新能源汽車“隱形引擎”：電池熱管理系統探秘

摘 要：電池熱管理系統能夠通過精確控制電池溫度，有效減緩電池的老化速度，延長電池的使用壽命。熱管理系統可以在電池溫度過高時及時散熱，避免電池長期處于高溫狀態；在低溫環境下，通過加熱使電池保持在適宜的工作溫度。這樣一來，電池內部的化學反應能夠在較為穩定的條件下進行，減少了對電池材料的損害，從而延長了電池的使用壽命。

關鍵詞：新能源汽車 電池熱管理 環境保護 技術 安全

1 新能源汽車發展熱潮

近年來，新能源汽車在全球范圍內呈現出迅猛發展的態勢。隨著環保意識的增強和對傳統燃油汽車排放限制的日益嚴格，新能源汽車作為一種更清潔、更高效的出行方式，受到了廣泛關注和青睞。在新能源汽車蓬勃發展的背后，也面臨著一些亟待解決的問題，其中電池熱管理問題尤為突出。電池作為新能源汽車的核心部件，其性能和安全性直接影響著整車的性能和可靠性。然而，電池在充放電過程中會產生大量的熱量，如果不能及時有效地進行管理，將會導致電池溫度過高或過低，進而影響電池的壽命、性能和安全性。

2 電池熱管理系統的關鍵作用

2.1 確保電池性能穩定

溫度對電池性能有著至關重要的影響，這在電池的容量和充放電效率方面表現得尤為明顯。在低溫環境下，電池內部的化學反應速度顯著減慢，這使得電池的容量大幅降低。以常見的鋰離子電池為例，當環境溫度降至0℃以下時，電池容量可能會減少20%-40%，這意味著車輛的續航里程會隨之大幅縮短。而在高溫環境下，雖然電池的化學反應速度加快，在短時間內可能會使電池容量有所增加，但這種高溫狀態對電池的長期性能極為不利，持續的高溫會加速電池內部的副反應，導致電池材料的結構逐漸被破壞，從而使電池容量快速衰減。有研究表明，當電池溫度超過50℃時，每升高10℃，電池容量在一個月內的衰減速度可能會增加一倍。同時，高溫還會使電池的充放電效率降低，能量損失增大。

電池熱管理系統通過一系列的技術手段，如冷卻、加熱和溫度均衡等，來維持電池在最佳的工作溫度范圍內，通常為25℃-40℃。當電池溫度過高時，熱管理系統會啟動冷卻裝置，通過空氣冷卻、液體冷卻或相變材料冷卻等方式，將電池產生的熱量及時散發出去，降低電池溫度，從而避免高溫對電池性能的損害。相反，當電池溫度過低時，熱管理系統會啟動加熱裝置，對電池進行加熱，提高電池溫度，使電池能夠正常工作。

2.2 延長電池使用壽命

電池的老化是一個不可避免的過程，而高溫和低溫環境都會顯著加速這一過程，縮短電池的使用壽命。在高溫環境下，電池內部的化學反應速率會大幅增加，這不僅會導致電池容量的快速衰減，還會使電池內部的材料發生不可逆的變化。低溫環境同樣會對電池壽命產生負面影響，在低溫下，電池內部的鋰離子活性降低，電池的充放電性能變差，這會使得電池在充放電過程中承受更大的應力，從而加速電池的老化；而且，低溫還可能導致電池內部的電解液結冰，體積膨脹，進而損壞電池的內部結構。

電池熱管理系統能夠通過精確控制電池溫度，有效減緩電池的老化速度，延長電池的使用壽命。熱管理系統可以在電池溫度過高時及時散熱，避免電池長期處于高溫狀態；在低溫環境下，通過加熱使電池保持在適宜的工作溫度。這樣一來，電池內部的化學反應能夠在較為穩定的條件下進行，減少了對電池材料的損害，從而延長了電池的使用壽命。

