电动汽车动力电池液冷技术研究

电动汽车动力电池液冷技术研究

武文杰

安徽江淮汽车集团股份有限公司新能源乘用车公司新能源汽车研究院安徽合肥230601

摘要：伴随着能源的不断消耗，温室效应及大气污染问题日益严峻，在这种背景下，电动汽车研发已经成为全球汽车企业发展的重要趋势。随着电动汽车的发展，电动汽车对电池性能提升要求进一步提升。伴随高能量密度动力电池的发展，电池产热问题更加突出。动力电池热管理的要求是根据动力电池电池发热机理，合理设计电池包结构，选择合适的热管理方式，合理设计热管理策略，保证电池包内各个单体电池工作在合理温度范围内的同时尽量维持包内各个电池及电池模块间的温度均匀性。

关键词：电动汽车；动力电池；热管理；液冷技术

前言

动力电池作为电动汽车的动力来源，是提高整车性能和降低成本的关键一环，其温度特性直接影响电动汽车的性能、寿命和耐久性。动力电池的温度水平直接影响其使用中的能量与功率性能。而过高的温度会导致电池的容量、寿命和能量效率的降低，若电池积聚的热量无法及时散出，会导致热失控的产生，严重时会发生整车燃烧的危险。

因此，电池组需要热管理系统对工作温度进行合理管理、低温加热与高温冷却，以保证电池组使用的安全性、动力性、充放电循环寿命和耐久性最优。根据冷却介质不同，电池模组散热可分为空气冷却、液体冷却。传统冷却技术中，风冷式散热技术最为普遍，但在恶劣环境下，其散热效能难以满足实际需求，而液体冷却技术以其较高的热传导率、较优的对流换热系数逐渐得到广泛关注。目前液体冷却结构日益多样化，包括直接接触与间接接触两种方式，直接接触冷却方式对于冷却液体的绝缘性要求较高，如矿物油等，通过冷却液与电池模组的直接接触可实现均匀性散热，但冷却液的黏度一般较大;间接接触冷却方式可采用导热性能较好的介质如乙二醇等，通过冷板与电池模组隔开，冷板起到热量传输作用，换热效率相对提升，但同时散热结构也更加复杂。通过研究分析动力电池产热原理，传热冷却方式，及风冷散热和液冷散热方案的比较说明液冷散热效果好于风冷。冷散热将是未来适合复杂工况的大功动力电池热管理的重要研究方向。

1动力电池热特性

动力电池放电过程的本质是电池内部的电化学反应过程，以锂离子电池（正极材料为LiCoO2）为例，电池的电流由以下电化学反应产热

电池在充放电过程中都会发生一系列化学反应，从而产生热反应。锂离子动力电池的主要产热反应包括：电解液分解、正极分解、负极与电解液的反应、负极与粘合剂的反应和固体电解质界面膜的分解。此外，由于电池内阻的存在，电流通过时，会产生部分热量。低温时锂离子电池主要以电阻产生的焦耳热为主，这些放热反应是导致电池不安全的因素。电解液的热安全性也直接影响着整个锂电池的电池动力体系的安全性能实际运行环境中，动力系统需要锂离子电池具备大容量与大倍率放电等特点，但同时产生的高温增加了运行危险。所以，降低锂离子电池工作温度，提升电池性能至关重要。

2风冷冷却技术

空气作为传热介质就是直接让空气穿过模块以达传热冷却方式到冷却、加热的目的。空气冷却按照冷却系统采用结构的不同，分为串行和并行两种方式；按照是否使用风扇，分为强制及自然两种冷却方式。自然冷却无冷却风扇，冷却效果比较差。强制冷却主要利用冷却风扇进行冷却，由于其实现成本较低、散热效果较好、可靠性高等特点，前期新能源汽车主要采用此种方式对电池组进行冷却。

风冷电池组冷却系统，当动力电池需要空调系统制冷时，压缩机转动将进入其中的低温低压气态冷媒压缩为高温高压气体状态，高温高压冷媒在压缩机持续不断的压力下被送入冷凝器里将其变为中温高压的液体。随后冷媒再经过干燥器进行气液分离，并将冷媒中残留水分除去。制冷剂经过膨胀阀，因膨胀阀有限流作用，使液态制冷剂经过限量后进入电池组内部蒸发器，制冷剂因压力降低而使体积膨胀，当液态制冷剂在压力下降到一定值时，会由液态直接蒸发为气态并在蒸发器芯体上吸收周围大量的热能，使蒸发器芯体的温度降低。当有自然风从蒸发器芯体的翅片或扁管上通过时，蒸发器芯体会对自然风降温，并将降温后的空气送出蒸发器总成以产生电池包内部制冷效果。

