新能源汽车动力电池冷却技术研究

摘要：新能源汽车的研发，可有效改善传统燃油汽车所造成的环境污染问题，通过零污染、零排放，与我国可持续发展战略相一致。基于此，文章对新能源汽车动力电池为切入点，从气体介质、液体介质、相变介质三方面，对新能源汽车动力电池冷却技术进行探讨，仅供参考。

关键词：新能源汽车;动力电池;冷却技术

新能源汽车的研发，通过电力能源取代传统燃油能源，可有效实现能源的节约，减少尾气排放，进一步符合我国节能环保工作的开展。此外，在汽车充电桩设施的布局下，可满足新能源汽车的续航需求，为电力能源与机械能源之间的转换提供基础保障。但电池装置在长时间驱动状态下，电能与热能之间的比例将呈现出负增长现象，当电池热能的产生高于热能输出时，则将加剧电力能源的损耗，缩减电池装置的使用寿命。电池冷却技术的应用，则可为电池装置进行热量管理，通过不同技术工艺、介质材料等，及时将电池装置产生的热量进行分散，以提高电池生命周期，为企业创造更为的经济利润。

新能源汽车动力电池概述

所谓新能源汽车动力电池，就是为新能源汽车提供动力的一种电源。就目前的市场来看，用来为新能源汽车提供动力的电源主要包括镍氢电池、铅酸电池、燃料电池和锂电池。以下是对几种常见的新能源汽车动力电池所进行的分析：

镍氢电池

这种蓄电池的性能十分良好，具体应用中，可按照高压镍氢电池以及普通镍氢电池来进行划分。在新能源汽车中，该动力电池的主要应用优势是放电功率大、记忆效应小、使用寿命长、可循环使用。凭借着这些优势，这种动力电池已经在很多新能源汽车制造企业中得到了广泛应用。比如，在日本丰田汽车公司所生产的普锐斯新能源汽车中，就将这种蓄电池用作了动力电池。目前，这种蓄电池的发展已经比较成熟，我国也在其原材料加工方面具备了较为成熟的技术。因此，在新能源汽车的生产中，这种蓄电池已经成为了一个主要的动力来源方向。

铅酸电池

就目前的新能源汽车动力电池市场来看，最具完善性且具备最成熟技术的就是铅酸电池。虽然此类电池在应用中存在技术水平不足、环保效果不佳等的问题，但是这种动力电池依然在新能源汽车中具备较好的发展前景。伴随着科学技术的不断发展，铅酸电池在技术方面也得到了不断优化，目前，其放电功率已经由原来的20Wh/kg提升到了现在的40Wh/kg，且使用寿命也实现了进一步延长，由原来的放电300次左右提升到了放电4000次以上。另外，当今的铅酸电池回收技术发展也十分迅速，该技术的发展让铅酸电池回收与再利用率超过了90%，有效解决了铅酸电池废弃对于环境污染等的问题。由此可见，此类动力电池的研究正在朝着技术型和环保型的方向发展，而其发展空间也将越来越大。

燃料电池

燃料电池的主要工作原理是实现化学能到电能的转化，它属于一种化学装置，所以人们也将此类电池称为电化学发电器。在对新能源汽车进行生产和制造的过程中，燃料电池所能发挥出的主要优势不仅仅是很高的工作效率，同时其有害气体排放量以及噪声污染等都非常小。凭借着这些优势，这种动力电池在当今的新能源汽车制造领域中具有很大的发展空间。相比较西方的很多发达国家而言，我国在燃料电池方面的技术水平目前依然有待提升，无论是技术方面还是配套设施方面都有待进一步完善，其技术的设计与研发也存在较大难度。这就需要相关企业、研究人员和技术人员加大力度对此类动力电池进行研究，及时掌握其关键技术，使其在我国的新能源汽车上得以良好应用。

锂电池

伴随着当今微电子技术的不断发展，离电池也开始投入了大规模的生产与制造中。这种动力电池主要是将锂金属或锂合金用作阳极材料，对非水形式的电解质溶液加以科学应用，进而制造的一种新型蓄电池。将锂电池用作新能源汽车中的动力电池，其应用优势将十分显著，通过研究发现，这种动力电池的比功率可以达到1600Wh/kg，比能量可以达到150Wh/kg。另外，在我国电能技术的不断发展与完善中，这种动力电池的各项技术参数也在不断提升。就目前来看，锂电池的一个主要研究与发展方向是聚合物形式的锂电池，此类动力电池可按照三元锂电池以及錳酸锂电池等来进行划分，不同锂电池的应用性能并无很大差别，都可以在新能源汽车中加以合理应用，以此来实现新能源汽车动力的有效提供。由此可见，在我国的新能源汽车发展中，锂电池也是其动力电池的一个重要选择。

新能源汽车动力电池的冷却技术分析

就目前来看，在新能源汽车动力电池的具体应用中，其冷却技术主要包括气体介质冷却技术、液体介质冷却技术、相变介质冷却技术、热电制冷技术以及热管制冷技术。以下是对这几种主要冷却技术所进行的分析：

