新能源汽車動力電池冷卻技術研究＊

李哲陽，劉婷玉

（景德鎮學院，江西景德鎮 333000）

新能源汽車在全球范圍內正迅速取代傳統的內燃機汽車，作為對抗氣候變化和減少化石燃料依賴的重要手段。在這其中，動力電池成為新能源汽車的核心組件，直接影響車輛的性能、續航里程和總體運行成本。但是電池在充放電特別是高負載條件下，會產生大量熱量。如果這些熱量無法有效排除，可能會導致電池過熱，從而引發性能退化、安全隱患甚至故障。因此，為動力電池設計和實施高效的冷卻策略變得至關重要。

1 新能源汽車的電池類型

1.1 鋰離子電池

新能源汽車的發展與電池技術緊密相連，而鋰離子電池因其高能量密度、循環壽命和相對較低的自放電率而受到廣泛關注。鋰離子電池主要由正極、負極、電解液和隔膜組成。工作時，鋰離子在正負極之間來回移動，進行充放電過程。相對于其他電池技術，其具有更高的電壓、更長的使用壽命以及能夠維持更大的電流輸出。由于這些獨特的性質，鋰離子電池在新能源汽車特別是電動汽車中，已成為首選的電池技術。此外，隨著研究的深入，鋰離子電池的材料和設計也在不斷進化，以滿足對更高能量密度、更長壽命和更安全性能的需求。鋰離子電池的快速充電能力也使其能適應快速的生活節奏。但同時也面臨一些挑戰，如高成本、有限的資源供應和安全性問題[1]。通過持續的研發，這些問題都正在得到解決。

1.2 鎳氫電池

鎳氫電池是新能源汽車中的另一種重要電池技術，尤其在一些早期的混合動力汽車中得到了廣泛應用。這種電池類型主要使用鎳氧化氫作為正極材料，而負極則利用金屬雜化物，通常為稀有金屬如鑭或釹，與氫發生反應。鎳氫電池在工作過程中，通過鎳和氫之間的化學反應釋放能量。與其他電池技術相比，鎳氫電池具有良好的循環壽命、較低的自放電率和相對穩定的輸出電壓。此外，其能量密度雖然不及鋰離子電池，但遠超過傳統的鎳鎘電池。安全性方面，鎳氫電池在正常使用下的熱穩定性和化學穩定性都相對較好，減少了因過熱或化學泄漏導致的風險。值得注意的是，鎳氫電池的成本和質量相對較高，且體積相對較大，這在某種程度上限制了其在現代電動汽車中的應用。盡管如此，鎳氫電池在某些特定應用如航天和一些專業設備中仍然是不可或缺的。

1.3 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池是最早被廣泛使用的蓄電池技術之一，擁有超過100 年的歷史。其主要由鉛和硫酸組成，通過鉛和硫酸之間的化學反應產生電能。在新能源汽車領域中，盡管其并不是主要的驅動電池，但鉛酸蓄電池在為車輛的基本電氣系統提供電力，如啟動、燈光和車載電子設備等方面仍具有關鍵作用。鉛酸蓄電池的主要優點包括成本低廉、技術成熟以及回收和再利用的可行性強。此外，還具有相對穩定的放電曲線，能夠在廣泛的溫度范圍內穩定工作。然而，鉛酸蓄電池的能量密度較低，這意味著相對于其體積和質量，所能存儲的能量有限。此外，循環壽命和深放電能力都相對較差。這使得鉛酸蓄電池在現代電動汽車的主要驅動電池領域逐漸被其他先進的電池技術所替代。但無論如何，由于其可靠性和經濟性，鉛酸蓄電池仍然在新能源汽車中占有一席之地，尤其是在輔助電源和應急備用電源系統中。

1.4 燃料電池

燃料電池是一種高效清潔的能源轉換技術，不同于傳統的電池通過化學能儲存和釋放電能，燃料電池是通過化學反應直接將燃料的化學能轉化為電能。在新能源汽車領域中，燃料電池汽車（FCV）主要采用氫氣作為燃料，通過與氧氣的反應產生電力來驅動車輛，同時產生的副產品僅為水，從而確保了零排放[2]。相對于其他電池技術，燃料電池具有更長的續航里程和更短的加氫時間，與傳統內燃機汽車相似，這使得燃料電池汽車在長途運輸和商業運營中具有潛在的優勢。然而，燃料電池技術仍面臨一系列挑戰，如氫氣的存儲、運輸和分配，以及燃料電池的高成本和壽命問題。但隨著技術進步和基礎設施建設，燃料電池汽車正逐漸得到廣泛關注和應用。

