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摘要：在社會(huì)發(fā)展水平不斷提升的背景下，人民群眾的物質(zhì)生活得以快速提升，新能源汽車作為基礎(chǔ)出行工具得到廣大群眾的青睞，給我國的新能源行業(yè)以及汽車行業(yè)帶來全新的發(fā)展機(jī)遇。電池組作為決定新能源汽車性能以及續(xù)航能力水平的重要保障，對于電池組可靠性、安全性的研究工作是當(dāng)下課題研究的關(guān)鍵部分。本文開展的新能源汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)研究工作，推動(dòng)新能源汽車的可持續(xù)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新能源汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)

圖源：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所

能源緊缺一直是各個(gè)行業(yè)所面臨的最大困境，石油作為傳統(tǒng)工業(yè)化行業(yè)的主要能源，在生產(chǎn)與生活中起到了極為重要的價(jià)值作用。汽車的動(dòng)力能源是石油產(chǎn)品，但隨著汽車保有量的逐步提升，對于原油的需求量逐步提升，加之能源緊缺問題的存在，給汽車行業(yè)未來發(fā)展帶來影響。新能源汽車研發(fā)降低汽車行業(yè)對于傳統(tǒng)能源的依賴水平，利用電力能源來取代傳統(tǒng)的燃油能源，與此同時(shí)利用其他可再生的資源可妥善解決汽車尾氣的排放問題，降低對于不可再生資源的利用率，有效解決我國的能源使用危機(jī)，推動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。新能源汽車是以電力驅(qū)動(dòng)的新型能源汽車，電池裝置在長時(shí)間的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，電能與熱能比例將會(huì)出現(xiàn)負(fù)增長情況，一旦電池?zé)崮墚a(chǎn)生量高于熱能輸出量時(shí)，將會(huì)加劇電力能源的損耗程度，大大縮減電池裝置的使用壽命。為推動(dòng)新能源汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，各大汽車企業(yè)需要提升對動(dòng)力電池的開發(fā)與優(yōu)化水平，應(yīng)用電池冷卻技術(shù)及時(shí)分散電池裝置，有效延長電池的生命周期，為汽車企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)利潤。

新能源汽車概述

現(xiàn)如今的新能源汽車類型主要可分為純電以及混電2種，其整體結(jié)構(gòu)主要是由 SV電池、充電器以及充電接口等部分構(gòu)成，汽車動(dòng)力源主要是常規(guī)燃料以及非常規(guī)燃料，借助全新的動(dòng)力措施以及應(yīng)用動(dòng)力控制驅(qū)動(dòng)技術(shù) 來發(fā)動(dòng)機(jī)車。在電力開發(fā)水平不斷提升的背景下，國家愈發(fā)重視對電力資源的綜合開發(fā)利用，這給新能源汽車的開發(fā)利用帶來全新的發(fā)展機(jī)遇。從整體層面來看新能源汽車的動(dòng)力源泉主要是電池組，將單體電池串聯(lián)到一起便是汽車中的電池結(jié)構(gòu)，為汽車運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。在電池組供電過程中將會(huì)產(chǎn)生熱能，在合理范圍內(nèi)并不會(huì)影響電池的工作狀態(tài)，若電池?zé)崮墚a(chǎn)生量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱能輸出量時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致故障問題的發(fā)生，不僅會(huì)影響汽車運(yùn)行的整體動(dòng)力，也會(huì)給新能源汽車的安全運(yùn)行帶來隱憂。

圖源：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所

新能源汽車電池

2.1

鋰離子電池

鋰離子電池本身具備極高的能量密度以及電壓，在具體應(yīng)用過程中也具備電池重量輕、污染程度低的應(yīng)用優(yōu)勢，鋰離子電池應(yīng)用壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于其他類型電池，在我國新能源汽車行業(yè)中有著良好的發(fā)展場景，適用于節(jié)能環(huán)保行業(yè)的發(fā)展。

2.2

鎳氫電池

鎳氫電池本身屬于堿性電池，其具備使用壽命長、整體放電功率高的優(yōu)勢，但鎳氫電池的記憶效應(yīng)低下多，帶來的電池制造成本相對較高，因此主要應(yīng)用在電動(dòng)工具內(nèi)，在不久的將來會(huì)全面普及到汽車領(lǐng)域當(dāng)中。

