保、高效節能等優點，已成為未來汽車行業的重要發展方向。而動力電池作為新能源汽車的核心部件之一，其性能直接影響著整車的性能和安全。然而，由于動力電池在工作時會產生大量的熱量，因此其散熱問題一直是制約其發展的重要因素之一。本文將對目前主流的五種散熱技術——對流散熱、風冷散熱、液冷散熱、熱管冷卻散熱和相變材料散熱進行綜述，并對其原理、優缺點和應用情況進行了分析比較，為新能源汽車動力電池散熱技術的發展提供一定的參考價值。

2 動力電池產熱機理

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[2]。動力電池的產熱機理主要有化學反應熱、焦耳熱、極化熱、副反應熱等。化學反應熱是電池內部化學反應會產生一定熱量，是動力電池的熱量的主要來源。當電池進行充電時，正極和負極之間的化學反應會產生大量的化學反應熱量；焦耳熱是電池在工作時，電流通過電池內部會產生熱量。這種熱量的產生與電池的工作狀態有關，例如，當電池的負載較大時，電流通過電池內部的時間較長，產生的焦耳熱也就較多；極化熱是電池內部的化學物質在電場作用下會發生極化現象。這種熱量的大小與電池的工作電壓、電流以及工作環境的溫度等因素有關；副反應熱是除了以上三種產熱方式外，電池在使用過程中還可能發生一些副反應，這些副反應也會放出熱量。總體來說，動力電池的產熱機理是復雜的，需要根據具體的使用環境和條件來綜合考慮。

3 動力電池散熱技術

3.1 對流散熱技術

動力電池對流散熱技術是一種利用空氣自然對流的方式，將電池內部產生的熱量通過散熱器散發出去的技術。對流散熱是通過在電池組與底部導熱材料傳導熱量，而電池組的側面則通過空氣散熱。該技術具有傳熱效率高、穩定性好等優點，能夠有效地降低電池的工作溫度，提高電池的使用壽命和安全性。此外，對流散熱技術還具有隔離減震作用，能夠避免電池之間的短路、磨損等問題的發生。

當電池工作時，會產生大量的熱量，這些熱量如果不能及時散發出去，就會對電池的性能和壽命產生不利影響。因此，需要通過散熱器將這些熱量散發出去。對流散熱技術的實現原理是在電池組之間與電池底部增加導熱硅膠片來提高傳熱效率；同時在電池組的側面通過空氣流動來實現散熱效果。導熱硅膠片的選擇對于對流散熱的效果也非常重要。目前常用的導熱硅膠片材料有硅橡膠、聚氨酯彈性體等。導熱材料都具有好的導熱性能和耐高溫特性。此外，導熱硅膠片的形狀和尺寸也需要根據實際情況進行調整和優化。

對流散熱技術的優點是傳熱效率高、穩定性好等顯著優點；同時它還具有隔離減震作用的優點。但是該技術的缺點在于需要增加一定的硬件設施來實現對流散熱功能，為了在實際使用過程中取得更好的冷卻效果，往往需要增加如翅片等特殊部件以擴大散熱接觸的面積[3]；同時還需要針對不同車型和使用環境的需求進行優化設計和調整方案。動力電池對流散熱技術主要應用于一些低端電動車中，但是隨著技術的發展，在一些中端電動車中對流散熱技術也開始得到應用。

3.2 風冷散熱技術

風冷散熱是在風扇的作用下，加強電池內部的空氣的流動，帶走電池散熱的熱量的一種方式。該技術具有結構簡單、成本低廉等優點，適用于一些小型電池組或移動式電池組。但是，風冷散熱技術的傳熱效率較低，且容易受到外界環境的影響，如氣溫、濕度等因素都會影響其散熱效果。

風冷散熱器是動力電池風冷散熱技術的核心部件，它主要由風扇、散熱片、散熱罩等組成。風扇的作用是將空氣吹向散熱器，形成氣流，從而將熱量帶走。散熱片則是將熱量傳遞到空氣中的重要媒介，其形狀、大小、材料等都會影響散熱效果。散熱罩則是用來保護電池和散熱器不受外界環境的影響，如灰塵、雨水等。風冷散熱技術的實現原理就是提高空氣流通量，從而帶走動力電池的熱量。風扇的選擇對于風冷散熱的效果也非常重要。目前常用的風扇有軸流式風扇和離心式風扇兩種類型。軸流式風扇適用于低速運轉的場景；而離心式風扇適用于高速運轉的場景。此外，通風孔的設計也需要考慮到電池組內部的空間布局和結構特點等因素。

