摘 要：在新能源汽車的不斷發(fā)展中，電池的使用壽命，續(xù)航能力，動力性能以及安全性逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，而影響上述因素的主要原因在于電池在運(yùn)行過程中會集聚大量的熱量，從而降低電池的性能，影響電池功率，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致熱失控，因此如何有效地對電池系統(tǒng)進(jìn)行熱管理成為新能源汽車發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。文章首先對目前市場上常見的電池類型進(jìn)行介紹，并就電池散熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行探討，而后詳細(xì)分析了幾種典型的電池散熱技術(shù)，剖析了他們的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場景。最后對新能源汽車動力電池散熱技術(shù)的發(fā)展提出了一定的建議。

關(guān)鍵詞：新能源電池 散熱技術(shù) 熱管理系統(tǒng)

0 引言

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，能源問題逐漸引起了人們的注意，汽車行業(yè)作為工業(yè)化的代表，其發(fā)展備受關(guān)注。近年來新能源汽車研發(fā)不斷取得突破性進(jìn)展，以結(jié)構(gòu)簡單，清潔無污染，能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)，逐步占領(lǐng)市場。目前市場上的新能源車主要分為混合動力汽車（HEV）、燃料電池汽車（FEV）和電動汽車（EV）[1]?；旌蟿恿ζ嚢l(fā)展最早，在結(jié)構(gòu)上保留了內(nèi)燃機(jī)，增加了燃料電池或動力電池系統(tǒng)，使其能夠通過電池驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行?；旌蟿恿ζ嚰夹g(shù)路線比較成熟，性能相對完善，滿足了新能源汽車的需求，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用較為廣泛。燃料電池汽車通過化學(xué)反應(yīng)來提供動力，其中包含催化劑的影響，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能使汽車運(yùn)行，但由于采用的氫氣等燃料存在儲存和運(yùn)輸?shù)陌踩詥栴}，還需要進(jìn)一步發(fā)展研究。電動汽車驅(qū)動汽車行駛僅依靠動力電池來帶動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，無內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單，對環(huán)境無污染、能量利用率也較高，是目前汽車發(fā)展的主要趨勢。

目前影響新能源汽車發(fā)展的主要因素體現(xiàn)在電池的動力性和安全性上，電池在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的熱量積聚在汽車內(nèi)部，如果不及時(shí)散熱會降低電池的性能，影響電池的壽命，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致熱失控產(chǎn)生無法挽回的后果。因此如何有效地對電池進(jìn)行熱管理是新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。

1 電池類型及發(fā)展

對于新能源汽車而言，電池的性能至關(guān)重要，不僅表現(xiàn)在電池的價(jià)格，使用壽命，續(xù)航能力，動力性能上，電池的安全性也是需要重點(diǎn)考慮的因素。目前常見的動力電池分為四類：鉛酸蓄電池、鎳氫電池、燃料電池和鋰離子電池[3]。

1.1 鉛酸蓄電池

鉛酸電池出現(xiàn)時(shí)間較早，大約有150年的歷史，理論研究方面達(dá)到了非常成熟的水平，在各個(gè)領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。在充放電時(shí)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)換，從而為汽車提供能量。鉛酸電池發(fā)展較早，其技術(shù)相對成熟，具有價(jià)格低、維護(hù)方便，可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也有著壽命短、能量低、污染嚴(yán)重等問題，目前在汽車的應(yīng)用主要是發(fā)動機(jī)啟動、向用電設(shè)備供電等方面。

1.2 鎳氫電池

鎳氫電池作為20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種堿性電池，在充電時(shí)氫氧化鎳在氫氧化鉀溶液中通過電化學(xué)反應(yīng)生成氫氧化氧鎳和氫氣，在放電情況下又轉(zhuǎn)化為氫氧化鎳。相比鉛酸電池，其使用壽命長、清潔無污染，但存在比能量低、材料成本較高、高溫充放電性能差等問題，目前在混合動力汽車上應(yīng)用較多。

