新能源汽車電池散熱裝置設計研究

摘 要：隨著新能源汽車的不斷推廣，電池散熱裝置的研究與設計也在不斷深入。新能源汽車的電池在工作過程中會產生大量的熱量，降低電池的充放電效率、縮短電池的使用壽命，嚴重時還會引發安全隱患，因此設計高效的電池散熱裝置對于新能源汽車至關重要。現階段已有的電池散熱裝置主要有風冷散熱與液冷散熱等方式，但在實際應用中都存在一定的局限性。基于此本研究綜合考慮散熱效率與可靠性等多方面因素，探究更優化的電池散熱裝置設計方案。

關鍵詞：新能源汽車 電池 散熱裝置 設計方案

新能源汽車產業的蓬勃發展過程中也面臨著電池散熱的問題，由于電池在工作中會產生熱量，如果散熱不佳嚴重影響電池性能和壽命，損害汽車的正常駕駛。針對當前新能源電池散熱裝置的局限性，本研究提出了新型的新能源汽車電池散熱裝置設計方案。在本方案中巧妙結合了風冷與液冷的優勢，既設有風扇進行風冷，又有由水泵、水箱、盤管構成的液冷系統。同時，為保障散熱裝置進風的清潔與穩定，設計了帶有毛刷清潔結構的防塵網、錐形進風孔的第二固定板等部件。此外，本裝置中對水箱蓋進行了特殊設計，確保其密封性與空氣交換性，設計散熱翅片進一步增強散熱效果。

1 溫度對能源消耗的影響分析

在新能源汽車領域中，溫度對電池的能源消耗有著顯著的影響。高溫環境首先會導致電池性能衰退，增加能源消耗。在高溫環境下電池內部的化學反應速率會加快，以鋰離子電池為例，在溫度升高時電池電極材料的結構和性能會發生變化：正極材料會出現晶格膨脹、相變等現象，負極材料的固體電解質SEI膜也會遭到破壞。這種結構變化會導致電池內阻增大，在電池內部產生的熱量也會增多，造成額外的能量損耗。同時，高溫還會導致電池的自放電率明顯提高。存儲在電池中的電能會因為自放電現象而流失，自放電率的提高意味著電池可用于驅動汽車的有效電量減少，車主則需要更頻繁地充電，進一步導致了整體能源消耗的增加。其次，加重散熱系統負擔與能耗關聯。在高溫下電池的散熱裝置需要消耗更多的能量來維持電池的工作溫度，散熱系統的功率與環境溫度和電池溫度差密切相關。風冷散熱系統在環境溫度較高時需要提高風扇的轉速來增強空氣對流，從而增加風扇的耗電量，而液冷散熱系統則需要更大功率的水泵來驅動冷卻液循環，從而消耗更多的電能。最后，增加電池管理系統能耗。在高溫環境下，電池管理系統需要更頻繁地進行數據采集、分析和控制操作。而電池管理系統本身也是一個耗能的系統，在高溫環境下的額外操作需要消耗電能，從而對新能源汽車的能源消耗產生負面影響。

2 新能源汽車電池散熱的基本理論

2.1 電池散熱的基本方式

2.1.1 熱傳導散熱方式

熱傳導是指熱量通過直接接觸的物質分子傳遞的方式，在新能源汽車電池中熱傳導主要發生在電池內部的電極、電解質以及電池外殼等部件之間。新能源汽車電池內部產生的熱量會從電極反應區域通過電池的固體組件傳導到外殼，熱傳導的速率取決于電池材料的熱導率，如鋁制等金屬材料的電池外殼的熱導率較高，能夠有效地傳導熱量。

2.1.2 熱對流散熱方式

熱對流是指流體與固體表面之間的熱量傳遞過程，在新能源汽車電池散熱中，風冷散熱方式就是利用空氣的熱對流。熱對流散熱方式具體可分為自然對流和強制對流，其中自然對流依靠溫度差引起的流體密度變化來驅動熱量傳遞，例如電池周圍的空氣受熱上升，冷空氣補充進來帶走熱量。強制對流則是通過風扇等設備使流體加速流動，增強散熱效果，熱對流的散熱效果與流體的流速、熱容等因素密切相關。

