新能源汽车动力电池的冷却技术研究复材云集|复合材料

摘要：在社会发展水平不断提升的背景下，人民群众的物质生活得以快速提升，新能源汽车作为基础出行工具得到广大群众的青睐，给我国的新能源行业以及汽车行业带来全新的发展机遇。电池组作为决定新能源汽车性能以及续航能力水平的重要保障，对于电池组可靠性、安全性的研究工作是当下课题研究的关键部分。本文开展的新能源汽车动力电池冷却技术研究工作，推动新能源汽车的可持续健康发展。

关键词：新能源汽车动力电池冷却技术

图源：中国科学院理化技术研究所

能源紧缺一直是各个行业所面临的最大困境，石油作为传统工业化行业的主要能源，在生产与生活中起到了极为重要的价值作用。汽车的动力能源是石油产品，但随着汽车保有量的逐步提升，对于原油的需求量逐步提升，加之能源紧缺问题的存在，给汽车行业未来发展带来影响。新能源汽车研发降低汽车行业对于传统能源的依赖水平，利用电力能源来取代传统的燃油能源，与此同时利用其他可再生的资源可妥善解决汽车尾气的排放问题，降低对于不可再生资源的利用率，有效解决我国的能源使用危机，推动国家经济的可持续发展进程。新能源汽车是以电力驱动的新型能源汽车，电池装置在长时间的驱动状态下，电能与热能比例将会出现负增长情况，一旦电池热能产生量高于热能输出量时，将会加剧电力能源的损耗程度，大大缩减电池装置的使用寿命。为推动新能源汽车行业的进一步发展，各大汽车企业需要提升对动力电池的开发与优化水平，应用电池冷却技术及时分散电池装置，有效延长电池的生命周期，为汽车企业创造更多的经济利润。

新能源汽车概述

现如今的新能源汽车类型主要可分为纯电以及混电2种，其整体结构主要是由 SV电池、充电器以及充电接口等部分构成，汽车动力源主要是常规燃料以及非常规燃料，借助全新的动力措施以及应用动力控制驱动技术来发动机车。在电力开发水平不断提升的背景下，国家愈发重视对电力资源的综合开发利用，这给新能源汽车的开发利用带来全新的发展机遇。从整体层面来看新能源汽车的动力源泉主要是电池组，将单体电池串联到一起便是汽车中的电池结构，为汽车运动提供动力。在电池组供电过程中将会产生热能，在合理范围内并不会影响电池的工作状态，若电池热能产生量远远高于热能输出量时，将会导致故障问题的发生，不仅会影响汽车运行的整体动力，也会给新能源汽车的安全运行带来隐忧。

图源：中国科学院理化技术研究所

新能源汽车电池

2.1

锂离子电池

锂离子电池本身具备极高的能量密度以及电压，在具体应用过程中也具备电池重量轻、污染程度低的应用优势，锂离子电池应用寿命要远远长于其他类型电池，在我国新能源汽车行业中有着良好的发展场景，适用于节能环保行业的发展。

2.2

镍氢电池

镍氢电池本身属于碱性电池，其具备使用寿命长、整体放电功率高的优势，但镍氢电池的记忆效应低下多，带来的电池制造成本相对较高，因此主要应用在电动工具内，在不久的将来会全面普及到汽车领域当中。

2.3

铅酸蓄电池

铅酸蓄电池的体积重量虽然比较大，但是整体能够释放的能量相对较低，使用寿命也相对较短，在具体生产过程中所应用的原材料成本并不高，其稳定性也相对优良因此能够再次回收利用。现阶段广泛应用在电动三轮车、自行车此类的池能源中，在能源市场上的占有率最高。

2.4

燃料电池

燃料电池具备有害气体排放量低、噪声污染小的优势，在新能源汽车领域拥有广泛的发展空间。燃料电池的工作原理是将化学能转化成为电能。但我国燃料电池技术水平以及基础配套设施相较于发达国家仍旧有所差异，为此我国需要加大对动力电池的研究水平，确保燃料电池能够良好应用于新能源汽车中。