1.3 燃料電池

燃料電池一種將燃料與氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，其正負(fù)極在電解液中通過氫氧化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，從而帶動電機(jī)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)汽車的行駛。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是能量效率高、無污染、噪音小等，缺點(diǎn)是使用壽命短、成本高、充放電電流受限等，目前燃料電池技術(shù)仍處于不斷發(fā)展階段。

1.4 鋰離子電池

鋰離子電池在生活中應(yīng)用廣泛，作為車用動力電池時(shí)，采用石墨類碳材料作為負(fù)極，鋰過渡金屬氧化物為正極，在含鋰鹽電解液中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。鋰離子電池的比能量高，在放電過程中不會造成環(huán)境污染，其綜合性能較好，但鋰離子電池的缺點(diǎn)是一致性較差、低溫性能不良、管理系統(tǒng)復(fù)雜，且電池組管理的各種設(shè)備也增加了其使用成本，作為目前相對性能最優(yōu)的電池，鋰離子電池廣泛應(yīng)用在各方面，對其研究也在不斷推進(jìn)[4]。

2 電池散熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，動力電池也在不斷的發(fā)展。以鋰離子電池為例，根據(jù)性能特性與其他電池相比，鋰離子電池在新能源汽車市場中應(yīng)用更為廣泛。但它的性能會受到環(huán)境溫度的制約。鋰離子電池的最佳工作溫度在20℃至40℃的之間。一旦超出范圍，無論是高溫還是低溫環(huán)境，都可能導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度分布不均，影響循環(huán)壽命[5]。

在鋰離子電池的充放電循環(huán)過程中，其內(nèi)部會發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)從而使得部分化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為熱能，這一過程導(dǎo)致內(nèi)阻變化，且該變化又反饋?zhàn)饔糜跓崃康漠a(chǎn)生機(jī)制，造成電池內(nèi)部不同區(qū)域溫度分布顯著不均，進(jìn)而顯著削弱電池的整體性能。此外，充放電期間還伴隨著熱量的大量累積，若散熱機(jī)制效率不足，無法迅速有效地降低電池組的溫度，還可能觸發(fā)熱失控的潛在風(fēng)險(xiǎn)，甚至發(fā)生電池自燃的嚴(yán)重后果。構(gòu)建高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電池組的有效冷卻，這是保障電池性能與安全的重要措施。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對電池溫度的監(jiān)測，避免局部過熱現(xiàn)象，設(shè)計(jì)合理的散熱機(jī)制，增強(qiáng)電池組的安全性，保障其工作性能的穩(wěn)定性與可靠性。研發(fā)高效穩(wěn)定、快速響應(yīng)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對于推動新能源汽車的發(fā)展具有重要意義。

3 電池系統(tǒng)冷卻方式

新能源汽車電池散熱是一個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的過程，要確保電池在工作時(shí)能夠保持適宜的溫度，以提高其性能，延長使用壽命及提高安全性。其散熱方式主要以熱傳導(dǎo)為主，電池工作過程中會產(chǎn)生的熱量通過電池內(nèi)部的導(dǎo)熱材料和電池外殼，以熱傳導(dǎo)的方式向外界環(huán)境傳遞。新能源汽車電池的散熱方式有很多種，總體上可以分為被動散熱和主動散熱兩類。被動散熱主要依靠電池內(nèi)部材料，電池外殼與外部環(huán)境之間的換熱實(shí)現(xiàn)冷卻效果。主動散熱包括風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻和熱管冷卻等多種方式，主要通過外部設(shè)備和特殊材料進(jìn)行散熱[6]。

3.1 風(fēng)冷散熱方式

風(fēng)冷也稱空氣冷卻，作為新能源汽車電池組的一種散熱方式，即具有其獨(dú)特的優(yōu)勢也存在一定的局限性。作為最早的冷卻方式之一，風(fēng)冷技術(shù)已經(jīng)過長時(shí)間的優(yōu)化，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。風(fēng)冷系統(tǒng)不涉及復(fù)雜的液體循環(huán)或相變過程，因此故障率較低，維護(hù)容易。風(fēng)冷系統(tǒng)相對簡單，主要依賴空氣的自然對流或強(qiáng)制對流來散熱，因此成本較低，適合大規(guī)模應(yīng)用。但與液冷、相變材料冷卻等散熱方式相比，風(fēng)冷的散熱效率較低。在高功率放電或極端環(huán)境條件下，可能無法滿足電池組的散熱需求，同時(shí)風(fēng)冷受環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速等外界條件影響較大，在高溫環(huán)境下，風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱能力會顯著下降。

