【摘要】通過(guò)綜述新能源汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)包括空氣冷卻技術(shù)、液體冷卻技術(shù)、變相材料冷卻、熱管冷卻技術(shù)以及冷媒直冷冷卻，分析各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)及應(yīng)用情況，總結(jié)動(dòng)力電池冷卻技術(shù)的研究現(xiàn)狀并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。未來(lái)，新能源汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)需要對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn)行研發(fā)，以取代現(xiàn)有的液冷系統(tǒng)，同時(shí)還需要將兩種及以上的冷卻方式相結(jié)合并研究更高效靈敏且智能化的預(yù)警裝置，以得到更好的冷卻效果。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動(dòng)力電池；冷卻技術(shù)

中圖分類號(hào)：U469.72" "文獻(xiàn)標(biāo)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(huán)保節(jié)能及可持續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)成為汽車行業(yè)的核心發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。目前，大多數(shù)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(guò)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(yùn)行環(huán)境溫度過(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致充電和放電效率下降，電池循環(huán)壽命縮短，甚至可能引發(fā)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(huán)境下運(yùn)行，可能導(dǎo)致內(nèi)部液體腐蝕電池外殼并發(fā)生泄漏，這不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，還可能引發(fā)其他駕駛安全問(wèn)題[10-12]。新能源電池冷卻系統(tǒng)能對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻，確保電池保持在理想的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)。因此，新能源電池冷卻系統(tǒng)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(tǒng)通風(fēng)和空氣循環(huán)進(jìn)行冷卻外，還需采用液體循環(huán)、熱管散熱和相變材料散熱等多種方式來(lái)促進(jìn)熱量的傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)換，從而有效地控制電池組的溫升[13-14]。常見(jiàn)的新能源汽車電池組冷卻系統(tǒng)主要通過(guò)能量熱交換來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移，不同介質(zhì)材料在吸熱和散熱時(shí)的表現(xiàn)有所差異，需結(jié)合電池組在不同運(yùn)行狀態(tài)下的發(fā)熱量變化趨勢(shì)進(jìn)行合理規(guī)劃，確保電池組在充放電狀態(tài)下均能維持相對(duì)穩(wěn)定和安全的工作環(huán)境，從而提高新能源汽車電池組的整體性能和續(xù)航能力[15-17]。在設(shè)計(jì)新能源汽車電池組冷卻系統(tǒng)時(shí)，可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)定不同的車輛運(yùn)行工況和電池輸出功率進(jìn)行多次數(shù)據(jù)驗(yàn)證，細(xì)致分析冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的電池電流及表面溫度，平衡電池充放電循環(huán)壽命與散熱需求，持續(xù)優(yōu)化新能源汽車電池組冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

目前針對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)的研究主要在系統(tǒng)工作原理、電池發(fā)熱原理、應(yīng)用重要性以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面，對(duì)于相關(guān)技術(shù)的深入剖析以及應(yīng)用實(shí)踐研究較少。因此，本文重點(diǎn)對(duì)各類動(dòng)力電池冷卻技術(shù)進(jìn)行研究，了解各技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以及適用范圍，最后提出動(dòng)力電池冷卻技術(shù)的發(fā)展方向。

1 新能源汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)分析

1.1 空氣冷卻技術(shù)

目前動(dòng)力電池空氣冷卻技術(shù)的發(fā)展已達(dá)到較高水平，耗用成本最低，電池冷卻過(guò)程中在不影響其性能及電池反應(yīng)的前提下能達(dá)到良好的冷卻效果。鑒于其優(yōu)勢(shì)，物流車等大型電動(dòng)車輛均采用空氣冷卻技術(shù)作為首選。

