新能源汽車動力電池冷卻技術研究綜述

【摘要】通過綜述新能源汽車動力電池冷卻技術包括空氣冷卻技術、液體冷卻技術、變相材料冷卻、熱管冷卻技術以及冷媒直冷冷卻，分析各種技術的優勢、劣勢及應用情況，總結動力電池冷卻技術的研究現狀并對其發展趨勢進行展望。未來，新能源汽車動力電池冷卻技術需要對冷卻介質進行研發，以取代現有的液冷系統，同時還需要將兩種及以上的冷卻方式相結合并研究更高效靈敏且智能化的預警裝置，以得到更好的冷卻效果。

關鍵詞：新能源汽車；動力電池；冷卻技術

中圖分類號：U469.72" "文獻標志碼：A" DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230096

Review on Cooling Technologies of New Energy Vehicles Power Batteries

He Yu

（Unit 32653， PLA， Shenyang 110020）

【Abstract】 By reviewing the cooling technologies of power batteries for new energy vehicles， including air cooling technology， liquid cooling technology， disguised material cooling， heat pipe cooling technology and refrigerant direct cooling cooling， the advantages， disadvantages and applications of various technologies are analyzed， and the research status of power battery cooling technology is summarized and its development trend is prospected. In the future， the cooling technology of power batteries for new energy vehicles needs to be developed to replace the existing liquid cooling system， and it is also necessary to combine two or more cooling methods and study more efficient， sensitive and intelligent early warning devices to obtain better cooling effects.

Key words： New energy vehicles， Power battery， Cooling technology

0 引言

新能源汽車因其環保節能及可持續性的優點成為汽車行業的核心發展趨勢[1-3]。目前，大多數新能源汽車電池組采用鋰離子電池，鋰離子電池在充、放電過程中涉及較高的終端電壓，且正常工作溫度范圍為-30～60 ℃[4-6]。若運行環境溫度過高，則會導致充電和放電效率下降，電池循環壽命縮短，甚至可能引發電池組自燃[7-8]。除此之外，鋰離子電池其主要成分是磷酸鐵鋰材料[9]，如果電池在高溫環境下運行，可能導致內部液體腐蝕電池外殼并發生泄漏，這不僅會對環境造成污染，還可能引發其他駕駛安全問題[10-12]。新能源電池冷卻系統能對動力電池進行冷卻，確保電池保持在理想的運行溫度范圍內。因此，新能源電池冷卻系統具有重要的研究意義。

為了有效降低新能源汽車電池組的熱排放，除了利用基本的系統通風和空氣循環進行冷卻外，還需采用液體循環、熱管散熱和相變材料散熱等多種方式來促進熱量的傳導和轉換，從而有效地控制電池組的溫升[13-14]。常見的新能源汽車電池組冷卻系統主要通過能量熱交換來實現熱量的轉移，不同介質材料在吸熱和散熱時的表現有所差異，需結合電池組在不同運行狀態下的發熱量變化趨勢進行合理規劃，確保電池組在充放電狀態下均能維持相對穩定和安全的工作環境，從而提高新能源汽車電池組的整體性能和續航能力[15-17]。在設計新能源汽車電池組冷卻系統時，可以運用計算機技術進行模擬試驗，通過設定不同的車輛運行工況和電池輸出功率進行多次數據驗證，細致分析冷卻系統運行時的電池電流及表面溫度，平衡電池充放電循環壽命與散熱需求，持續優化新能源汽車電池組冷卻系統設計。

目前針對新能源汽車動力電池冷卻技術的研究主要在系統工作原理、電池發熱原理、應用重要性以及系統設計等方面，對于相關技術的深入剖析以及應用實踐研究較少。因此，本文重點對各類動力電池冷卻技術進行研究，了解各技術的優勢以及適用范圍，最后提出動力電池冷卻技術的發展方向。

