新能源汽车产业被看作改善能源危机和环境压力的关键,其中的动力电池又居于核心地位,备受学术界关注。电池在充放电时会产生热效应,如果没有有效的散热管理,就很容易引发热失控,甚至发生燃烧、爆炸之类的安全事故。这既危害车辆行驶安全,又会大幅缩减电池寿命,削减续航里程。深入探究新能源汽车电池的散热技术,开发高效可靠的散热系统,对于保证新能源汽车安全行驶,增长电池寿命,加强续航能力十分重要。
一、发展现状
产业升级进程加速推动下,新能源汽车动力系统的热管理研究持续向纵深发展。当前主流动力电池类型各具特点:以市场占有率最高的锂离子电池为例,它具有较好的储能性能和相对持久的使用周期,但其运行环境温度需要严格维持在20℃-40℃。否则系统的热稳定性会显著下降,同时电池容量也会骤减。相较而言,铅酸电池在成本控制方面优势明显,但生产环节存在重金属污染防控难题；镍氢电池具备优异的环境适应性,却受制于功率密度瓶颈难以支撑高里程需求；燃料电池虽在能量转化率方面表现突出,但储氢系统稳定性与安全冗余设计仍需技术攻关。
为应对各类电池的热量管理挑战,工程界已发展出多维度温度调控方案,主要涉及强制风冷系统、液体循环冷却装置、相变储能材料、热导管技术以及气体对流散热方案等技术路径。
(1)风冷技术主要依靠自然或者强制的空气流动来达成散热目的,其结构较为简单,成本较低,但其效率容易受到环境温度与湿度的影响,大多应用于低功率场合。其中,串行通风设计适应于小容量电池组,而并行通风能够均匀分配气流,从而优化高发热量电池组的散热效果。
(2)液冷技术依赖冷却液循环高效转移热量,该技术散热均匀性优异,更加适应于高功率场景,但存在加工复杂、密封性要求高及泄漏风险等问题。
(3)相变材料冷却利用材料相变吸热实现被动温控,温度分布均匀,但受限于导热率低和储能容量有限,需通过添加金属粉末增强传热效率。
(4)热管冷却是基于蒸发-冷凝循环实现高效传热的一种冷却方式,兼具节能与可靠性,但体积大、成本高且环境适应性不足。
(5)对流散热虽传热效率高,却需依赖翅片等附加硬件设施,多应用于低端车型。
当下,散热技术正在由单一模式朝着复合化方向发展,液冷冷却与相变材料的散热技术的结合就是实例,同时借助拓扑改良算法,3D打印这些先进的技术手段来改良散热结构的效率,但技术融合还是面临很多挑战。
二、现存问题
当下,既有技术已有很大发展,但散热效率和环境适应能力之间的矛盾仍是核心难题,风冷在高温环境下性能会明显缩减,热管和相变材料受温度范围所限无法应对极端工况,液冷系统虽然高效但在低温环境中要添加加热模块,而且其复杂的流道设计会提升成本。
此外,锂离子电池在过充或高温环境条件下易发生热失控,近80%以上的新能源汽车自燃事故均由此引起。而现有预警技术如电化学阻抗谱可能会存在响应延迟的情况,相变材料在高温下也可能会因储能饱和失效,这进一步加剧潜在的安全隐患。
成本与集成化亦是关键瓶颈,液冷、热管等技术成本高昂,限制了在经济型车型的普及,电池包大型化与紧凑化趋势下,散热系统的模块化设计并不够完善,同时与多系统(如座舱空调、电机电控)热耦合协同不足,最终导致整体能效难以优化。
材料与工艺层面,碳化硅泡沫、石墨烯复合材料等高导热材料研发进展缓慢,量产工艺尚且不成熟,同时相变材料导热率低、热管流体阻力大等技术瓶颈亟待突破,这些因素同样限制了散热技术的全面升级。
三、发展趋势
展望未来,多领域交叉融合会是技术超越的关键渠道。材料科学、人工智能同先进制造紧密结合,可能产生变革性的方案。智能响应材料可做到动态温度控制,纳米加强材料能改进导热效率,机器学习有益于散热结构改良,3D打印技术则用来精准制造复杂流道。
智能传感和控制技术经过升级以后,会促使系统调控更为精准。比如,内置的无线传感器,可以随时监测电池内部的温度场和应力场,再配合模型预测控制以及分布式协同算法,达成热经营系统的动态回应。
模块化与集成化设计同样是必然趋势,标准化的散热模块可以快速设置并重复使用,电池包和热经营系统采用一体化设计能够减轻重量,缩减成本,利用电池废热给座舱供暖这样的余热回收协同策略,可以优化能源利用率。
新型散热技术包含仿生学散热结构,蜂巢式流道,固态电池技术可缩减产热源头,磁流体冷却,微通道液冷等处于前沿研究领域,这些技术会推动效率与可靠性界限的超越。
四、结论
新能源汽车电池散热技术对于汽车性能和安全行驶十分关键。当下,市面上的主流散热技术均具备某些优势,不过它们还是面临效率改进、成本控制以及系统融合等难题。要解决这些问题并促使新能源汽车产业可持续发展,未来应关注多学科交叉的更新技术、智能化控制系统的升级以及模块化散热设计的改良。经由这些方向,可以在效率,安全性和经济性改来善散热技术,进而给新能源汽车的长远发展给予稳固的技术支持。
