摘 要：隨著新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)能耗和續(xù)航的要求不斷提高，作為動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的重要組成部分，動(dòng)力電池的熱管理越發(fā)重要。文章對(duì)電池冷卻技術(shù)進(jìn)行了簡要介紹，重點(diǎn)對(duì)直冷技術(shù)的特點(diǎn)、難點(diǎn)及改善路徑進(jìn)行了分析，并通過數(shù)值模擬方式對(duì)比了不同熱管理策略對(duì)直冷降溫性能和能耗的影響，為直冷系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。仿真表明，不同的直冷控制邊界直接影響到電池降溫性能及能耗，在一定范圍內(nèi)隨著冷板出口壓力的提高，電池降溫速率加快，但能耗未見明顯差異。

關(guān)鍵詞：新能源 熱管理 電池直冷 能耗

隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展、市場(chǎng)份額不斷攀升，汽車電動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)明顯，動(dòng)力電池也成為行業(yè)風(fēng)口，其發(fā)展受到越來越多的關(guān)注。動(dòng)力電池對(duì)溫度要求十分苛刻，鋰電池最適宜的工作溫度為15～40℃，溫度過低，電池活性降低、內(nèi)阻增大甚至出現(xiàn)析鋰，鋰枝晶刺穿隔膜會(huì)引發(fā)短路；溫度過高，電池副反應(yīng)加劇，產(chǎn)熱量急劇升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)起火、爆炸等安全事故[1]。

近年來，各種電池?zé)峁芾砑夹g(shù)飛速發(fā)展，冷卻方面，從早期的自然冷卻、風(fēng)冷，到目前應(yīng)用廣泛的液冷，熱管理技術(shù)日益成熟，隨著新能源汽車對(duì)能耗的要求越來越高，冷媒直冷技術(shù)以其低能耗、低成本、效率高的優(yōu)勢(shì)，逐漸受到行業(yè)關(guān)注。董玉燦等介紹了電池相變材料等冷卻方式的特點(diǎn)及散熱影響因素[1]。

基于GT-suite、Amesim、Flowmaster、Star-CCM等軟件的數(shù)值模擬是熱管理常用的快捷驗(yàn)證方式，本文主要對(duì)電池冷媒直冷技術(shù)進(jìn)行簡單介紹，并通過GT-suite數(shù)值模擬方式，對(duì)比不同熱管理策略下電池降溫效果及能耗差異。

1 電池冷卻技術(shù)方案介紹

電池冷卻技術(shù)方案有自然冷卻、風(fēng)冷、液冷、冷媒直冷、浸沒式冷卻等[2]。

冷媒直冷是制冷劑在電池冷板內(nèi)蒸發(fā)吸熱從而為電池冷卻。熱管理架構(gòu)上通常將電池冷板與空調(diào)蒸發(fā)器并聯(lián)，冷板前采用電子膨脹閥控制制冷劑流通。冷媒直冷相變潛熱大、冷卻效率高，應(yīng)用車型如比亞迪驅(qū)逐艦DMi等。

與液冷系統(tǒng)相比，冷媒直冷熱管理系統(tǒng)在系統(tǒng)成本、輕量化等方面都有較大的優(yōu)勢(shì)，但系統(tǒng)開發(fā)難度大，是未來熱管理系統(tǒng)開發(fā)的主要方向[3]。

相比于液冷，直冷具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）直冷兩相換熱，降溫速率快，用于電池冷卻的高壓能耗低于液冷；

（2）直冷系統(tǒng)安全性好，相比液冷泄漏后的風(fēng)險(xiǎn)低；

（3）系統(tǒng)零件數(shù)量少，不再需要水泵、膨脹水壺、chiller，同時(shí)管路更加簡潔，且制冷劑加注量相比液冷使用的防凍液重量大大減小，有利于整車輕量化，節(jié)能降本降能耗。

浸沒式電池冷卻是將電池直接浸泡于不導(dǎo)電的冷卻液中進(jìn)行冷卻，如氟化液、烴類化合物、脂類、硅油等。相比于間接式液冷，浸沒式冷卻具有結(jié)構(gòu)簡單、均溫性好等特點(diǎn)。浸沒式冷卻對(duì)電池包密封性要求高，需關(guān)注漏液及腐蝕問題[4]。