1 新能源汽車動力電池冷卻技術分析

1.1 空氣冷卻技術

目前動力電池空氣冷卻技術的發展已達到較高水平，耗用成本最低，電池冷卻過程中在不影響其性能及電池反應的前提下能達到良好的冷卻效果。鑒于其優勢，物流車等大型電動車輛均采用空氣冷卻技術作為首選。

空氣冷卻技術包括自然風冷和強制風冷。自然風冷在成本方面具備更大優勢，但現階段用戶對電動汽車是否具備強勁動力性能極為關注，這也迫使廠商為電動汽車配備了更大容量的動力電池，且由于空間限制，電池之間排列非常緊密，因此使用自然風冷技術已無法快速實現電池散熱[18]。強制風冷技術可使電池最高溫度不超出最大閾值，但需要科學設置電池箱及氣體流道結構，以免單個電池出現溫差過大的情況。對此，還需要科研人員盡可能對空氣流場相關技術予以優化。

空氣流道結構是空氣冷卻系統的重要組成部分，目前，冷卻空氣流道分為串行與并行，結構如圖1、圖2所示。

受串行通風結構限制，冷卻空氣僅可從進風口流入，從出風口流出，之間會流經所有電池表面[19]。但前排電池由于與冷卻空氣溫差較大，能夠獲得較好的冷卻效果，吸收前排電池的熱量后，冷卻空氣溫度逐步升高，后排電池冷卻效果較差，從而導致整個電池組溫差過大，且隨著流道長度的增加，溫差也將更加明顯。并行散熱結構對這一劣勢進行了優化，與串行通風結構不同，并行通風結構冷卻空氣是從電池箱底部流入，再沿著導流板對電池進行降溫，由于流經每一排電池的冷卻空氣具有相同溫度，冷卻后的電池組溫度分布也更加均勻[20]。相對于串行空冷系統，周期為120 s的并行空氣冷卻系統，可以使電池組的最大溫差下降4 ℃，最高溫度下降1.5 ℃[21]。

目前，大部分電動車企業采用的是并行冷卻方案，但是由于氣固對流換熱系數較低的原因，這種方案存在著冷卻效率不高的問題。不過，日產公司的Leaf電池系統采用的風冷技術，將空氣直接吹入電池組進行冷卻。這種方案的功率密度低于200 W/L，但是由于直接吹入空氣，換熱效率因此得到了提升。豐田公司的普銳斯采用了并行風冷方案，將空調冷氣抽進電池包增強換熱功率。這種方案不僅可以提高電池組的冷卻效率，還可以節約能源。

除此之外，還有一些企業采用了一些特殊設計來增強電池組的冷卻效果。例如，在方形鋰離子電池之間安置泡沫狀鋁板、金屬導熱槽、金屬針板及金屬褶皺板，組成三明治結構，可以增加電池與空氣的換熱面積。THINK GLOBAL的Think City車型在每兩片并聯電池頭部間均有中空鋁制導熱槽來增強冷卻效果。目前風冷技術是鋰離子電池組冷卻的主要方式之一[22]，不同的電動車企業采用不同的冷卻方案，都是為了提高電池組的冷卻效率并保障其性能和壽命。

1.2 液體冷卻技術

液體冷卻技術以其比熱容及換熱系數高的優勢得到了廣泛應用，該技術需要應用液體介質來對電池組進行降溫，其中乙二醇、制冷劑等都是冷卻效果較佳的液體介質。液體介質與電池組的接觸方式有直接接觸及間接接觸兩種，也是液體冷卻技術的主要區分方式。

直接冷卻是使絕緣冷卻液充分浸沒電池組，通過二者之間的直接接觸，使電池組實現快速降溫。間接冷卻技術主要是利用電池包中的液冷板對流傳熱實現電池降溫。當前，新型電子冷卻介質NOVEC 7000的應用較為普遍，該介質不僅能夠通過熱傳導降低電池組溫度，其本身還具有相變吸熱性能，可使電池組溫度始終保持在35 ℃左右。而此前所使用的乙二醇一旦循環次數過多，其對電池組的降溫效果也會逐步降低，但新型電子冷卻介質NOVEC 7000卻無這一弊端，由此可見，NOVEC 7000有著廣闊發展空間。