2.3 保障電池安全運行

電池熱失控是新能源汽車電池面臨的最嚴重的安全問題之一，它可能引發火災甚至爆炸，對人員和財產安全構成巨大威脅。電池熱失控通常是由于電池內部溫度過高，導致電池內部的化學反應失控，產生大量的熱量和氣體，這些熱量和氣體在電池內部積聚，使得電池內部壓力急劇升高，最終可能導致電池外殼破裂，引發火災或爆炸。導致電池熱失控的原因有很多，包括電池內部短路、過充過放、高溫環境以及電池材料的熱穩定性差等。

電池熱管理系統在預防熱失控方面發揮著關鍵作用。它通過實時監測電池的溫度、電壓、電流等參數，能夠及時發現電池的異常狀態。一旦檢測到電池溫度過高或有熱失控的跡象，熱管理系統會立即采取措施，如啟動強制冷卻系統，加大散熱力度，降低電池溫度；或者通過電池管理系統（BMS）調整電池的充放電策略，停止充電或限制放電電流，避免電池進一步發熱。此外，熱管理系統還可以采用一些安全設計，如在電池組中設置隔熱材料和安全閥等。通過這些措施，電池熱管理系統能夠有效地預防電池熱失控的發生，保障新能源汽車的安全運行。

3 工作原理與技術路線

3.1 工作原理剖析

新能源汽車電池熱管理系統的工作原理基于熱量的產生、傳遞、轉換和消散過程，其核心目標是維持電池及其他關鍵部件在最佳的溫度范圍內，確保新能源汽車的高效、安全運行。

在新能源汽車運行過程中，電池是主要的熱源之一。當電池進行充放電時，內部會發生復雜的電化學反應，這些反應會產生大量的熱量。以鋰離子電池為例，其產熱主要來源于三個方面：一是極化熱，在充放電過程中，電池內部會出現活性極化和濃差極化現象，從而產生極化熱；二是內阻焦耳熱，電流通過電池內阻時，會產生焦耳熱，這是電池充放電過程中最主要的熱量來源；三是化學反應熱，鋰離子在電池正負極之間的遷移會伴隨著化學反應，進而產生熱量。除了電池，電機和電控單元在高負荷工作時，由于電流的流動和磁場的變化，也會產生一定的熱量。

為了實現對電池溫度的精確控制，熱管理系統通常配備了溫度傳感器、控制器和執行器等組件。溫度傳感器實時監測電池的溫度，并將溫度信號傳輸給控制器。控制器根據預設的溫度范圍和控制策略，對傳感器傳來的溫度信號進行分析和處理，然后發出控制指令，驅動執行器動作。

3.2 主要技術路線

風冷技術：風冷技術是利用空氣作為熱交換介質來帶走電池產生的熱量。其工作原理是通過風扇或自然對流使空氣在電池組中流動，空氣與電池表面接觸，吸收熱量后帶走，從而實現電池的降溫。

液冷技術：液冷技術是目前新能源汽車電池熱管理中應用較為廣泛的一種技術。它采用冷卻液作為熱交換介質，通過冷卻液在電池組中的循環流動，吸收電池產生的熱量，然后將熱量傳遞給散熱器，再由散熱器將熱量散發到環境中。

冷媒直冷技術：冷媒直冷技術是利用汽車空調系統中的制冷劑直接對電池進行冷卻。其工作原理是冷媒在蒸發器中蒸發，從電池吸收熱量，然后在壓縮機的作用下被壓縮成高溫高壓氣體，再通過冷凝器散熱，重新變為液態冷媒，循環往復。

熱管冷卻技術：熱管是一種高效的傳熱元件，它利用液體的蒸發和冷凝來傳遞熱量。熱管冷卻技術在新能源汽車電池熱管理中的應用原理是將熱管安裝在電池組中，熱管的一端與電池表面接觸，當電池產生熱量時，熱管內的液體吸收熱量后蒸發，蒸汽在熱管內迅速流動到另一端，在另一端遇冷后冷凝成液體，釋放出熱量，然后液體再通過毛細作用或重力作用回流到蒸發端，如此循環往復，實現熱量的高效傳遞。