2.3

鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池的體積重量雖然比較大，但是整體能夠釋放的能量相對較低，使用壽命也相對較短，在具體生產(chǎn)過程中所應(yīng)用的原材料成本并不高，其穩(wěn)定性也相對優(yōu)良因此能夠再次回收利用?，F(xiàn)階段廣泛應(yīng)用在電動(dòng)三輪車、自行車此類的池能源中，在能源市場上的占有率最高。

2.4

燃料電池

燃料電池具備有害氣體排放量低、噪聲污染小的優(yōu)勢，在新能源汽車領(lǐng)域擁有廣泛的發(fā)展空間。燃料電池的工作原理是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為電能。但我國燃料電池技術(shù)水平以及基礎(chǔ)配套設(shè)施相較于發(fā)達(dá)國家仍舊有所差異，為此我國需要加大對動(dòng)力電池的研究水平，確保燃料電池能夠良好應(yīng)用于新能源汽車中。

新能源汽車電池冷卻系統(tǒng)

新能源汽車的冷卻系統(tǒng)主要是由動(dòng)力系統(tǒng)冷卻以及供電系統(tǒng)冷卻構(gòu)成，其中動(dòng)力系統(tǒng)冷卻是對于驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器等各個(gè)關(guān)系部門進(jìn)行冷卻，供電系統(tǒng)冷卻主要是對動(dòng)力電池以及車載充電器進(jìn)行冷卻。新能源汽車動(dòng)力電池的間距對于整個(gè)電池組的工作溫度有著一定的影響，電池距離的增加也會(huì)提升電池組的工作溫度，而在電池組集中時(shí)期溫度分布情況相對均勻。新能源汽車的動(dòng)力電池主要是由化學(xué)能轉(zhuǎn)換成為電能，再由電能轉(zhuǎn)換成為新能源汽車的動(dòng)能，而在能量轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的熱能無法及時(shí)釋放時(shí)，將會(huì)造成動(dòng)力電池周邊溫度大幅度提升，對于鋰電池穩(wěn)定性帶來影響。同時(shí)動(dòng)力電池始終處于高溫狀態(tài)下，也會(huì)對電池的性能帶來影響，也會(huì)大大縮短電池的使用壽命。新能源汽車在應(yīng)用電池冷卻系統(tǒng)的前提下，可確保電池組始終在適宜的環(huán)境下進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，最大程度確保汽車的性能。為此電池冷卻系統(tǒng)可充分利用汽車電池組熱量管理模型對動(dòng)力電池溫度妥善調(diào)節(jié)，在電池溫度相對較低時(shí)可為其提供熱量，而在電池溫度過高時(shí)可對其進(jìn)行冷卻，確保動(dòng)力電池始終處于最為良好的工作狀態(tài)，全面提升動(dòng)力電池的工作性能。

圖源：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所

新能源汽車動(dòng)力電池的冷卻技術(shù)分析

4.1

空氣冷卻電池技術(shù)

這一冷卻技術(shù)選擇空氣作為冷卻介質(zhì)，借助對流熱交換原理來達(dá)到電池組降溫的目的?？諝饫鋮s電池技術(shù)本身具備維護(hù)成本低、制造成本低廉的應(yīng)用特點(diǎn)，因此可以被廣泛應(yīng)用于動(dòng)力電池的保護(hù)裝置。同時(shí)空氣冷卻電池技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在受到空氣比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)性質(zhì)的制約，為此空氣冷卻電池技術(shù)的電池組冷卻效率并不高?，F(xiàn)階段主要應(yīng)用冷卻空氣流動(dòng)路徑為從底部流入、從頂部流出（如圖1所示），這一流動(dòng)路徑選擇是側(cè)方流入另一方流出冷卻效率的 2 倍。

圖 1 空氣流動(dòng)路徑

圖源：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所

4.2

液體冷卻電池技術(shù)

這一冷卻技術(shù)具備比熱容系數(shù)高以及換熱系數(shù)高的應(yīng)用優(yōu)勢，主要是利用液體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對動(dòng)力電池的溫度的有效降低。液體冷卻電池技術(shù)所應(yīng)用的冷卻介質(zhì)主要是液相物質(zhì)，如乙二醇、水以及制冷劑等物質(zhì)均可作為制冷劑來達(dá)到冷卻效果。液體冷卻電池技術(shù)根據(jù)接觸方法的不同可將其細(xì)化分為直接冷卻手段以及間接冷卻手段。直接冷卻手段試講電池模塊完全浸沒于絕緣冷卻液體當(dāng)中，通過實(shí)現(xiàn)冷卻液體與電池組的直接性接觸達(dá)到降溫目的。