串行通風(fēng)方式中，冷卻空氣依次流經(jīng)電池單體帶出熱量，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。然而空氣流經(jīng)電池單體時(shí)其溫度會逐漸升高，導(dǎo)致對后續(xù)電池單體的冷卻效果減弱。因此串行通風(fēng)方式適用于電池組容量較小、發(fā)熱量不高的場景。并行通風(fēng)方式中，從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電池箱的冷卻風(fēng)同時(shí)流經(jīng)所有的電池單體，將熱量從出風(fēng)口排出，確保了每個(gè)電池單體都能得到相對均勻的冷卻。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于散熱效率高、散熱均勻性好，同時(shí)由于空氣流量分配相對均勻，也可以避免電池單體之間出現(xiàn)較大的溫差。因此并行通風(fēng)方式適用于電池組容量較大、發(fā)熱量較高的場景[7]。

被動式的冷卻方式主要是自然對流冷卻，自然對流冷卻主要依靠電池組與周圍環(huán)境的溫度差引起的空氣自然流動來實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞和散發(fā)。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但散熱效果受環(huán)境影響較大，不適用于高倍率放電場景。主動風(fēng)冷方式又叫強(qiáng)制風(fēng)冷，通過加裝風(fēng)扇或利用蒸發(fā)器等方式，人為地增加空氣流動速度或降低冷卻風(fēng)的溫度，增強(qiáng)散熱效果。這種方式換熱效果好，但成本較高，維護(hù)難度大，適用于高功率、高發(fā)熱量、對散熱要求高的場景[8]。

3.2 液冷散熱方式

液冷冷卻方式相比空氣冷卻方式的冷卻效果更好，其依靠傳熱介質(zhì)的持續(xù)循環(huán)流動，以實(shí)現(xiàn)高效的熱量傳遞。傳熱介質(zhì)可分為直接接觸式與非直接接觸式。前者涵蓋了諸如礦物油之類的介質(zhì)，它們能夠直接與熱源接觸以吸收并轉(zhuǎn)移熱量；而后者則包括水和專用冷卻液等，它們通過熱交換器高效地將熱量帶走。

液冷冷卻系統(tǒng)是目前汽車領(lǐng)域上應(yīng)用較為廣泛的一種冷卻方式，冷卻液種類較多，一般液體相較于氣體對流換熱系數(shù)要大很多，因而在散熱過程中能夠更有效地轉(zhuǎn)移熱量。因此液冷系統(tǒng)即便在高速率的充放電循環(huán)下，也能維持電池組內(nèi)部的溫度均衡性，滿足較高的散熱需求。但液冷系統(tǒng)電池組內(nèi)部管路布局設(shè)計(jì)復(fù)雜，增加了整體成本[9]。此外，液冷系統(tǒng)對管道密封性的要求也很高，任何微小的泄漏都可能削弱冷卻效果，對于直接接觸式，還可能加劇溫度分布的不均勻性，影響電池性能與壽命。

3.3 相變材料冷卻散熱方式

相變材料實(shí)際上就是傳熱介質(zhì)，在電池組中通過附著于電池表面與電池組合成一體。當(dāng)電池在充放電過程中溫度逐漸升高到接近其相變溫度時(shí)，相變材料會吸收熱量，實(shí)現(xiàn)從固態(tài)到液態(tài)的物理相態(tài)轉(zhuǎn)變過程，這一轉(zhuǎn)變有效地緩解了電池表面的溫度上升，實(shí)現(xiàn)了溫度的調(diào)控[10]。