特斯拉Model S采用了一種先進的水冷設計，以確保電池包的安全和穩定性。冷卻系統采用了蛇形鋁管，被貼合在兩列圓柱電池之間，并且包覆了絕緣導熱材料，以確保電池的溫度在可控范圍內，從而避免電池過熱和過冷。為了進一步增強安全性，電池包被分割成多個區域，并設置了多個隔熱墻，以隔離各區域間熱失控傳播的風險。這種設計不僅可以避免電池過熱或過冷，還可以確保在發生任何故障時，只有局部區域受到影響，而不會影響整個電池包。雖然這種設計犧牲了一些電池模塊和電池包的體積成組效率，但電池包實現了更高的安全性和穩定性。

液冷系統與空氣冷卻有著本質區別，液冷系統的優勢在于換熱系數高、速率快、均溫性好，同時由于該冷卻方式必須使用密封設計，也提高了電動汽車涉水安全性。但液冷系統需要安裝換熱器等零部件，提高了其結構的復雜性，無論是生產還是后續維修、保養，都需要付出比空氣冷卻方式更高的成本。

1.3 相變材料冷卻

在特殊溫度范圍內，相變材料（Phase Change Material， PCM）可改變自身物理形態，并在這一過程中出現吸熱或放熱的現象，利用相變材料這一特性，使其浸沒電動車電池，對電池組降溫或加熱，這種冷卻方式也稱為相變材料冷卻[24]。當前，石蠟復合材料應用較廣，這得益于石蠟成本低，且相變溫度接近鋰電池工作溫度等特性。但由于石蠟導熱性能差，還需要向其中添加熱導率較高的材料（如金屬泡沫等），制作出石蠟復合材料。向石蠟中添加碳纖維也可提高導熱性能，當碳纖維的長度為2 mm、質量分數為0.46%時，電池組的最高溫升下降了45%。在電動車電池冷卻系統中，相變材料的應用可提高冷卻效率，并使電池包整體結構更為簡潔，同時，相變材料冷卻在不需要消耗其他能量或者添加額外零部件的前提下，即可實現良好的電池降溫效果，且具有比風冷、液冷等方式更為突出的散熱性能。雖然目前受相變材料的制約，該技術并未得到廣泛應用，但其仍具有良好的發展前景[25]。

1.4 熱管冷卻技術

當熱管中的工質出現相變反應時，就可將電池中的熱量快速傳導出去，且導熱能力高于所有已知金屬，這種技術稱為熱管冷卻技術。如圖3所示，熱管的組成包括殼體、吸液芯與液態工質等，且熱管分為中間的絕熱段及兩端的蒸發段與冷凝段3部分。當電池工作時，會使熱管一端受熱，而吸液芯內因存在大量毛細材料故而吸滿了液體，受熱后液體吸收熱量并蒸發。由于熱管的壓差作用，蒸汽會在冷凝端釋放熱量并冷凝，這些冷凝液受毛細材料吸引力的吸引，會重新流入蒸發端，進而通過液體的蒸發與冷凝循環為電池降溫[26]。

受限于形狀，熱管不適合直接與電池接觸換熱，常焊接在電池間的金屬板上。受工質特性的影響，不同的脈動熱管適用于不同場合，其中，以水和正戊烷的混合物為工質、填充量為60%的脈動熱管，適用于低負荷的熱管理。當空氣側溫度高于40 ℃時，以水或甲醇為工質的冷卻效果較好。熱管形式多樣，有助于開發冷卻、加熱電池熱管理系統，保證電池組在高溫和0 ℃以下的環境中，工作在最佳溫度范圍，確保正常運行。熱管冷卻技術具有高導熱性、熱流方向可逆等優勢，同時還可與其他冷卻方式綜合使用。