間接冷卻手段則是在電池組的周邊設(shè)置冷卻盤管，由冷卻液體在其中流動(dòng)，借助對流傳熱以及制冷手段達(dá)到降低電池組工作溫度的目的?，F(xiàn)階段常常應(yīng)用的冷卻介質(zhì)為新型電子冷卻介質(zhì) NOVEC 7000，所采取的熱流傳熱以及介質(zhì)相變吸熱的冷卻方法可確保電池組的工作溫度始終維持在 35℃左右，以往所應(yīng)用的乙二醇介質(zhì)在多次循環(huán)下，電池組工作溫度將會(huì)逐步上升。因此新型電子冷卻介質(zhì) NOVEC 7000 在新能源汽車動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。

圖源：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所

4.3

熱管冷卻電池技術(shù)

這一冷卻技術(shù)主要是利用密封性良好的空心管設(shè)備進(jìn)行冷卻，通過在空心管設(shè)備填充滿相變工質(zhì)，在管兩端分別設(shè)置蒸發(fā)器以及冷凝器的方法繼而達(dá)到降溫作用。熱管冷卻電池技術(shù)的應(yīng)用原理是利用蒸發(fā)器吸收充足熱量，將封閉狀態(tài)下空心管毛細(xì)芯內(nèi)液體汽化后產(chǎn)生一定的氣壓，讓其逐步向冷凝器方向流動(dòng)，氣體在經(jīng)過冷凝器時(shí)會(huì)釋放熱量，氣體將會(huì)重新凝固成為液體繼續(xù)進(jìn)行吸熱，依次循環(huán)往復(fù)的形式達(dá)到降低電池組溫度的目的。

圖源：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所

4.4

相變材料冷卻電池技術(shù)

這一冷卻技術(shù)主要發(fā)揮相變吸熱原理達(dá)到降低電池組的工作溫度的目的。相變材料本身具備無毒無害、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、應(yīng)用成本低的技術(shù)特點(diǎn)。熱管冷卻電池技術(shù)在具體應(yīng)用過程中并不需要依靠任何通道設(shè)備或是電氣設(shè)備，可確保電池組整體溫度的均勻性，避免電池組出現(xiàn)具備熱點(diǎn)的情況，因此在應(yīng)用環(huán)節(jié)中可確保電池組運(yùn)行的安全性。

圖源：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所

新能源汽車鋰離子電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1

風(fēng)扇及蒸發(fā)器風(fēng)冷的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這一冷卻系統(tǒng)主要是通過風(fēng)扇以及蒸發(fā)器將溫度低的空氣引入動(dòng)力箱的內(nèi)部。在電池系統(tǒng)密封的前提下，則需要利用蒸發(fā)器確保外界空氣不會(huì)進(jìn)入箱體。空氣在風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下，能按照預(yù)定的流速穿過模組以及電池外表面，將電池所產(chǎn)生的熱量傳遞到環(huán)境空氣。

基于這一冷卻系統(tǒng)進(jìn)行箱體以及模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，具體注意事項(xiàng)如下所示。

第一，在進(jìn)行電池排布過程中，電池與電池之間需要空有一定的間隙，確?？諝饽軌虬凑找欢ǖ牧魉倏焖俅┻^電池外表面。圓柱形以及方形的電池強(qiáng)度以及剛度系數(shù)相對較高，在具體排布過程中可停留一定的間隙，而軟包電池的剛度與剛度系數(shù)并不高，電池與電池之間需要增加導(dǎo)熱材料，確保將電池內(nèi)部的熱量充分導(dǎo)出。

第二，在風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，風(fēng)道設(shè)計(jì)是極為關(guān)鍵所在。優(yōu)良的風(fēng)道設(shè)計(jì)不僅能提升散熱的均勻性，也能大大降低系統(tǒng)流動(dòng)阻力。為此在風(fēng)道設(shè)計(jì)過程中需要從結(jié)構(gòu)簡單、成本性低、密封性良好以及空氣流通無阻礙等多方面綜合性考量。