風冷散熱技術的優點是具有結構簡單、成本低等優勢[4]，它適用于一些小型電池組或移動式電池組的散熱需求。但是，風冷散熱技術的傳熱效率較低，且容易受到外界環境的影響，如氣溫、濕度等因素都會影響其散熱效果。此外，由于電池組內部空間有限，通風孔的數量和大小也需要根據實際情況進行調整和優化。風冷散熱技術同時存在噪音大等不足，由于風扇的存在，風冷散熱器在運行時候會存在一定的噪音。動力電池風冷散熱技術主要應用于一些低端電動車和小型儲能系統中。在這些系統中，由于成本和空間的限制，無法采用其他散熱方式，因此只能采用風冷散熱技術。但是隨著技術的發展，風冷散熱技術在一些高端電動車中也開始得到應用。

3.3 液冷散熱技術

液冷散熱是一種新型的散熱方式，它的工作原理是在液體介質的作用下通過對流換熱的方式釋放電池熱量，降低電池溫度[5]。該技術具有傳熱效率高、散熱效果好等優點，能夠有效地降低電池的工作溫度，提高電池的使用壽命和安全性。此外，液冷散熱技術還具有可靠性高、維護成本低等優點，因此在新能源汽車領域得到了廣泛的應用。

液冷散熱技術的實現原理是將冷卻液注入到電池組內部，然后通過散熱鋁管將熱量散發出去。冷卻液的選擇對于液冷散熱的效果至關重要。目前常用的冷卻液有礦物油、合成油和水基冷卻液等。其中，礦物油具有導熱性能好、耐高溫等特點，但其對環境有一定的污染性；合成油則具有更好的環保性能和高溫穩定性；水基冷卻液則具有無毒無害、環保性好等優點。在選擇冷卻液時需要根據具體的應用場景進行綜合考慮。目前，液冷散熱技術的研究主要還是集中在散熱冷板結構的設計上，而散熱冷板的設計又集中在流道的設計，往往都是通過改變流道的形狀、流道數量來實現對動力電池散熱的影響。流道設計越復雜，一般散熱效果越好，但是加工起來又往往無比復雜，成本較高，甚至有些流道實際中是無法完成加工制造的，所以流道是設計要充分考慮制造方面的難易程度，再綜合散熱效果來制定方案。

液冷散熱技術的優點是顯而易見的。首先，它能夠有效地降低電池的工作溫度，從而提高電池的使用壽命和安全性。其次，液冷散熱器件結構簡單、易于維護和更換。此外，液冷散熱技術還具有較高的可靠性和穩定性，能夠在惡劣環境下正常工作。但是，液冷散熱技術也存在一些缺點。例如，其成本較高，需要投入較多的資金進行設備改造和維護；同時，液體泄漏等問題也需要引起重視。

3.4 熱管冷卻技術

熱管冷卻是一種新興的動力電池散熱方式，其導熱能力強，具有較好的應用前景[6]。熱管冷卻技術是一種利用熱管原理進行散熱的技術，主要用于電池系統的冷卻。熱管是一種高效的傳熱元件，由一個細長的管子和兩個端部相連的金屬翅片組成。當電池內部的熱量傳導到熱管時，熱管內的液體會吸熱并蒸發，產生大量的蒸汽，這些蒸汽會沿著管子流動，同時帶走電池內部的熱量。最終，蒸汽會在散熱器中冷凝成液體，釋放出潛熱，從而將熱量散發出去。熱管散熱器是動力電池熱管冷卻散熱技術的核心部件之一，它主要由熱管、翅片、風扇等組成。熱管的作用是將電池內部的熱量傳遞到散熱器上，而翅片則是用來增加散熱面積和提高散熱效率的重要組件。風扇則是用來加速空氣流動，從而提高散熱器的散熱效果。在某些高端電池系統中，熱管冷卻技術已經得到了廣泛應用，如新能源汽車、無人機等行業。隨著技術的不斷發展和成本的降低，相信熱管冷卻技術將會在更多的領域得到應用。

熱管冷卻技術的有高效節能、可靠性高、適用范圍廣、維護成本低等優點。高效節能：熱管冷卻技術能夠將電池產生的熱量快速傳遞出去，避免了能量的浪費，提高了能源利用效率；可靠性高：熱管冷卻技術采用封閉的管道結構，不會受到外界環境的影響，具有較高的穩定性和可靠性；適用范圍廣：熱管冷卻技術適用于各種類型的電池系統，包括鋰離子電池、鉛酸電池等；維護成本低：熱管冷卻技術結構簡單，維護成本較低，可以長期穩定運行。