（一）气体介质冷却技术

气体介质冷却技术，主要是以空气作为热量传输介质，通过热能的热传递效应，令电池组实现降温处理。从整个构造来看，以空气为基础的介质在实现冷却功能时，整体结构较为简便，且机械化运作特点无需占用过多的资源，提高后期维护质量。通过对电池组所产生热力能源，界定出热量预期传递指标，保证系统在实现某一项功能指令时，可针对舱室以及不同结构进行针对化的热管理，进一步确保空间降温的时效性。从工作原理来看，气体介质冷却主要是依托于车厢内风机设备或与空气调节装置相关联的机构为载体，实现能源的热传递：外部空气→风机→车厢空气调节装置→车身（动力电池组）→排气系统。从目前技术研发形式来看，受到汽车结构、汽车动力等方面的影响，在对气体介质冷却技术进行参数界定时，也呈现出一定的差异性。例如，科学家通过电池组外部空气流通速率，对电池组在车辆内的空间布局进行设定，以得出电池冷却的最大效率值;通过强制冷风处理模式，对电池组进行均衡式降温处理，在均匀性的冷却机制下，可对发热点进行均衡式降温，以提高实际降温速率;通过流体力学界定出不同气流层在实际导出过程中，气流分层与电池温度输出比值存在的线性关系，以得出不同送风形式对电池组温度所造成的相关影响。[1]

（二）液体介质冷却技术

液体介质冷却技术是以液态物体为介质，通过热传递实现对电池组的降温处理。与常见的气体介质相比，液体介质具有更高的比热容，且同体积吸取的热能较多，可有效提高系统换热效率。按照工作形式来看，液体介质的冷却可分为接触型冷却与非接触型冷却两种。接触型冷却是指电池组与冷却液体直接接触，通过将电池模块沉浸到液体中，令液体对电池组所产生的热量进行无差别吸收，以达到物理降温的效用。非接触冷却则是指在电池组周围设定具有一定组织结构的冷却装置，液体通过在冷却装置中的循环流动，吸取电池组所产生的热量，这样一来，便可最大限度的对热量进行传递，此类冷却机制无需液体与电池组之间接触，在一定程度上增强冷却工作的稳定性效用。一般来讲，冷却介质多为乙醇物质、水的混合物。对于液体介质冷却技术的发展形势来看，液体冷却大多是以剂料组成、冷却结构等为主，通过介质与结构的同步优化，令整个冷却工作的开展具有针对性，乙二醇为介质的液体冷却体系，在实际应用过程中，可通过介质的多次循环，令整项温度调控实现规范化运作，这样一来，便可最大限度增强系统冷却效率，令电池组在固有极限值之下实现高效率运行。目前，液体冷却技术的实现多以冷却组、管道、液体介质流量等为主，通过对不同影响因素进行设定，分析出在某一类运行工下，液体冷却技术在具体落实中呈现出的功能属性。我国学者通过分析氢氟醚介质与其它液体介质之间的冷却效率，得出在同等对流传热机制下，液体介质发生相变所产生的冷却效能，可将整个温度维系在35℃～38℃的恒定范畴内，这样便可在冷却介质的冷却循环内，确保电池组温度值的降低呈现出恒定状态，以此来增强电池组的实际应用性能，保证其在固有生命周期内发挥出更大的价值。

然而，液体介质冷却技术也存在一定的使用劣势，例如，非接触冷却工艺所搭载的金属设备，在整个系统运行过程中，将对系统能量产生一定的消耗，降低电池能源的供电性能;接触型冷却工艺在运行过程中，如果电池外部结构产生破损问题，将造成严重的安全事故。为此，在采用液体介质冷却技术时，必须从多个角度分析出当前工况操作形式下，冷却技术所能达到的最大冷却效果，然后结合汽车运行原理，真正实现节能化操作，增强电池组的使用寿命。[2]

（三）相变介质冷却技术

相变介质冷却技术作为近年来新兴的电池冷却工艺，其主要是通过相变材料，对当前系统存在的温度变化趋势进行分析，界定出不同操控工序下，能源转换所应具备的消耗值，然后结合材料本体的可塑性能，对电池组所产生的能量进行转换与释放，以保证电池组运行的稳定性。从技术发展形势来看，相变介质冷却技术的实现可进一步提高电池组的温控性能，令整个系统所产生的热量可通过吸收与传递实时导出到外部，以提高系统热传递系数，为汽车稳定性运行提供基础保障。与此同时，以相变介质为驱动的冷却技术，在具体应用过程中，可摒弃复杂的驱热系统，即为无需风机设备的驱动支持，便可实现低成本运行。此外，相变材料的应用，可有效解决局部温度过高的问题，令电池组实现整体均衡化降温。我国学者采用泡沫铜—脂肪烃蜡油作为管理系统，对新能源动力汽车的锂离子电池损耗情况进行模型建构，以验证不同工况下，冷却系统在具体实现某一项冷却功能时，其所能达到的最优比值。经过实践表明，以泡沫铜—脂肪烃蜡油为介质冷却系统，其所产生的性能参数明显高于空冷系统，且在低温条件下，电池工作所产生的温度系数呈现出离散属性，并且温度差值更为平均，局部发热问题的产生概率极低。国外研究学者则是在电池组上设定PCM模块，通过系统自动化监测，当电池组达到一定数值时，相变材料本体所设定的温度系数将随着系统温度的提升对热量及时导出，且此类温度变化进一步反映出材料的可塑属性，令温度在固定指标下得以散热处理。