空氣冷卻技術(shù)包括自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷。自然風(fēng)冷在成本方面具備更大優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)階段用戶對(duì)電動(dòng)汽車是否具備強(qiáng)勁動(dòng)力性能極為關(guān)注，這也迫使廠商為電動(dòng)汽車配備了更大容量的動(dòng)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(fēng)冷技術(shù)已無(wú)法快速實(shí)現(xiàn)電池散熱[18]。強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)可使電池最高溫度不超出最大閾值，但需要科學(xué)設(shè)置電池箱及氣體流道結(jié)構(gòu)，以免單個(gè)電池出現(xiàn)溫差過(guò)大的情況。對(duì)此，還需要科研人員盡可能對(duì)空氣流場(chǎng)相關(guān)技術(shù)予以優(yōu)化。

空氣流道結(jié)構(gòu)是空氣冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，目前，冷卻空氣流道分為串行與并行，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

受串行通風(fēng)結(jié)構(gòu)限制，冷卻空氣僅可從進(jìn)風(fēng)口流入，從出風(fēng)口流出，之間會(huì)流經(jīng)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(dǎo)致整個(gè)電池組溫差過(guò)大，且隨著流道長(zhǎng)度的增加，溫差也將更加明顯。并行散熱結(jié)構(gòu)對(duì)這一劣勢(shì)進(jìn)行了優(yōu)化，與串行通風(fēng)結(jié)構(gòu)不同，并行通風(fēng)結(jié)構(gòu)冷卻空氣是從電池箱底部流入，再沿著導(dǎo)流板對(duì)電池進(jìn)行降溫，由于流經(jīng)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(duì)于串行空冷系統(tǒng)，周期為120 s的并行空氣冷卻系統(tǒng)，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(dòng)車企業(yè)采用的是并行冷卻方案，但是由于氣固對(duì)流換熱系數(shù)較低的原因，這種方案存在著冷卻效率不高的問(wèn)題。不過(guò)，日產(chǎn)公司的Leaf電池系統(tǒng)采用的風(fēng)冷技術(shù)，將空氣直接吹入電池組進(jìn)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(fēng)冷方案，將空調(diào)冷氣抽進(jìn)電池包增強(qiáng)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(jié)約能源。

除此之外，還有一些企業(yè)采用了一些特殊設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)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(dǎo)熱槽、金屬針板及金屬褶皺板，組成三明治結(jié)構(gòu)，可以增加電池與空氣的換熱面積。THINK GLOBAL的Think City車型在每?jī)善⒙?lián)電池頭部間均有中空鋁制導(dǎo)熱槽來(lái)增強(qiáng)冷卻效果。目前風(fēng)冷技術(shù)是鋰離子電池組冷卻的主要方式之一[22]，不同的電動(dòng)車企業(yè)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(shù)

液體冷卻技術(shù)以其比熱容及換熱系數(shù)高的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用，該技術(shù)需要應(yīng)用液體介質(zhì)來(lái)對(duì)電池組進(jìn)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(zhì)。液體介質(zhì)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(shù)的主要區(qū)分方式。

直接冷卻是使絕緣冷卻液充分浸沒(méi)電池組，通過(guò)二者之間的直接接觸，使電池組實(shí)現(xiàn)快速降溫。間接冷卻技術(shù)主要是利用電池包中的液冷板對(duì)流傳熱實(shí)現(xiàn)電池降溫。當(dāng)前，新型電子冷卻介質(zhì)NOVEC 7000的應(yīng)用較為普遍，該介質(zhì)不僅能夠通過(guò)熱傳導(dǎo)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(huán)次數(shù)過(guò)多，其對(duì)電池組的降溫效果也會(huì)逐步降低，但新型電子冷卻介質(zhì)NOVEC 7000卻無(wú)這一弊端，由此可見(jiàn)，NOVEC 7000有著廣闊發(fā)展空間。