熱管冷卻技術的缺點也是非常明顯的，主要有體積較大、成本較高、流體阻力大等不利因素。體積大：由于熱管需要占用一定的空間，因此相對于傳統的風冷方式，熱管冷卻技術需要更大的安裝空間；成本高：熱管冷卻技術的制造成本相對較高，需要使用高質量的材料和工藝來保證其性能和壽命；流體阻力大：熱管內部液體流動時會產生一定的阻力，這會影響熱管的傳熱效率；熱管冷卻技術同時存在噪音大問題，由于風扇的存在，熱管散熱器在運行時會產生一定的噪音；熱管冷卻技術溫度控制比較困難，其散熱效果受到環境因素的影響較大，因此溫度控制相對困難。

3.5 相變材料冷卻技術

動力電池相變材料冷卻技術是一種利用相變材料進行散熱的技術，主要用于電池系統的冷卻。動力電池相變材料散熱技術的基本原理是利用相變材料進行散熱。相變材料是一種能夠在一定溫度范圍內吸收或釋放大量熱量的材料，當電池內部的熱量傳導到相變材料時，相變材料中的液態部分會吸熱并膨脹，變成氣態；而固態部分則會放熱并收縮。這樣，相變材料就能夠將電池內部的熱量快速傳遞到散熱器上，從而實現對電池的冷卻。相變材料散熱器是動力電池相變材料散熱技術的核心部件之一，它主要由相變材料、翅片、風扇等組成。

相片材料冷卻技術優點是高效節能、可靠性高、適用范圍廣、維護成本低。高效節能：相變材料冷卻技術能夠將電池產生的熱量快速傳遞出去，避免了能量的浪費，提高了能源利用效率；可靠性高：相變材料冷卻技術采用穩定的相變材料，具有較高的穩定性和可靠性，能夠長期穩定運行；適用范圍廣：相變材料冷卻技術適用于各種類型的電池系統，包括鋰離子電池、鉛酸電池等；維護成本低：相變材料冷卻技術結構簡單，維護成本較低，可以長期穩定運行。

相片材料冷卻技術缺點是體積較大、成本較高、溫度范圍受限等。體積較大：由于相變材料需要占用一定的空間，因此相對于傳統的風冷方式，相變材料冷卻技術需要更大的安裝空間；成本較高：相變材料冷卻技術的制造成本相對較高，需要使用高質量的材料和工藝來保證其性能和壽命；溫度范圍受限：相變材料的溫度范圍較窄，只能在一定范圍內進行散熱，不能適應所有工況下的需求。

4 結論與展望

綜上所述，對流散熱技術、風冷散熱技術、液冷散熱技術、熱管冷卻散熱技術和相變材料冷卻散熱技術是目前主流的五種新能源汽車動力電池散熱技術。其中液冷散熱技術具有傳熱效率高、散熱效果好等優點；風冷散熱技術具有結構簡單、成本低廉等優點；對流散熱技術具有傳熱效率高、穩定性好等優點；熱管冷卻散熱技術有高效節能、可靠性高、適用范圍廣、維護成本低等優點；在未來的發展中，應該根據不同車型和使用環境的需求選擇合適的散熱技術方案，并且不斷優化和完善現有的散熱技術，以提高新能源汽車動力電池的性能和可靠性。

基金項目：2022年廣西教育廳中青年教師科研基礎能力提升項目：基于ANSYS動力電池的水冷散熱器仿真分析與優化（2022KY1229）；2021年廣西生態工程職業技術學院校級課題：基于小型森林越野車的前懸架仿真研究與優化（2021KY06）。

參考文獻：

[1]陳佚，朱成，劉頔.淺談新能源汽車動力電池冷卻技術[J].時代汽車，2021（08）：83-84.

[2]謝鵬.新能源汽車動力電池的散熱方法研究[J].農機使用與維修，2021，（11）：44-45.

[3]丁玉章. 新能源汽車動力電池包液冷散熱特性仿真研究[D].重慶交通大學，2018.

[4]王酉方.新能源汽車動力電池散熱管理系統優化設計研究[J].南方農機，2020，51（24）：170-173.

[5]董志輝.新能源汽車動力電池散熱管理系統優化探討[J].內燃機與配件，2022，（06）：188-190.

[6]郭紹杰.新能源汽車動力電池散熱方式及散熱問題的熱管理解決方案[J].節能，2022，41（05）：86-88.