2 動力電池冷卻系統的作用

2.1 保持適宜的工作溫度

動力電池冷卻系統的核心目標之一是保持電池在適宜的工作溫度范圍內。電池的運作，無論是在充電還是放電過程中，都伴隨著熱量的產生。這種熱量的積累，如果不加以管理，會導致電池溫度迅速上升，進而超出其最佳工作溫度。適宜的工作溫度不僅關系到電池的即時性能，還影響其長期的健康和穩定性。在理想溫度下，電池的化學反應進行得更為高效和均勻，確保了能量輸出的穩定性和電池的響應速度。反之，如果溫度過高，可能導致電解液蒸發、內部材料結構改變，甚至有可能引發熱失控，這對電池的壽命和安全性都是巨大威脅。而溫度過低則可能導致電池的響應遲緩，減少輸出功率，甚至增加內部電阻。冷卻系統通過及時、高效地吸收并散發熱量，確保電池始終處于其最佳的工作狀態，從而使電池性能最大化，同時為駕駛者提供了穩定和可靠的駕駛體驗。這樣的溫度管理策略確保了電池在各種駕駛和環境條件下都能提供持續、穩定的動力輸出。

動力電池在新能源汽車中發揮著關鍵作用，它的工作效率和安全性與其工作溫度密切相關。冷卻系統在其中扮演著維持電池在適宜溫度工作的角色。當電池進行充放電過程時，都會產生熱量。如果不妥善處理，這些熱量會使電池溫度過快上升，從而超出其理想的工作范圍[3]。電池在適宜的工作溫度下，其化學反應更為高效，確保了電池能夠持續、穩定地輸出電能。不適當的溫度不僅會影響電池性能，還可能對其壽命造成損害。過高的溫度可能導致電解液蒸發，材料的結構和性質發生改變，甚至增加熱失控的風險，這都會對電池的持久性和安全性造成威脅。而低溫可能使電池響應遲緩，電池內部電阻增加，進而降低其輸出能力。冷卻系統的存在，確保了電池始終處于最佳的工作溫度，無論是在炎熱的夏季還是寒冷的冬季，這樣的溫度管理不僅最大化了電池的即時性能，而且有助于延長其使用壽命，為駕駛者提供持續、穩定且安全的駕駛體驗。這對于推動新能源汽車的廣泛應用和市場接受度至關重要。

2.2 提高充電速度

當電池進行快速充電時，其內部產生的熱量顯著增加。沒有適當的冷卻措施會導致電池溫度迅速升高，進而增加電池損傷的風險，降低其使用壽命，甚至可能引發安全隱患。適當的冷卻不僅確保了電池在充電過程中的安全，還使其可以在更高的電流下接受充電，而不會產生過多熱量。這意味著電池可以在更短的時間內完成充電。對于用戶來說，這大大降低了等待時間，特別是在長途旅行中需要在公共充電站進行中途充電時。此外，冷卻系統通過維持電池在最佳溫度范圍內確保了電池的化學反應更為高效和均勻，從而減少了電池內部的不穩定性和不均勻熱分布，防止了電池在快速充電時損傷。不難看出動力電池冷卻系統對于提高充電速度具有決定性的影響，它不僅確保了電池在快速充電時的安全性和效率，還為駕駛者提供了更便捷的使用體驗，進一步推動了新能源汽車的實用性和普及度。

3 新能源汽車動力電池的冷卻技術分析

3.1 空氣冷卻電池技術

新能源汽車動力電池的冷卻是保障電池性能正常和安全的關鍵環節，空氣冷卻電池技術是常見的一種方法。該技術主要利用外部環境的空氣對電池進行冷卻，通常通過風扇引導空氣流過電池表面或電池模塊之間的空隙，以達到散熱目的。相對于其他冷卻技術，空氣冷卻具有其獨特的優點。例如，其結構簡單，成本較低，維護容易。由于不需要液體介質、泵或復雜的冷卻循環系統，其可靠性較高[4]。此外，空氣冷卻技術不需要額外的液體冷卻劑，從而降低了潛在的泄漏風險。然而，空氣冷卻技術也存在一些局限性。與液體冷卻方法相比，空氣作為冷卻介質的導熱性能較差，這可能導致電池的冷卻效果不如液體冷卻技術。尤其在高溫環境或電池高負載工作時，僅依靠空氣冷卻可能難以滿足電池的冷卻需求。為了確保有效冷卻，所需空氣流量較大，這可能會增加風扇的噪聲和能耗。從總體上看，空氣冷卻電池技術是一種簡單、成本低、效益較高的冷卻方法。盡管其可能不如液體冷卻系統高效，但對于某些應用，特別是對于不需要頻繁高負載工作或在溫和氣候下使用的車輛，仍然是一種非常合適的選擇。