（四）热电制冷技术

热电冷却技术主要是以电子元件为载体，通过热电发生反应，使得电池在运行过程中产生的热能进行电能转换，这样便可将余热当成是能源的重要驱动，进而作用到设备制冷器装置中，进行散热处理。国外学者针对热电制冷技术，研发一种热泵供给系统（BTMS），通过分析新能源汽车动力电池的锂离子在不同环境下呈现出的放电属性，得出在恒流放电模式下，锂离子的放电速率建模参数显示，与预设的热响应、能耗等相符合，其也证明了BTMS的可应用性能。Esfahanian等人则是在原有的热电技术上进行优化处理，通过空冷热原理的应用，进一步得出空间制温体系，在实践表明下，动力电池的外界环境如果高于42℃时，则电池温度将自动进行恒温处理，以保证电池组在35℃的最佳工作状态下。我国学者在原有的热电制冷技术之上，提出制冷器与热管理系统相结合的规划，通过实践证实，在恒流的放电频率下，制冷器可将电池组的温度恒定38℃以内，且作用到不同串联电池组上，其所形成的温度差值低于1℃。对于热电制冷技术来讲，在不同设备载体中，其均需要对电池组本体进行一个恒温设定，这样才可最大限度保证在生命周期内，电池组使用寿命的最大化。

（五）热管制冷技术

热管制冷技术是通过填充相变介质的密封空心管装置，经由蒸发机构、冷凝机构，对电池组所产生的热能进行一系列的循环转化，实现制冷。热管制冷技术的工作原理，在运行过程中，以蒸发机构对电池组所产生的热量进行吸收，然后将此类热能作用到空心管内的液体介质中，使内部液体汽化。当液体汽化时，其所产生的气体将在密封空心管内产生一定的反作用气压，气体在下降势能的作用下，将导入到冷凝机构中，经过冷凝机构的液化处理，将把蒸汽机构所产生的气体转换为液体，然后经由循环装置流回到蒸发装置中，进而为后续汽化—液化的循环提供反应介质。从具体应用形式来看，热管制冷技术大多集中在模型优化体系中，即为以性能为主导的模型评价，通过各类数据信息的整合，界定出不同反应介质下数据参数与实际参数所呈现出的误差值，这样便可通过数据信息反映出热管制冷技术的冷却效果。对于此，国外学者通过实验平台，分析出在单管热冷却技术下的锂电池冷却效能，通过不同温度的测定下，得出采用低流量的冷却环境，可更加快速的实现降温，这是由于同一阶段的低温环境中，冷却机构可更为容易的吸收热量，且温差效果不会对固有温度指标造成较大的影响，以确保温度的精度控制。我国学者则是通过对热管长度、内部机构组成、喷雾模式等方面，分析出不同工况下电池组的冷却效率，通过实践研究表明，界定出热管长度、喷雾指标与电池组冷却具有一定的线性关系，即为热管长度越大、喷雾效率越高，则电池组的冷却效率越快，但上述两种反应模式的优化，将占据较大的空间资源、能源耗用资源。部分学者研究热动力电池下不同冷却技术的实际应用性能，通过分析比对，查证出冷却性能高低依次为热管冷却技术>液体介质冷却技术>空气介质冷却技术。在热管冷却技术的支持下，电池组的最佳温度可持续更长的时限，且不同电池组的温度差值较小，以增强电池的实际效能。

结语

综上所述，電池作为新能源汽车运行的驱动部件，通过电力能源的中枢供给，为汽车运行提供动力。对于整个电力供给系统而言，汽车动力电池供应过程中呈现出一定的消耗性，其所产生的热能在一定程度上将耗损电池组装置的使用寿命。对于此，必须针对使用形式，分析出不同冷却技术的应用属性，进而令整项冷却工作的开展提供基础保障。

参考文献：

[1]蒋乐，张恒运，吴笑宇.电动汽车锂离子电池散热技术研究[J].农业装备与车辆工程，2019，57（12）：19-22.

[2]卢梦瑶，章学来.电动汽车动力电池冷却技术的研究进展[J].上海节能，2019（10）：801-809.

作者简介：郑威（1991—  ）男，汉族，江苏徐州人，本科，助理讲师，研究方向：新能源汽车。