相變材料冷卻技術：相變材料（PCM）冷卻技術是利用相變材料在相變過程中吸收或釋放熱量的特性來控制電池溫度。當電池溫度升高時，相變材料吸收熱量并發生相變，從固態轉變為液態或從液態轉變為氣態，從而將熱量存儲起來，使電池溫度不會迅速上升；當電池溫度降低時，相變材料釋放熱量，恢復原來的狀態。

4 技術發展現狀

當前，新能源汽車電池熱管理系統在技術層面呈現出多元化的發展態勢，多種技術路線并行且不斷演進。

風冷技術作為較為基礎的熱管理技術，雖然在散熱效率上存在一定局限性，但因其結構簡單、成本低廉，在一些對成本控制較為嚴格且電池發熱量相對較小的新能源汽車中仍有應用。不過，隨著新能源汽車電池能量密度的不斷提升以及充放電功率的增大，風冷技術逐漸難以滿足日益增長的散熱需求。

液冷技術憑借其高效的散熱能力，成為目前新能源汽車電池熱管理的主流技術之一。許多新能源汽車制造商都在廣泛應用液冷技術，通過優化冷卻液的循環路徑、提高冷卻液的流量和流速以及改進熱交換器的設計等方式，進一步提升液冷系統的散熱效率和溫度控制精度。

冷媒直冷技術近年來也得到了越來越多的關注和應用。寶馬、比亞迪等車企在部分車型上采用了冷媒直冷技術，以應對電池熱管理的挑戰。這種技術在快速散熱和提高能源利用效率方面具有獨特優勢，但由于冷媒的特殊性，其系統設計和維護要求相對較高，需要在系統安全性和穩定性方面進行更深入的研究和優化。

熱管冷卻技術和相變材料冷卻技術作為新型的熱管理技術，雖然目前在市場上的應用范圍相對較小，但展現出了良好的發展潛力。

在熱管理系統的控制策略方面，智能化和精細化是發展的重要方向。通過采用先進的傳感器技術和控制算法，熱管理系統能夠實時監測電池的溫度、電壓、電流等參數，并根據這些參數自動調整冷卻或加熱設備的工作狀態，實現對電池溫度的精確控制。

然而，目前新能源汽車電池熱管理系統仍存在一些問題有待解決。一方面，熱管理系統的成本較高，這在一定程度上限制了新能源汽車的市場競爭力和普及速度。另一方面，熱管理系統的集成度和可靠性還有提升空間。隨著新能源汽車功能的不斷增加和復雜化，熱管理系統需要與更多的部件和系統進行集成和協同工作，這對系統的集成度和可靠性提出了更高的要求。此外，在極端工況下，如高溫、高寒、高海拔等環境條件下，熱管理系統的性能穩定性和適應性也需要進一步加強。

5 面臨挑戰與應對策略

5.1 技術挑戰

極端工況適應性：新能源汽車在不同地區和環境下使用，面臨著高溫、高寒、高海拔等極端工況的挑戰。在高溫環境下，如沙漠地區或夏季的城市，環境溫度可能超過40℃，甚至更高，這對電池熱管理系統的散熱能力提出了極高的要求。此時，傳統的熱管理系統可能無法及時有效地將電池產生的熱量散發出去，導致電池溫度過高，加速電池老化，降低電池性能。在高寒環境中，如極地地區或寒冷的冬季，環境溫度可能降至－30℃以下，電池的電解液粘度增大，離子遷移速度減慢，電池內阻顯著增加，充放電效率大幅降低。

多部件協同熱管理：新能源汽車中的電池、電機、電控等部件在工作時都會產生熱量，這些部件之間存在著復雜的熱耦合關系。例如，電池的熱量可能會傳遞到周圍的電機和電控系統，影響它們的性能；而電機和電控系統產生的熱量也可能反過來影響電池的溫度。實現多部件協同熱管理，需要綜合考慮各個部件的熱特性、工作狀態和熱需求，設計出高效的熱管理系統。

與快充技術匹配：隨著消費者對新能源汽車續航里程和充電速度要求的不斷提高，快充技術得到了廣泛應用。然而，快充過程中會產生大量的熱量，對電池熱管理系統提出了嚴峻的考驗。快充時，電池內部的電流急劇增大，導致電池溫度迅速上升，如果不能及時有效地散熱，不僅會影響電池的壽命和性能，還可能引發安全問題。