3.2 液體冷卻電池技術

新能源汽車中的動力電池是新能源汽車的核心組件，而維持其在適當的工作溫度范圍內是至關重要的。液體冷卻電池技術正是為此而設計的高效冷卻方法。該技術利用特定的冷卻液體，如冷卻劑或特殊的導熱液體，直接或間接地與電池接觸，以提供持續、均勻的冷卻效果。液體冷卻技術的主要優勢在于其高效的散熱性能，液體作為冷卻介質的導熱性能遠遠超過空氣，這使得電池即使在高負載或快速充電的情況下也能夠維持在理想的工作溫度范圍內。通過精確控制液體的流量和溫度，確保電池各部分的均勻冷卻，從而避免溫度梯度和局部過熱，這對于電池的壽命和安全性是至關重要的。此外，液體冷卻技術還可以與汽車的其他熱管理系統集成，如內燃機的冷卻系統或車內的空調系統，這樣可以進一步提高整車的能源效率。然而，液體冷卻技術也帶來了一些挑戰，其需要更復雜的泵、管道和散熱器，這可能會增加系統的質量、成本和維護需求。盡管存在這些挑戰，液體冷卻技術仍然是許多高性能和高需求新能源汽車的首選，因為其提供了卓越的冷卻性能，確保電池能夠在最佳狀態下運行，從而實現最大的續航里程和壽命。

3.3 熱管冷卻電池技術

新能源汽車動力電池的高效冷卻是確保其性能和壽命的關鍵因素之一。

近年來，熱管冷卻技術逐漸受到關注并應用于電池的溫度管理中。熱管是一種高效的熱傳導工具，利用蒸發和冷凝的相變過程快速傳遞熱量，從而實現從電池的熱源到冷卻器的高效熱傳遞。熱管的核心原理是在其內部使用工作流體，當電池產生熱量時，這些熱量會被傳遞到熱管的蒸發端，使工作流體蒸發。然后，蒸汽流動到熱管的冷卻端，在那里遇到低溫并冷凝，釋放出熱量。這個過程很快，使得熱量幾乎即刻從電池移動到冷卻器。熱管冷卻電池技術的一大優勢是其具有高效性，由于相變的過程，熱管可以快速地傳遞大量熱量，而且幾乎沒有溫度梯度。這意味著電池可以被均勻、快速地冷卻，從而減少了溫度不均和局部過熱的風險[5]。此外，由于熱管的結構簡單且不包含動態部件，其可靠性和維護需求較低。同時也具有較高的靈活性，可以根據具體的電池布局和需求進行定制。

3.4 相變材料冷卻電池技術

相變材料（PCM）是指在特定溫度下能進行固—液相變的材料。在這一過程中，PCM 吸收或釋放大量的潛熱，從而提供了一種高效的溫度調控手段。當動力電池在工作或充電時產生過多的熱量，相鄰的PCM開始融化，吸收這些熱量并維持其溫度幾乎恒定。反之，當電池溫度過低時，PCM 開始凝固，釋放潛熱，從而幫助電池保持在一個較暖的狀態。因此，通過嵌入或與電池模塊緊密結合的PCM，電池的溫度可以得到有效管理和穩定。使用PCM 進行電池冷卻的優勢之一是其能夠為電池提供“被動”冷卻。由于沒有移動部件或復雜的流體循環系統，PCM 冷卻方法的維護需求和故障率相對較低。此外，相變過程能夠提供幾乎恒定的溫度，這對于電池的穩定性和長壽命至關重要。盡管PCM 冷卻技術具有許多優點，但也有一些局限性，其中選擇合適的PCM 材料并確保其與電池的兼容性是一大挑戰，同時相變的溫度范圍需要與電池的理想工作溫度緊密匹配。

4 結論

綜上所述，各種冷卻技術都有其獨特的優點和局限性，選擇最合適的技術應基于具體的應用需求、電池類型和車輛工作環境。從技術趨勢來看，隨著電池能量密度的提高和充電速度的加快，對冷卻技術的要求也將更為嚴格。未來的研究應著重于提高冷卻效率、降低系統成本和提升系統可靠性。同時，跨學科的合作和創新也將對推動冷卻技術的進一步發展起到關鍵作用。