第三，在蒸發(fā)器型號選擇方面，需要根據(jù)新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)中的壓縮機(jī)型號、制冷量、電池?cái)?shù)量、箱體空間以及生產(chǎn)成本多方面進(jìn)行綜合考量。

第四，在風(fēng)扇選型方面，選用的風(fēng)扇需要充分滿足預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)量以及風(fēng)壓，確保冷卻系統(tǒng)內(nèi)部擁有充足的冷卻空氣流量以及預(yù)定值的流通速度，同時(shí)也要根據(jù)電池包結(jié)構(gòu)空間的大小選擇風(fēng)扇的尺寸、重量。此外也要充分考量風(fēng)扇所提供的電壓、生產(chǎn)成本以及產(chǎn)生的噪音等因素。

5.2

液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今我國對于新能源汽車的性能要求逐步提升，國家所下發(fā)的補(bǔ)貼政策也更加偏向于行駛里程長以及能量密度高的車輛，加之汽車行業(yè)對新能源汽車電池系統(tǒng)功率性能以及快充性能要求逐步提升的前提，要想充分發(fā)揮電池的最佳應(yīng)用性能，需要積極設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)冷卻設(shè)計(jì)要求。液冷系統(tǒng)的運(yùn)行原理是通過將液冷板內(nèi)部冷卻液與電池表面接觸后，將產(chǎn)生的熱量帶到電池系統(tǒng)外部，繼而達(dá)到電池冷卻降溫的價(jià)值作用。

第一，冷卻液進(jìn)出口接口類型選擇時(shí)，需要選用國標(biāo)通用接口類型，確保冷卻液進(jìn)出接口與整個(gè)車輛的冷卻系統(tǒng)相匹配，大大降低新能源汽車的加工成本。

第二，在進(jìn)行冷卻管型號選擇時(shí)，需要從冷卻管材料、管徑型號大小，耐腐蝕性、所承受的工作壓力以及工作溫度范圍等多個(gè)方面選擇最優(yōu)的冷卻管材料。

第三，液冷板類似于彎曲形式的水管，冷卻液能夠在液冷板內(nèi)部流動(dòng)，因此在液冷板選擇時(shí)所選用的材料是導(dǎo)熱效果優(yōu)良的鋁材料。液冷板設(shè)計(jì)過程中需要與電池表面充分性接觸，充分發(fā)揮液冷板的導(dǎo)熱作用。電池與液冷板的表面的硬度系數(shù)相對較高，設(shè)計(jì)人員需要在液冷表面粘貼層導(dǎo)熱性優(yōu)良、絕緣效果極佳的導(dǎo)熱墊。同時(shí)設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)電池種類的不同將液冷板設(shè)計(jì)成為不同的結(jié)構(gòu)，如方形電池以及軟包電池下的液冷板需要設(shè)計(jì)成為板式結(jié)構(gòu)，確保液冷板與電池的底部以及側(cè)面區(qū)域充分接觸，而圓柱形電池下的液冷板則需要設(shè)計(jì)成為彎曲帶狀結(jié)構(gòu)，彎曲弧度尺寸的設(shè)計(jì)需要與電池外徑尺寸相匹配，在確保液冷板與電池表面無縫對接的前提下，達(dá)到導(dǎo)熱降溫的目的。

第四，冷卻液在整個(gè)液冷系統(tǒng)中起著極為重要的價(jià)值作用，在冷卻液選型階段，需要從傳熱能力、溫度適用范圍、電絕緣性以及耐腐蝕等方面綜合性考量。

結(jié)語

在節(jié)能環(huán)保可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略支持下，新能源汽車行業(yè)迅猛性發(fā)展，致力于解決能源消耗以及環(huán)境污染等各個(gè)方面的問題。現(xiàn)如今新能源汽車內(nèi)的電池組電容量、電池模塊數(shù)量逐步提升，動(dòng)力電池組所釋放的熱量也大幅度提升。新能源汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)的應(yīng)用，可進(jìn)一步延長電池的使用壽命，有效確保電池組工作安全性。為此在進(jìn)行新能源汽車動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要靈活應(yīng)用空氣冷卻電池技術(shù)、液體冷卻電池技術(shù)、熱管冷卻電池技術(shù)以及相變材料冷卻電池技術(shù)，重視動(dòng)力電池?zé)峁芾韱栴}，推動(dòng)新能源汽車的可持續(xù)健康發(fā)展。

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