5.2 成本挑戰

新能源汽車電池熱管理系統成本較高，主要有以下幾個方面的原因。首先，熱管理系統的零部件種類繁多且技術要求高。熱管理系統包含冷卻泵、熱交換器、傳感器、控制器等多個關鍵零部件，這些零部件需要具備高精度、高可靠性和良好的熱性能，其研發和生產成本相對較高。其次，熱管理系統的研發投入大。為了滿足新能源汽車對電池熱管理的嚴格要求，企業需要投入大量的資金進行技術研發和創新，包括熱管理系統的設計、仿真分析、實驗測試等環節，這些研發成本最終都會分攤到產品價格中。目前新能源汽車市場雖然發展迅速，但與傳統燃油汽車相比，其生產規模仍然有限，這導致熱管理系統的生產難以實現規模經濟，單位產品成本較高。

5.3 應對策略探討

技術研發方向：針對技術挑戰，應加大在熱管理技術研發方面的投入。一方面，研發新型高效的散熱技術和材料，如新型熱管材料、高導熱復合材料、高性能相變材料等，以提高熱管理系統的散熱效率和溫度控制精度。另一方面，加強熱管理系統的智能化和自動化控制技術研究。通過采用先進的傳感器技術、控制算法和人工智能技術，實現熱管理系統的智能感知、智能決策和自動控制。

材料創新路徑：材料創新是解決熱管理問題的重要途徑。除了上述提到的新型散熱材料外，還可以研究開發新型的隔熱材料和密封材料。新型隔熱材料可以有效阻止熱量在電池組內的傳播，降低電池之間的熱耦合，提高電池組的安全性和穩定性。

系統集成優化措施：優化熱管理系統的集成設計，提高系統的集成度和協同性。將電池熱管理系統與電機、電控等其他部件的熱管理系統進行有機整合，實現多部件之間的熱量共享和協同控制。

6 未來發展趨勢展望

隨著人工智能、物聯網和傳感器技術的飛速發展，新能源汽車電池熱管理系統的智能化與自動化程度將不斷提高。智能算法將在熱管理系統中發揮重要作用，通過對大量數據的實時分析和處理，實現對熱管理系統的精準控制。例如，利用機器學習算法對電池的充放電狀態、溫度變化、環境條件等數據進行學習和分析，預測電池的熱需求，提前調整熱管理系統的工作模式，實現更高效的熱量管理。熱管理系統還可以根據車輛的行駛工況、駕駛習慣等因素自動優化控制策略，提高系統的能源利用效率和整體性能。

熱傳導材料的創新也將對熱管理系統的性能提升起到重要作用。石墨烯、碳納米管等高導熱材料具有優異的熱傳導性能，其導熱系數比傳統金屬材料高出數倍甚至數十倍。將這些材料應用于熱管理系統中，可以有效提高熱量傳遞速度，降低熱阻，提升散熱效果。

7 總結與啟示

新能源汽車電池熱管理系統的發展對于新能源汽車產業的發展具有重要意義。它不僅是解決新能源汽車電池性能和安全問題的關鍵，也是推動新能源汽車技術進步和產業升級的重要力量。在未來的發展中，需要政府、企業、科研機構等各方共同努力，加強技術研發和創新，完善產業鏈布局，提高產業競爭力，以實現新能源汽車電池熱管理系統的高質量發展，為新能源汽車產業的繁榮奠定堅實的基礎。

參考文獻：

[1]陳龍，宋宇，阮殿波，等.電動汽車電池管理系統綜述[J].電源學報，2020（4）：227-352.

[2]王云鵬，魯光泉，閆小勇.燃料電池電動汽車的研究現狀與挑戰[J].國際氫能雜志，2019，44（49）：26662-26679.

[3]饒中浩，張國慶.電池熱管理[M].北京：北京航空航天大學出版社，2021.

[4]王震坡，孫逢春，林程.電動汽車動力電池熱管理系統技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2018.