特斯拉Model S采用了一種先進(jìn)的水冷設(shè)計(jì)，以確保電池包的安全和穩(wěn)定性。冷卻系統(tǒng)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(dǎo)熱材料，以確保電池的溫度在可控范圍內(nèi)，從而避免電池過(guò)熱和過(guò)冷。為了進(jìn)一步增強(qiáng)安全性，電池包被分割成多個(gè)區(qū)域，并設(shè)置了多個(gè)隔熱墻，以隔離各區(qū)域間熱失控傳播的風(fēng)險(xiǎn)。這種設(shè)計(jì)不僅可以避免電池過(guò)熱或過(guò)冷，還可以確保在發(fā)生任何故障時(shí)，只有局部區(qū)域受到影響，而不會(huì)影響整個(gè)電池包。雖然這種設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了更高的安全性和穩(wěn)定性。

液冷系統(tǒng)與空氣冷卻有著本質(zhì)區(qū)別，液冷系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于換熱系數(shù)高、速率快、均溫性好，同時(shí)由于該冷卻方式必須使用密封設(shè)計(jì)，也提高了電動(dòng)汽車涉水安全性。但液冷系統(tǒng)需要安裝換熱器等零部件，提高了其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，無(wú)論是生產(chǎn)還是后續(xù)維修、保養(yǎng)，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(nèi)，相變材料（Phase Change Material， PCM）可改變自身物理形態(tài)，并在這一過(guò)程中出現(xiàn)吸熱或放熱的現(xiàn)象，利用相變材料這一特性，使其浸沒(méi)電動(dòng)車電池，對(duì)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(dāng)前，石蠟復(fù)合材料應(yīng)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(dǎo)熱性能差，還需要向其中添加熱導(dǎo)率較高的材料（如金屬泡沫等），制作出石蠟復(fù)合材料。向石蠟中添加碳纖維也可提高導(dǎo)熱性能，當(dāng)碳纖維的長(zhǎng)度為2 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.46%時(shí)，電池組的最高溫升下降了45%。在電動(dòng)車電池冷卻系統(tǒng)中，相變材料的應(yīng)用可提高冷卻效率，并使電池包整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔，同時(shí)，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(shí)現(xiàn)良好的電池降溫效果，且具有比風(fēng)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(shù)并未得到廣泛應(yīng)用，但其仍具有良好的發(fā)展前景[25]。

1.4 熱管冷卻技術(shù)

當(dāng)熱管中的工質(zhì)出現(xiàn)相變反應(yīng)時(shí)，就可將電池中的熱量快速傳導(dǎo)出去，且導(dǎo)熱能力高于所有已知金屬，這種技術(shù)稱為熱管冷卻技術(shù)。如圖3所示，熱管的組成包括殼體、吸液芯與液態(tài)工質(zhì)等，且熱管分為中間的絕熱段及兩端的蒸發(fā)段與冷凝段3部分。當(dāng)電池工作時(shí)，會(huì)使熱管一端受熱，而吸液芯內(nèi)因存在大量毛細(xì)材料故而吸滿了液體，受熱后液體吸收熱量并蒸發(fā)。由于熱管的壓差作用，蒸汽會(huì)在冷凝端釋放熱量并冷凝，這些冷凝液受毛細(xì)材料吸引力的吸引，會(huì)重新流入蒸發(fā)端，進(jìn)而通過(guò)液體的蒸發(fā)與冷凝循環(huán)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(zhì)特性的影響，不同的脈動(dòng)熱管適用于不同場(chǎng)合，其中，以水和正戊烷的混合物為工質(zhì)、填充量為60%的脈動(dòng)熱管，適用于低負(fù)荷的熱管理。當(dāng)空氣側(cè)溫度高于40 ℃時(shí)，以水或甲醇為工質(zhì)的冷卻效果較好。熱管形式多樣，有助于開(kāi)發(fā)冷卻、加熱電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，保證電池組在高溫和0 ℃以下的環(huán)境中，工作在最佳溫度范圍，確保正常運(yùn)行。熱管冷卻技術(shù)具有高導(dǎo)熱性、熱流方向可逆等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還可與其他冷卻方式綜合使用。

1.5 冷媒直冷技術(shù)

