动力电池的冷却系统在《动力电池及能源管理技术》书中的应用

动力电池在充放电的过程中会产生一定热量，从而导致温度上升，温度升高会影响电池的很多特性参数，如内阻、电压、可用容量、放电效率和电池寿命等。为了尽可能延长动力电池的使用寿命并获得最大功率，需要在规定温度范围内使用电池，这就涉及动力电池的冷却系统。动力电池冷却系统性能的好坏会直接影响电池的效率，同时也会影响电池的寿命和使用安全。

目前新能源汽车动力电池系统的热管理主要可分为四类：自然冷却、风冷、液冷和直冷，其中自然冷却是被动式的热管理方式，风冷、液冷和直冷是主动式的热管理方式，三者的主要区别在于换热介质的不同。

（1）自然冷却

自然冷却没有额外的装置进行换热，通俗的讲就是靠自然风吹，例如比亚迪秦、唐以及腾势等采用LFP电芯的车型上都采用了自然冷却。自然冷却的优势是结构简单、成本低、占用空间较小。缺点也比较明显：散热效率低、无法适应大功率充放电的冷却需求，一般只用于运行工况缓和、对成本敏感的电动汽车。

（2）风冷

风冷是目前电动汽车电池散热系统中应用最广泛的散热方法。风冷采用空气作为换热介质，原理是利用散热风扇将来自车厢内部的空气吸入动力电池箱，以冷却动力电池以及动力电池的控制单元等部件。强制气流可以通过风扇产生，也可以利用汽车行进过程中的迎面风或者压缩空气等产生。

日本丰田公司的混合动力电动汽车Prius和本田公司的Insight都采用了风冷的形式，尼桑、通用等汽车公司研制的热管理系统也采用过强制风冷形式。国内各种类型的电动车用电源系统基本上也是采用风冷系统。风冷方式的优点是质量相对较小，没有发生漏液的可能，有害气体产生时能有效通风，成本较低。缺点在于其与电池表面之间的热交换系数低，冷却、加热速度慢，电池箱内部温度均匀性不容易控制，电池箱的密封设计较难，防尘、防水效果较差。

影响风冷散热的主要因素有：

1）单体电池性能

电池的产热率、能量效率、容量和性能等要基本保持一致，否则，即使开始使用时，电池组温度均匀性非常好，但随着使用时间的增长，电池间的差异也会变得越来越大，从而造成温度场的不均匀性逐渐扩大。

2）进、出风口位置

进、出风口位置对电池组的流场起着至关重要的作用。位置设置不当，直接影响整个流场的分布，温度均匀性不理想。风机是用来向电池组内鼓风，还是从电动汽车电池组内部引风，对电池箱内流场也会有很大影响。

3）风机

要选好风机的类型、型号，其对将电池组整体温度保持最佳范围内、降低能耗是很重要的。可以通过实验、理论计算和数值模拟的方法来估计压降、空气流量，帮助风机选型。当流动阻力小时，可以考虑选用轴流风机；当流动阻力大时，可以选择离心风机。同时，根据电池组的温度变化情况，从降低能耗考虑，适宜选择多挡位风机。(www.xing528.com)

4）流通面积

在流动方向上，通过不断缩小流通面积，使空气流速逐渐变大，与电池换热的换热系数也增大，而空气在流动过程中因为与经过的电池换热，温度不断升高，与电池的温差逐渐减小，平衡了上、下游散热条件，使得整体的换热效果基本一致。但流通面积降低，阻力加大，需要选择风压较高的风机。

5）流场设计

流场设计的合理性直接影响电池模块之间的温度差异。例如串行通风与并行通风对电池组温差影响差别就比较大。

6）电池包覆材料

可以使用不同的电池包覆材料，利用不同的材料厚度来改变单体电池的散热条件。在Prius的设计中，为了使各电池温度均匀，在电池表面包覆薄膜，使得越是位于上游侧的电池组件，其上包覆的薄膜筒直径越大，进一步提高温度均匀性。但是在一定程度上会增加电池箱体积和质量，且这种方法牺牲了部分散热性能来达到温度场的均匀，会加大散热负荷。

7）电池组支撑材料

在保证电绝缘性和机械强度的条件下，尽量选用导热性能良好的支撑材料，增大导热在电池组散热中的比例，从而使电池组内温度场分布均匀化。作为电池模块的支撑固定架，既可以采用非金属材料，也可以采用金属材料，采用金属材料时需注意绝缘。

（3）液冷

液冷技术的原理是通过电池包内部的冷却液来带走电池在工作中所产生的热量，以达到降低电池温度的效果。简单来讲，液冷系统技术是在电池包里穿过一根水管，需要为电池降温时就往水管里通冷水，通过冷水带走热量降温，而需要升温时就往水管中通入热水。液冷系统对电池包的温度控制效果要优于风冷系统，液体介质与电池面之间热换热系数高，冷却、加热速度快，且体积较小。缺点在于结构相对复杂，需要水套、换热器等部件，质量相对较大，维修和保养更复杂。

随着使用环境对动力电池的要求越来越高，液冷技术也逐渐取代风冷技术成为各大车企的优先选择，尤其是在大中型纯电动汽车中，液冷系统的使用率非常高，在小型纯电动汽车乃至插电式混合动力汽车中，应用液冷的新车型也越来越多。特斯拉Model S、帝豪EV、江淮IEV6E等都采用了液冷技术。

（4）直冷

直冷系统与液冷系统的结构类似，但直冷会直接将汽车空调系统的制冷剂注入电池包内部，制冷剂在气液相变过程中能够吸收大量的热，更快速地带走电池内部的热量，散热效率更高。直冷相比液冷能够将换热效率提升3倍以上。宝马i3便采用了直冷系统。直冷系统也有缺陷，它对系统的气密性要求较高，对生产制造工艺提出了更高的要求，再就是直冷系统的散热均匀性不易控制，电芯温差存在过大的风险。