(作者单位:大连交通大学电气工程学院)
一、发展现状
产业升级进程加速推动下,新能源汽车动力系统的热管理研究持续向纵深发展。当前主流动力电池类型各具特点:以市场占有率最高的锂离子电池为例,它具有较好的储能性能和相对持久的使用周期,但其运行环境温度需要严格维持在20℃-40℃。否则系统的热稳定性会显著下降,同时电池容量也会骤减。相较而言,铅酸电池在成本控制方面优势明显,但生产环节存在重金属污染防控难题；镍氢电池具备优异的环境适应性,却受制于功率密度瓶颈难以支撑高里程需求；燃料电池虽在能量转化率方面表现突出,但储氢系统稳定性与安全冗余设计仍需技术攻关。
为应对各类电池的热量管理挑战,工程界已发展出多维度温度调控方案,主要涉及强制风冷系统、液体循环冷却装置、相变储能材料、热导管技术以及气体对流散热方案等技术路径。
(1)风冷技术主要依靠自然或者强制的空气流动来达成散热目的,其结构较为简单,成本较低,但其效率容易受到环境温度与湿度的影响,大多应用于低功率场合。其中,串行通风设计适应于小容量电池组,而并行通风能够均匀分配气流,从而优化高发热量电池组的散热效果。
(2)液冷技术依赖冷却液循环高效转移热量,该技术散热均匀性优异,更加适应于高功率场景,但存在加工复杂、密封性要求高及泄漏风险等问题。
(3)相变材料冷却利用材料相变吸热实现被动温控,温度分布均匀,但受限于导热率低和储能容量有限,需通过添加金属粉末增强传热效率。
(4)热管冷却是基于蒸发-冷凝循环实现高效传热的一种冷却方式,兼具节能与可靠性,但体积大、成本高且环境适应性不足。
(5)对流散热虽传热效率高,却需依赖翅片等附加硬件设施,多应用于低端车型。
当下,散热技术正在由单一模式朝着复合化方向发展,液冷冷却与相变材料的散热技术的结合就是实例,同时借助拓扑改良算法,3D打印这些先进的技术手段来改良散热结构的效率,但技术融合还是面临很多挑战。
二、现存问题
当下,既有技术已有很大发展,但散热效率和环境适应能力之间的矛盾仍是核心难题,风冷在高温环境下性能会明显缩减,热管和相变材料受温度范围所限无法应对极端工况,液冷系统虽然高效但在低温环境中要添加加热模块,而且其复杂的流道设计会提升成本。
此外,锂离子电池在过充或高温环境条件下易发生热失控,近80%以上的新能源汽车自燃事故均由此引起。而现有预警技术如电化学阻抗谱可能会存在响应延迟的情况,相变材料在高温下也可能会因储能饱和失效,这进一步加剧潜在的安全隐患。
成本与集成化亦是关键瓶颈,液冷、热管等技术成本高昂,限制了在经济型车型的普及,电池包大型化与紧凑化趋势下,散热系统的模块化设计并不够完善,同时与多系统(如座舱空调、电机电控)热耦合协同不足,最终导致整体能效难以优化。
材料与工艺层面,碳化硅泡沫、石墨烯复合材料等高导热材料研发进展缓慢,量产工艺尚且不成熟,同时相变材料导热率低、热管流体阻力大等技术瓶颈亟待突破,这些因素同样限制了散热技术的全面升级。
三、发展趋势
展望未来,多领域交叉融合会是技术超越的关键渠道。材料科学、人工智能同先进制造紧密结合,可能产生变革性的方案。智能响应材料可做到动态温度控制,纳米加强材料能改进导热效率,机器学习有益于散热结构改良,3D打印技术则用来精准制造复杂流道。
智能传感和控制技术经过升级以后,会促使系统调控更为精准。比如,内置的无线传感器,可以随时监测电池内部的温度场和应力场,再配合模型预测控制以及分布式协同算法,达成热经营系统的动态回应。
模块化与集成化设计同样是必然趋势,标准化的散热模块可以快速设置并重复使用,电池包和热经营系统采用一体化设计能够减轻重量,缩减成本,利用电池废热给座舱供暖这样的余热回收协同策略,可以优化能源利用率。
新型散热技术包含仿生学散热结构,蜂巢式流道,固态电池技术可缩减产热源头,磁流体冷却,微通道液冷等处于前沿研究领域,这些技术会推动效率与可靠性界限的超越。
四、结论
新能源汽车电池散热技术对于汽车性能和安全行驶十分关键。当下,市面上的主流散热技术均具备某些优势,不过它们还是面临效率改进、成本控制以及系统融合等难题。要解决这些问题并促使新能源汽车产业可持续发展,未来应关注多学科交叉的更新技术、智能化控制系统的升级以及模块化散热设计的改良。经由这些方向,可以在效率,安全性和经济性改来善散热技术,进而给新能源汽车的长远发展给予稳固的技术支持。
(作者单位:大连交通大学电气工程学院)