1.5 冷媒直冷技術

冷媒直冷技術是指將制冷劑直接通過蒸發器和冷凝器進行制冷，而無需借助中間的冷媒循環。這種技術具有制冷效果好、節能環保等優點，因此被越來越多的汽車廠商采用。具體來說，冷媒直冷技術是通過將制冷劑氣體壓縮成高溫高壓氣體，再在前端冷凝器中冷凝成高溫中壓液體，通過膨脹閥碰撞進入蒸發器，變成低溫低壓兩相流。制冷劑在車艙空調蒸發器或電池包內冷板中吸收熱蒸發，蒸發后變成氣體回到壓縮機，完成整個循環。冷媒直冷技術的優勢在于，不需要使用中間的冷媒循環，因此制冷效率更高、能耗更低[27]。同時，冷媒直冷技術采用的是環保制冷劑，可以減少對環境的污染。另外，由于冷媒直冷技術采用的是直接制冷方式，因此制冷系統的體積也可以減小，從而提高汽車的空間利用率。

寶馬i3采用了韓國LG電池三元材料94Ah方形鋁殼電芯作為電池材料。這樣的電池材料具有高能量密度、高安全性和長壽命等優點，可為寶馬i3提供穩定的動力輸出和優良的續航里程。為了更好地保障電池的性能和安全，寶馬i3電池包由8個模組組成，每個模組包含12個電芯。此外，寶馬i3還采用了一種獨特的電池模塊間隔設計，將電池模塊間的間距設置在大于10 mm的安全間距，以防止電池模塊間發生熱失控連鎖反應[28]。為了進一步提高電池的散熱效果，寶馬i3在電池包的箱體底部布置了8根冷板，這些冷板內通制冷劑，直接冷卻電池模塊底部。相比于液體冷卻系統，制冷劑直冷的優勢在于可以省去外循環水冷系統，從而降低了汽車的結構復雜度和維護成本。

2 新能源汽車動力電池冷卻系統的發展方向

隨著電動汽車的普及，動力電池的冷卻系統成為了一個重要的研究方向。動力電池的高溫會對電池壽命和性能造成影響，因此需要對電池進行冷卻。目前，主要的冷卻方式是利用液冷系統和空氣冷卻系統。但是，液冷系統成本高，維護難度大，而空氣冷卻系統的冷卻效果不佳。因此，需要對冷卻介質進行研發，以取代現有的液冷系統。這種冷卻介質需要具有更低成本和更高傳熱效率。除了冷卻介質的研發，還需要將兩種及以上的冷卻方式相結合，以得到更好的冷卻效果。空氣冷卻系統將以輔助冷卻的方式存在于動力電池熱管理系統中。這種結合方式可以大大提高冷卻效率，減少電池溫度的變化[29]。最后，研究更高效靈敏且智能化的預警裝置，將極大地降低事故的發生率。預警裝置可以通過對電池溫度、電流等參數的檢測，及時發出預警信號，幫助駕駛員及時采取措施，避免事故的發生。動力電池冷卻是電動汽車發展中不可忽視的重要環節。通過對冷卻介質與冷卻方式的研究，可以提高電池的性能和壽命，保障電動汽車的安全性和可靠性[30]。

3 結束語

綜上所述，通過對新能源汽車動力電池冷卻技術的研究，發現不同技術有著不同的特點與優勢。目前，空氣冷卻技術以及液體冷卻技術的應用較為廣泛，空氣冷卻技術雖然在散熱方面表現差強人意，但是其具有結構簡單、安全、維護方便等特點。液體冷卻技術的換熱系數高、速率快、均溫性好，但是其結構更為復雜，后續的維修以及保養成本也更高。此外，冷媒直冷技術也具有節能環保以及制冷效果好等優勢。雖然相變材料冷卻與熱管冷卻技術由于部分原因還沒有得到廣泛應用，但是隨著科技的發展，依然具備良好的發展前景。

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（責任編輯 明慧）