由于蒸发器所在位置不同导致其制冷效果会出现较大差异，分体式蒸发器制冷效果好，但在安装制造方面存在较大困难；集中式蒸发器制冷效果较分体式差，但安装相对较为方便。因此需要利用CFD软件对电池组进行高温冷却仿真，选取较优方案。

风冷冷却在早期电动汽车热管理中被广泛应用，在极端工况冷却工况中风冷冷却可以在抑制动力电池温升快的问题，但电池温度还是会缓慢上升，动力电池温差也较大。由于空气介质传热效率较低，在风冷冷却过程中会出现结霜问题。

3液冷冷却技术

考虑空气与壁面之间的换热系数很低，采取高传热系数的换热流体取代空气成为强化热管理系统能力的必然手段。

液体冷却可以分为直接接触和非直接接触两种方式。非直接接触式液冷须应用水冷板、导热硅胶垫、热交换器、等换热器件，需要设计与电池组整合方可实现冷却，换热能力受到一定损失，影响程度不大。直接接触式通常采用换热系数高且不导电的换热流体，常用的有矿物油、乙二醇等。非直接接触式的液冷系统则可采用水、防冻液等作为换热介质。

液冷方式的主要优点有：与电池壁面之间换热系数高，冷却、加热速度快。作为一种新型的冷却形式，以液体为介质的对电动汽车研究表明，相比于空气冷却，尽管液体冷却系统相对比较复杂，但是能够获得更好的冷却效果。通过数值模拟发现，随着冷板中间夹持电池数目的增加，电池组整体温度性能以及温度均匀性严重恶化。虽然，增大冷却介质流速或者增加冷板厚度能显著降低电池组整体温度和温度不均匀性，但是这将造成附加荷载，如泵功率增大等。液冷冷却设计时充分考虑系统流阻，流阻过大会导致水泵功率过大一般设计要求系统流阻小于60KPa。

4相变材料冷却（PCM）

一个理想的热管理系统应该能以低容积，减少质量及成本增量的情况下维持电池包在一个均匀温度。就鼓风机、排风扇、泵、管道和其他附件而言，空气冷却和液体冷却热管理使得整个系统笨重、复杂、昂贵。相变材料由于其巨大的蓄热能力，开始被应用于动力电池包热管理系统，相变冷却机理是靠相变材料的熔化（凝固）潜热来工作，利用PCM作为电池热管理系统时，把电池组浸在PCM中，PCM吸收电池放出的热量而使温度迅速降低，热量以相变热的形式储存在PCM中，在充电或很冷的环境下工作时释放出来。在相变材料电池热管理中。

PCM冷却系统，是一种将相变储能材料与电池模块进行整合，利用其相变潜热来实现电池热管理的被动式冷却系统。

石蜡具有相变温度接近电池最佳工作温度、具有较高的相变潜热和成本低廉等特点，但是其不足之处是具有很低的热导率。因此，许多研究者开展了旨在克服其低导热率缺陷的实验研究，通过在石蜡中添加热导率高的物质制成复合PCM，

有助于提高材料的综合性能。采用添加金属填料、金属阵列结构、金属翅片管、铝切削片来提高石蜡的热导率10多有报道。

PCM热管理系统具有降低整个电池系统体积、减小运动部件、不需要耗费电池额外能量的优点，理论分析和实验数据表明该技术会有良好的产业前景，值得引起国内业界高度重视。

5结论

电池热管理系统中，空气自然对流方式效果欠佳，而空气强制对流方式虽然比自然对流有所提高，但在极端条件下不能满足需要。相变材料热管理虽然有良好的冷却效果，，离应用还有一段距离。液体介质具有较好的降温效果，因此，基于液体介质的电池热管理相对于其它方式具有更好的传热性能，能在保持较小温差的前提下，把温度控制在合适范围。目前主流电动汽车厂家已经在批量应用动力电池液冷技术。

参考文献

[1]霍宇涛，饶中浩，赵佳腾，刘臣臻，低温环境下电池热管理研究进展[J].新能源进展2015,1，53-55

[2]宋军，夏顺礼，赵久志，张宝鑫，阳斌，一种纯电动轿车电池组冷却系统设计及仿真[J]，汽车工程学报，2015，5（汽车工程学报），51-56