2.1.3 熱輻射散熱方式

熱輻射是指物體通過電磁波形式向外發射能量的過程，在新能源汽車電池散熱中，電池表面會以熱輻射的方式向周圍環境散熱。熱輻射散熱方式受到環境溫度的影響較大，在常溫下熱輻射對電池散熱的貢獻相對較小，但在高溫環境或者特定的散熱設計下，設計者可以通過優化電池表面的輻射特性提高熱輻射的散熱效率。

2.2 電池散熱的要求與性能指標

2.2.1 合適的工作溫度范圍

不同類型的新能源汽車電池適宜的工作溫度范圍各不相同，如鋰電池的最佳工作溫度范圍在20℃-40℃之間。如果電池的溫度過高會加速電池內部的化學反應速率，導致電池壽命縮短、性能下降，而溫度過低則會嚴重影響電池的充放電性能，導致電池內阻增大，充放電容量降低。

2.2.2 溫度均勻性要求

新能源汽車電池組由多個電池單體組成，在散熱過程中，要確保電池組內各單體之間溫度的均勻性。溫度不均勻會導致電池單體之間的性能差異增大，影響電池組的整體性能和壽命。如果新能源汽車電池組局部過熱會導致電池單體加速老化，影響整個電池組的能量輸出和安全性。

2.2.3 散熱效率指標

散熱效率是衡量電池散熱裝置性能的重要指標，反映了散熱裝置在單位時間內能夠帶走電池產生熱量的能力。散熱效率與散熱方式、散熱裝置的結構設計、散熱介質等因素有關。散熱效率越高，電池在高功率充放電過程中保持較低溫度的能力越強，借此可以延長電池的使用壽命，提高電池的性能穩定性。

3 現有新能源汽車電池散熱裝置的類型與分析

3.1 風冷散熱裝置

風冷散熱裝置主要由風扇和散熱風道構成，借助風扇促使空氣流動，空氣流經電池表面，通過熱對流將電池熱量帶走。風冷散熱裝置的成本較低，不需要復雜的輔助設備和特殊材料，整個裝置結構簡單，易于安裝和維護。但風冷散熱裝置的散熱效率相對較低，難以滿足高功率電池散熱需求。在早期的新能源汽車中，由于電池功率較小且對成本控制較為嚴格的原因大多采用風冷散熱，在正常城市工況下能夠滿足散熱需求。

3.2 液冷散熱裝置

液冷散熱裝置包含冷卻液循環系統，有冷卻液儲存罐、泵、管道和散熱器等部件。冷卻液在泵的作用下在管道中循環，流經電池時吸收熱量，然后在散熱器中釋放熱量。液冷散熱裝置的散熱效率較高，溫度均勻性好，可縮小汽車電池組各部分溫度差異。液冷散熱裝置的系統涉及多個部件，綜合成本較高，同時液冷散熱裝置也存在漏液風險，一旦漏液可能會損壞電池。

3.3 熱管散熱裝置

熱管散熱裝置的熱管內部有工作介質，蒸發段在電池高溫區吸收熱量并工作介質蒸發，蒸汽流向冷凝段，釋放熱量后冷凝回流。熱管散熱裝置具有高效的熱傳導能力，能夠快速將熱量從高溫區傳導到低溫區。但熱管散熱裝置的制造工藝要求相對較高，綜合成本也相對較高。

4 新能源汽車電池散熱裝置設計方案

本研究技術方案：新能源汽車電池的散熱裝置，包括殼體，殼體的一側安裝有框架，框架的內部安裝有防塵網，防塵網上安裝有扇葉，扇葉的一側安裝有毛刷，且毛刷與防塵網相連不相接，殼體的內部安裝有第一固定板，第一固定板的底部安裝有溫度傳感器，溫度傳感器與PLC板相連接，PLC板上連接有風扇和水泵，風扇和水泵分別安裝于殼體的內部和外部，殼體的外部固定連接有水箱，水箱的內部插接有抽水管，抽水管與水泵相連通，水泵的出水端連通有盤管，盤管安裝于殼體的內部，第一固定板上開設有出風孔，殼體上安裝有散熱翅片。水箱的頂部螺紋連接有水箱蓋，水箱蓋的內部安裝有密封墊。水箱蓋上開設有進氣孔，進氣孔的內部安裝有呼吸紙。殼體上靠近防塵網的一側安裝有第二固定板，第二固定板上開設有錐形進風孔。框架的四周均開設有排塵孔。散熱翅片最少設置有四組，且每組散熱翅片不少于四組。