作為一種被動式的冷卻方式，相變材料在電池放電階過程中能夠有效吸收熱量并儲存能量，同時(shí)，在環(huán)境溫度偏低時(shí)，它還能釋放儲存的熱能來提升電池溫度，從而保障汽車?yán)鋯拥男阅堋Ｏ嘧儾牧显谙鄳B(tài)轉(zhuǎn)換過程中的延時(shí)儲能與能量釋放的特性，對于維持電池組內(nèi)溫度的均衡行也起到了至關(guān)重要的作用，確保了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。石墨作為一種典型相變材料，因其相變條件要求不高及成本低廉，在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。該冷卻方式在提升電池溫度分布均勻性方面表現(xiàn)突出。但部分相變材料的低導(dǎo)熱率特性也會影響熱量的傳遞，并且相變材料的儲能容量有限，當(dāng)熱量累積至無法及時(shí)排出時(shí)，可能引發(fā)材料物理性質(zhì)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)效能下降。因此相變材料更適宜于適當(dāng)溫度條件下的冷卻，不適用于長時(shí)間高倍率充放電且溫度較高的情況下。為了克服上述局限，國內(nèi)外研究者普遍采取的方法是在相變材料中摻入金屬粉末，來提升材料的傳熱效率，加快電池與相變材料間的熱量傳遞，進(jìn)一步優(yōu)化冷卻效果，確保電池系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 熱管冷卻散熱方式

熱管是一種高效傳熱元件，主要通過熱傳導(dǎo)與相變材料快速傳熱的方式實(shí)現(xiàn)對溫度的調(diào)控，它具有優(yōu)異的溫度調(diào)控性能，并且導(dǎo)熱能力較強(qiáng)。熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，兩端分別為蒸發(fā)端和冷凝端。蒸發(fā)端內(nèi)，管內(nèi)液體受熱蒸發(fā)吸收熱源釋放的熱量；以蒸汽的形式流至冷凝端，在冷凝端凝結(jié)為液態(tài)，此過程釋放的熱量被外部環(huán)境吸收。在壓力的驅(qū)動下，冷凝后的液體流回蒸發(fā)端，形成一個(gè)熱量吸收與釋放的循環(huán)過程，有效的降低了熱源溫度[11]。熱管的傳熱能力強(qiáng)且熱量傳遞過程可循環(huán)，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，但其在成本控制及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，材料選取等方面仍需要進(jìn)一步研究。

車輛中采用的空調(diào)液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可分為獨(dú)立式和集成式。獨(dú)立式液冷機(jī)組專門用于電池組的散熱。集成式液冷系統(tǒng)則創(chuàng)新性地融合了乘客艙空調(diào)與電池冷卻模塊，通過在傳統(tǒng)車輛空調(diào)系統(tǒng)中增設(shè)并聯(lián)的電池冷卻環(huán)路來實(shí)現(xiàn)冷卻效果，將電池中積聚的熱量排至外部環(huán)境。

4 結(jié)論

新能源汽車電池的散熱對于保障電池的性能、安全性和循環(huán)壽命至關(guān)重要。過高或過低的溫度都會影響電池的循環(huán)壽命和性能。目前，最常見的動力電池冷卻方式主要有四種：風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻和熱管冷卻。根據(jù)不同冷卻方式的換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)液冷方式相較于其他方式冷卻效果更好。我國在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)上有了技術(shù)提升，從早期的自然冷卻方法逐步轉(zhuǎn)型至更為高效的液冷方式。根據(jù)現(xiàn)有的熱管理方案發(fā)現(xiàn)單一冷卻方式的溫度調(diào)控效果不太理想，復(fù)合式熱管理技術(shù)的應(yīng)用更為高效。新型熱管理系統(tǒng)的研發(fā)目標(biāo)應(yīng)取代單一的高溫冷卻功能，在電池處于低溫環(huán)境時(shí)實(shí)現(xiàn)一定的溫度提升，從而確保電池溫度保持在適宜范圍內(nèi)。

基金項(xiàng)目：工程熱力學(xué)教學(xué)資源庫項(xiàng)目（HHJTXY-2022kczyk051）；工程熱力學(xué)一流課程項(xiàng)目（HHJTXY-2023ylkc19）。

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