冷媒直冷技術(shù)是指將制冷劑直接通過(guò)蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)行制冷，而無(wú)需借助中間的冷媒循環(huán)。這種技術(shù)具有制冷效果好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此被越來(lái)越多的汽車廠商采用。具體來(lái)說(shuō)，冷媒直冷技術(shù)是通過(guò)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(guò)膨脹閥碰撞進(jìn)入蒸發(fā)器，變成低溫低壓兩相流。制冷劑在車艙空調(diào)蒸發(fā)器或電池包內(nèi)冷板中吸收熱蒸發(fā)，蒸發(fā)后變成氣體回到壓縮機(jī)，完成整個(gè)循環(huán)。冷媒直冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，不需要使用中間的冷媒循環(huán)，因此制冷效率更高、能耗更低[27]。同時(shí)，冷媒直冷技術(shù)采用的是環(huán)保制冷劑，可以減少對(duì)環(huán)境的污染。另外，由于冷媒直冷技術(shù)采用的是直接制冷方式，因此制冷系統(tǒng)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(guó)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(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，可為寶馬i3提供穩(wěn)定的動(dòng)力輸出和優(yōu)良的續(xù)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(gè)模組組成，每個(gè)模組包含12個(gè)電芯。此外，寶馬i3還采用了一種獨(dú)特的電池模塊間隔設(shè)計(jì)，將電池模塊間的間距設(shè)置在大于10 mm的安全間距，以防止電池模塊間發(fā)生熱失控連鎖反應(yīng)[28]。為了進(jìn)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(nèi)通制冷劑，直接冷卻電池模塊底部。相比于液體冷卻系統(tǒng)，制冷劑直冷的優(yōu)勢(shì)在于可以省去外循環(huán)水冷系統(tǒng)，從而降低了汽車的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和維護(hù)成本。

2 新能源汽車動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的發(fā)展方向

隨著電動(dòng)汽車的普及，動(dòng)力電池的冷卻系統(tǒng)成為了一個(gè)重要的研究方向。動(dòng)力電池的高溫會(huì)對(duì)電池壽命和性能造成影響，因此需要對(duì)電池進(jìn)行冷卻。目前，主要的冷卻方式是利用液冷系統(tǒng)和空氣冷卻系統(tǒng)。但是，液冷系統(tǒng)成本高，維護(hù)難度大，而空氣冷卻系統(tǒng)的冷卻效果不佳。因此，需要對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn)行研發(fā)，以取代現(xiàn)有的液冷系統(tǒng)。這種冷卻介質(zhì)需要具有更低成本和更高傳熱效率。除了冷卻介質(zhì)的研發(fā)，還需要將兩種及以上的冷卻方式相結(jié)合，以得到更好的冷卻效果?？諝饫鋮s系統(tǒng)將以輔助冷卻的方式存在于動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中。這種結(jié)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(yù)警裝置，將極大地降低事故的發(fā)生率。預(yù)警裝置可以通過(guò)對(duì)電池溫度、電流等參數(shù)的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，幫助駕駛員及時(shí)采取措施，避免事故的發(fā)生。動(dòng)力電池冷卻是電動(dòng)汽車發(fā)展中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)冷卻介質(zhì)與冷卻方式的研究，可以提高電池的性能和壽命，保障電動(dòng)汽車的安全性和可靠性[30]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)不同技術(shù)有著不同的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。目前，空氣冷卻技術(shù)以及液體冷卻技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，空氣冷卻技術(shù)雖然在散熱方面表現(xiàn)差強(qiáng)人意，但是其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全、維護(hù)方便等特點(diǎn)。液體冷卻技術(shù)的換熱系數(shù)高、速率快、均溫性好，但是其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，后續(xù)的維修以及保養(yǎng)成本也更高。此外，冷媒直冷技術(shù)也具有節(jié)能環(huán)保以及制冷效果好等優(yōu)勢(shì)。雖然相變材料冷卻與熱管冷卻技術(shù)由于部分原因還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，但是隨著科技的發(fā)展，依然具備良好的發(fā)展前景。

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