新能源汽車電池散熱裝置技術效果和優點：在設計的新能源汽車的電池散熱裝置中，于殼體一側安裝防塵網，可以有效防止外界灰塵進入殼體內部，成為保護電池的第一道防線。在防塵網上安裝扇葉，在汽車行駛時，自然風能夠吹入殼體內部，形成自然風冷，帶走電池散發的熱量，確保電池處于適宜的工作溫度范圍。由于在行車過程中，防塵網容易吸附灰塵，灰塵積累過多會堵塞網孔，阻礙自然風進入，影響散熱效率，本設計在扇葉上安裝了毛刷，隨著自然風帶動扇葉轉動毛刷會自動對防塵網進行清掃，這種設計不僅利用自然風實現了電池散熱，還通過巧妙的聯動裝置保持了防塵網的清潔，有效提高了殼體的防塵效果，從而保障了散熱系統的長期穩定運行。

本設計方案在殼體底部安裝了溫度傳感器、PLC 板和風扇等組件，形成了一套高效的散熱控制系統。在汽車停止運動時，溫度傳感器實時監測電池溫度，將數據傳輸給 PLC 板。一旦電池溫度超出正常范圍，PLC板便會控制啟動風扇和水泵。風扇對電池進行風冷散熱，同時水泵將水箱中的水抽入盤管，盤管吸收電池熱量并帶出熱量，實現液冷散熱。這種風冷與液冷相結合的方式能快速有效地降低電池溫度。當電池溫度降低到正常溫度時，PLC 板又能精準控制風扇和水泵停止運行，既避免了能源浪費，又很好地提高了電池的散熱效果，延長電池使用壽命。

5 新能源汽車電池散熱裝置結構與工作原理

下面將結合本裝置結構示意如圖1-4所示，對新能源汽車電池散熱裝置的技術方案進行清楚、完整地描述。

將汽車電池安裝在殼體中，將殼體安裝在汽車的引擎蓋中，使得在行車的時候，自然風可以吹入到殼體中，對電池進行散熱，殼體的一側安裝有框架，框架的內部安裝有防塵網，該防塵網設置有兩組，提高了殼體的防塵效果，同時可以防止水進入到殼體中，防塵網上安裝有扇葉，扇葉的一側安裝有毛刷，且毛刷與防塵網相連不相接，殼體的內部安裝有第一固定板，該第一固定板用來安裝電池，將電池與風扇、溫度傳感器和PLC板隔開，第一固定板的底部安裝有溫度傳感器，溫度傳感器與PLC板相連接，PLC板上連接有風扇和水泵，風扇和水泵分別安裝于殼體的內部和外部，殼體的外部固定連接有水箱，該水箱安裝在殼體的外部，有利于水箱中水的散熱，不會影響到殼體內部的散熱，水箱的內部插接有抽水管，抽水管與水泵相連通，水泵的出水端連通有盤管，盤管安裝于殼體的內部，第一固定板上開設有出風孔，殼體上安裝有散熱翅片，該散熱翅片有利于提高殼體中電池的散熱效率。

水箱的頂部螺紋連接有水箱蓋，水箱蓋的內部安裝有密封墊。該水箱蓋便于向水箱中添加冷卻水，密封墊提高水箱的密封效果。水箱蓋上開設有進氣孔，進氣孔的內部安裝有呼吸紙。該進氣孔有利于外界的空氣進入水箱中，保證水泵的正常工作，呼吸紙可以防止冷卻水泄漏，同時方式灰塵進入到水箱中。殼體上靠近防塵網的一側安裝有第二固定板，第二固定板上開設有錐形進風孔。該第二固定板上的錐形進風孔可以使得自然風進入到殼體中的時候，形成一種沖擊力，提高了自然風的利用率，同時可以防止水進入到殼體中。框架的四周均開設有排塵孔。在毛刷將防塵網上的灰塵刮落之后，受自然風的吹力從該排塵孔中排出。散熱翅片最少設置有四組，且每組散熱翅片不少于四組。該散熱翅片利于提高殼體的散熱效果。

6 結語

本研究設計的新能源汽車電池的散熱裝置，能有效解決新能源車輛在行車及充放電時的散熱問題。行車時自然風吹進殼體中，對殼體中的電池進行散熱。在汽車停止運動的時候，PLC板控制風扇和水泵運行，風扇對電池進行散熱，同時水泵將水箱中的水抽入到盤管中，將電池的熱量帶出，解決了電池在充放電過程產生大量熱量的問題。

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