新能源汽车电池冷却系统

新能源汽车的冷却系统主要是由动力系统冷却以及供电系统冷却构成，其中动力系统冷却是对于驱动电机、控制器等各个关系部门进行冷却，供电系统冷却主要是对动力电池以及车载充电器进行冷却。新能源汽车动力电池的间距对于整个电池组的工作温度有着一定的影响，电池距离的增加也会提升电池组的工作温度，而在电池组集中时期温度分布情况相对均匀。新能源汽车的动力电池主要是由化学能转换成为电能，再由电能转换成为新能源汽车的动能，而在能量转换过程中所产生的热能无法及时释放时，将会造成动力电池周边温度大幅度提升，对于锂电池稳定性带来影响。同时动力电池始终处于高温状态下，也会对电池的性能带来影响，也会大大缩短电池的使用寿命。新能源汽车在应用电池冷却系统的前提下，可确保电池组始终在适宜的环境下进行能量转换，最大程度确保汽车的性能。为此电池冷却系统可充分利用汽车电池组热量管理模型对动力电池温度妥善调节，在电池温度相对较低时可为其提供热量，而在电池温度过高时可对其进行冷却，确保动力电池始终处于最为良好的工作状态，全面提升动力电池的工作性能。

图源：中国科学院理化技术研究所

新能源汽车动力电池的冷却技术分析

4.1

空气冷却电池技术

这一冷却技术选择空气作为冷却介质，借助对流热交换原理来达到电池组降温的目的。空气冷却电池技术本身具备维护成本低、制造成本低廉的应用特点，因此可以被广泛应用于动力电池的保护装置。同时空气冷却电池技术在应用过程中也存在受到空气比热容以及导热系数性质的制约，为此空气冷却电池技术的电池组冷却效率并不高。现阶段主要应用冷却空气流动路径为从底部流入、从顶部流出（如图1所示），这一流动路径选择是侧方流入另一方流出冷却效率的 2 倍。

图 1 空气流动路径

图源：中国科学院理化技术研究所

4.2

液体冷却电池技术

这一冷却技术具备比热容系数高以及换热系数高的应用优势，主要是利用液体介质实现对动力电池的温度的有效降低。液体冷却电池技术所应用的冷却介质主要是液相物质，如乙二醇、水以及制冷剂等物质均可作为制冷剂来达到冷却效果。液体冷却电池技术根据接触方法的不同可将其细化分为直接冷却手段以及间接冷却手段。直接冷却手段试讲电池模块完全浸没于绝缘冷却液体当中，通过实现冷却液体与电池组的直接性接触达到降温目的。

间接冷却手段则是在电池组的周边设置冷却盘管，由冷却液体在其中流动，借助对流传热以及制冷手段达到降低电池组工作温度的目的。现阶段常常应用的冷却介质为新型电子冷却介质 NOVEC 7000，所采取的热流传热以及介质相变吸热的冷却方法可确保电池组的工作温度始终维持在 35℃左右，以往所应用的乙二醇介质在多次循环下，电池组工作温度将会逐步上升。因此新型电子冷却介质 NOVEC 7000 在新能源汽车动力电池冷却系统中有着良好的应用前景。

图源：中国科学院理化技术研究所

4.3

热管冷却电池技术

这一冷却技术主要是利用密封性良好的空心管设备进行冷却，通过在空心管设备填充满相变工质，在管两端分别设置蒸发器以及冷凝器的方法继而达到降温作用。热管冷却电池技术的应用原理是利用蒸发器吸收充足热量，将封闭状态下空心管毛细芯内液体汽化后产生一定的气压，让其逐步向冷凝器方向流动，气体在经过冷凝器时会释放热量，气体将会重新凝固成为液体继续进行吸热，依次循环往复的形式达到降低电池组温度的目的。

图源：中国科学院理化技术研究所

4.4

相变材料冷却电池技术

这一冷却技术主要发挥相变吸热原理达到降低电池组的工作温度的目的。相变材料本身具备无毒无害、热稳定性优良、应用成本低的技术特点。热管冷却电池技术在具体应用过程中并不需要依靠任何通道设备或是电气设备，可确保电池组整体温度的均匀性，避免电池组出现具备热点的情况，因此在应用环节中可确保电池组运行的安全性。

