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新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的冷卻技術(shù)研究

發(fā)布日期:2022-12-29 瀏覽次數(shù):925

  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(chē)作為基礎(chǔ)出行工具得到廣大群眾的青睞, 給我國(guó)的新能源行業(yè)以及汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)全新的發(fā)展機(jī)遇。電池組作為決定新能源汽車(chē)性能以及續(xù)航能力水平的重要保障,對(duì)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(kāi)展的新能源汽車(chē)動(dòng)力電池冷卻技術(shù)研究工作,推動(dòng)新能源汽車(chē)的可持續(xù)健康發(fā)展。

  關(guān)鍵詞:新能源汽車(chē) 動(dòng)力電池 冷卻技術(shù)

  

 

  圖源:中國(guó)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(chē)的動(dòng)力能源是石油產(chǎn)品,但隨著汽車(chē)保有量的逐步提升,對(duì)于原油的需求量逐步提升,加之能源緊缺問(wèn)題的存在,給汽車(chē)行業(yè)未來(lái)發(fā)展帶來(lái)影響。新能源汽車(chē)研發(fā)降低汽車(chē)行業(yè)對(duì)于傳統(tǒng)能源的依賴(lài)水平,利用電力能源來(lái)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(chē)尾氣的排放問(wèn)題,降低對(duì)于不可再生資源的利用率,有效解決我國(guó)的能源使用危機(jī),推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。 新能源汽車(chē)是以電力驅(qū)動(dòng)的新型能源汽車(chē),電池裝置在長(zhǎng)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(zhǎng)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(chē)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,各大汽車(chē)企業(yè)需要提升對(duì)動(dòng)力電池的開(kāi)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(zhǎng)電池的生命周期,為汽車(chē)企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)。

  1 新能源汽車(chē)概述

  現(xiàn)如今的新能源汽車(chē)類(lèi)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(chē)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(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)。在電力開(kāi)發(fā)水平不斷提升的背景下,國(guó)家愈發(fā)重視對(duì)電力資源的綜合開(kāi)發(fā)利用,這給新能源汽車(chē)的開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)全新的發(fā)展機(jī)遇。從整體層面來(lái)看新能源汽車(chē)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(chē)中的電池結(jié)構(gòu),為汽車(chē)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。在電池組供電過(guò)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(wèn)題的發(fā)生,不僅會(huì)影響汽車(chē)運(yùn)行的整體動(dòng)力,也會(huì)給新能源汽車(chē)的安全運(yùn)行帶來(lái)隱憂(yōu)。

  

 

  圖源:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所

  2 新能源汽車(chē)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(guò)程中也具備電池重量輕、污染程度低的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),鋰離子電池應(yīng)用壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于其他類(lèi)型電池, 在我國(guó)新能源汽車(chē)行業(yè)中有著良好的發(fā)展場(chǎng)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(zhǎng)、 整體放電功率高的優(yōu)勢(shì),但鎳氫電池的記憶效應(yīng)低下多, 帶來(lái)的電池制造成本相對(duì)較高,因此主要應(yīng)用在電動(dòng)工具內(nèi),在不久的將來(lái)會(huì)全面普及到汽車(chē)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(duì)較低,使用壽命也相對(duì)較短,在具體生 產(chǎn)過(guò)程中所應(yīng)用的原材料成本并不高,其穩(wěn)定性也相對(duì)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(chē)、自行車(chē)此類(lèi)的池能源中,在能源市場(chǎng)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(shì),在新能源汽車(chē)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(guó)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(guó)家仍舊有所差異,為此我國(guó)需要加大對(duì)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(chē)中。

  3 新能源汽車(chē)電池冷卻系統(tǒng)

  新能源汽車(chē)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(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)、 控制器等各個(gè)關(guān)系部門(mén)進(jìn)行冷卻,供電系統(tǒng)冷卻主要是對(duì)動(dòng)力電池以及車(chē)載充電器進(jìn)行冷卻。新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的間距對(duì)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(duì)均勻。新能源汽車(chē)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(chē)的動(dòng)能,而在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中所產(chǎn)生的熱能無(wú)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(duì)于鋰電池穩(wěn)定性帶來(lái)影響。同時(shí)動(dòng)力電池始終處于高溫狀態(tài)下,也會(huì)對(duì)電池的性能帶來(lái)影響,也會(huì)大大縮短電池的使用壽命。新能源汽車(chē)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(chē)的性能。為此電池冷卻系統(tǒng)可充分利用汽車(chē)電池組熱量管理模型對(duì)動(dòng)力電池溫度妥善調(diào)節(jié),在電池溫度相對(duì)較低時(shí)可為其提供熱量,而在電池溫度過(guò)高時(shí)可對(duì)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(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所

  4 新能源汽車(chē)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(duì)流熱交換原理來(lái)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(guò)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(guó)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(shì),主要是利用液體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)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(méi)于絕緣冷卻液體當(dāng)中,通過(guò)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(pán)管, 由冷卻液體在其中流動(dòng),借助對(duì)流傳熱以及制冷手段達(dá)到降低電池組工作溫度的目的。現(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(chē)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(guó)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(guò)在空心管設(shè)備填充滿(mǎn)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(guò)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(guó)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(wú)毒無(wú)害、熱穩(wěn)定性?xún)?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(guò)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(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所

  5 新能源汽車(chē)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(guò)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??諝庠陲L(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下,能按照預(yù)定的流速穿過(guò)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(guò)程中,具體注意事項(xiàng)如下所示。

  第一,在進(jìn)行電池排布過(guò)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┻^(guò)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(duì)較高,在具體排布過(guò)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(guò)程中需要從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本性低、密封性良好以及空氣流通無(wú)阻礙等多方面綜合性考量。

  第三,在蒸發(fā)器型號(hào)選擇方面,需要根據(jù)新能源汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)中的壓縮機(jī)型號(hào)、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(mǎn)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(guó)對(duì)于新能源汽車(chē)的性能要求逐步提升, 國(guó)家所下發(fā)的補(bǔ)貼政策也更加偏向于行駛里程長(zhǎng)以及能量密度高的車(chē)輛,加之汽車(chē)行業(yè)對(duì)新能源汽車(chē)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(guò)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(lèi)型選擇時(shí),需要選用 國(guó)標(biāo)通用接口類(lèi)型,確保冷卻液進(jìn)出接口與整個(gè)車(chē)輛的冷卻系統(tǒng)相匹配,大大降低新能源汽車(chē)的加工成本。

  第二,在進(jìn)行冷卻管型號(hào)選擇時(shí),需要從冷卻管材料、 管徑型號(hào)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(lèi)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(guò)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(duì)較高,設(shè)計(jì)人員需要在液冷表面粘貼層導(dǎo)熱性?xún)?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(lèi)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(wú)縫對(duì)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。

  6 結(jié)語(yǔ)

  在節(jié)能環(huán)??沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略支持下,新能源汽車(chē)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(wèn)題。現(xiàn)如今新能源汽車(chē)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(chē)動(dòng)力電池冷卻技術(shù)的應(yīng)用,可進(jìn)一步延長(zhǎng)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(chē)動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)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?wèn)題,推動(dòng)新能源汽車(chē)的可持續(xù)健康發(fā)展。

  來(lái)源:研究與探索·工程技術(shù)與創(chuàng)新

  作者:韓穎,周歡;重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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