图源：中国科学院理化技术研究所

新能源汽车锂离子电池冷却系统设计

5.1

风扇及蒸发器风冷的冷却系统设计

这一冷却系统主要是通过风扇以及蒸发器将温度低的空气引入动力箱的内部。在电池系统密封的前提下，则需要利用蒸发器确保外界空气不会进入箱体。空气在风扇转动的前提下，能按照预定的流速穿过模组以及电池外表面，将电池所产生的热量传递到环境空气。

基于这一冷却系统进行箱体以及模组结构设计过程中，具体注意事项如下所示。

第一，在进行电池排布过程中，电池与电池之间需要空有一定的间隙，确保空气能够按照一定的流速快速穿过电池外表面。圆柱形以及方形的电池强度以及刚度系数相对较高，在具体排布过程中可停留一定的间隙，而软包电池的刚度与刚度系数并不高，电池与电池之间需要增加导热材料，确保将电池内部的热量充分导出。

第二，在风冷系统设计环节中，风道设计是极为关键所在。优良的风道设计不仅能提升散热的均匀性，也能大大降低系统流动阻力。为此在风道设计过程中需要从结构简单、成本性低、密封性良好以及空气流通无阻碍等多方面综合性考量。

第三，在蒸发器型号选择方面，需要根据新能源汽车空调系统当中的压缩机型号、制冷量、电池数量、箱体空间以及生产成本多方面进行综合考量。

第四，在风扇选型方面，选用的风扇需要充分满足预定标准的风量以及风压，确保冷却系统内部拥有充足的冷却空气流量以及预定值的流通速度，同时也要根据电池包结构空间的大小选择风扇的尺寸、重量。此外也要充分考量风扇所提供的电压、生产成本以及产生的噪音等因素。

5.2

液冷系统设计

现如今我国对于新能源汽车的性能要求逐步提升，国家所下发的补贴政策也更加偏向于行驶里程长以及能量密度高的车辆，加之汽车行业对新能源汽车电池系统功率性能以及快充性能要求逐步提升的前提，要想充分发挥电池的最佳应用性能，需要积极设计电池系统冷却设计要求。液冷系统的运行原理是通过将液冷板内部冷却液与电池表面接触后，将产生的热量带到电池系统外部，继而达到电池冷却降温的价值作用。

第一，冷却液进出口接口类型选择时，需要选用国标通用接口类型，确保冷却液进出接口与整个车辆的冷却系统相匹配，大大降低新能源汽车的加工成本。

第二，在进行冷却管型号选择时，需要从冷却管材料、管径型号大小，耐腐蚀性、所承受的工作压力以及工作温度范围等多个方面选择最优的冷却管材料。

第三，液冷板类似于弯曲形式的水管，冷却液能够在液冷板内部流动，因此在液冷板选择时所选用的材料是导热效果优良的铝材料。液冷板设计过程中需要与电池表面充分性接触，充分发挥液冷板的导热作用。电池与液冷板的表面的硬度系数相对较高，设计人员需要在液冷表面粘贴层导热性优良、绝缘效果极佳的导热垫。同时设计人员需要根据电池种类的不同将液冷板设计成为不同的结构，如方形电池以及软包电池下的液冷板需要设计成为板式结构，确保液冷板与电池的底部以及侧面区域充分接触，而圆柱形电池下的液冷板则需要设计成为弯曲带状结构，弯曲弧度尺寸的设计需要与电池外径尺寸相匹配，在确保液冷板与电池表面无缝对接的前提下，达到导热降温的目的。

第四，冷却液在整个液冷系统中起着极为重要的价值作用，在冷却液选型阶段，需要从传热能力、温度适用范围、电绝缘性以及耐腐蚀等方面综合性考量。

结语

在节能环保可持续发展战略支持下，新能源汽车行业迅猛性发展，致力于解决能源消耗以及环境污染等各个方面的问题。现如今新能源汽车内的电池组电容量、电池模块数量逐步提升，动力电池组所释放的热量也大幅度提升。新能源汽车动力电池冷却技术的应用，可进一步延长电池的使用寿命，有效确保电池组工作安全性。为此在进行新能源汽车动力电池冷却系统设计过程中，需要灵活应用空气冷却电池技术、液体冷却电池技术、热管冷却电池技术以及相变材料冷却电池技术，重视动力电池热管理问题，推动新能源汽车的可持续健康发展。

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