2 冷媒直冷熱管理技術(shù)特點(diǎn)分析

2.1 直冷熱管理技術(shù)特點(diǎn)

直冷是一種利用相變潛熱的換熱技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的液冷顯熱換熱，直冷熱管理具有如下特點(diǎn)：

（1）兩相區(qū)飽和溫度變化較小，冷板均溫性較好，并且相變過程的汽化潛熱其遠(yuǎn)大于單相的顯熱，因此兩相區(qū)具有良好的冷卻能力，但是制冷劑過熱以后換熱性能急劇下降，容易造成局部過熱；

（2）相變換熱過程中流體流態(tài)受換熱面熱流密度、流體干度、流體壓力等共同影響[5]。

2.2 直冷熱管理技術(shù)難點(diǎn)及改善路徑

電池包直冷熱管理是一種具有潛力的高效電池?fù)Q熱技術(shù)，但同時(shí)直冷熱管理技術(shù)存在以下難點(diǎn)：

2.2.1 雙蒸系統(tǒng)的流量分配

電池冷卻器即直冷板通常與HVAC中空調(diào)蒸發(fā)器并聯(lián)，空調(diào)和電池的工況負(fù)荷及控制邊界差異較大。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)處于雙蒸模式時(shí)，兩個(gè)蒸發(fā)器互相擾動(dòng)，系統(tǒng)控制難度大，不易實(shí)現(xiàn)雙路系統(tǒng)流量的合理分配[7]。軟件方面，ECM需要兼顧空調(diào)舒適性和電池?zé)峁芾硇阅艿囊螅刂撇呗约皹?biāo)定過程更加復(fù)雜。硬件方面，對(duì)制冷劑回路的流量控制精度及響應(yīng)速度提出了更高要求。

電池直冷回路的流量控制通常有兩種方式：（1）使用截止閥+熱力膨脹閥；（2）使用電子膨脹閥。

相比于傳統(tǒng)的熱力膨脹閥，電子膨脹閥控制精度高、響應(yīng)速度快，更適合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，電子膨脹閥可以設(shè)置更低的過熱度，減少過熱度振蕩，提高系統(tǒng)能效[6]。還可以避免因電磁閥動(dòng)作帶來的系統(tǒng)制冷劑的擾動(dòng)，從而引起空調(diào)出風(fēng)溫度的波動(dòng)[7]。

2.2.2 電池直冷板流量分配設(shè)計(jì)

電池的均溫性與冷板流道設(shè)計(jì)強(qiáng)相關(guān)。相比液冷，直冷板流道設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。直冷板設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)流道走向、入口型式、流道寬度等進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，并通過三維仿真對(duì)比不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的均溫性；根據(jù)冷板尺寸，必要時(shí)可采用兩個(gè)或多個(gè)電子膨脹閥，相比單個(gè)電子膨脹閥，多閥方案可有效提高冷板均溫性，但是會(huì)造成成本的增加。

2.2.3 蒸發(fā)過程的動(dòng)態(tài)控制

直冷采用兩相換熱，兩相區(qū)均溫性優(yōu)于液冷，但這一過程依靠冷媒氣液兩相流的流型與冷媒干度[8]。進(jìn)入過熱區(qū)后，此時(shí)制冷劑已完全汽化成過熱蒸氣，而單相的氣態(tài)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)低于氣液兩相換熱[9]，換熱能力下降，大幅提高了電池的最高溫度，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電芯之間溫差加大。蒸發(fā)過程的動(dòng)態(tài)控制需要合理設(shè)計(jì)膨脹閥的控制策略[9]。冷板出口過熱度目標(biāo)需合理。過熱度設(shè)置過高，冷板末段換熱不足。過熱度偏低則會(huì)加大壓縮機(jī)液擊風(fēng)險(xiǎn)[10]。對(duì)于熱泵系統(tǒng)，一般需要在壓縮機(jī)回氣前設(shè)置氣液分離裝置防止液擊。

2.2.4 耐壓與密封問題

制冷劑系統(tǒng)蒸發(fā)壓力可以達(dá)到3～5bar，至少是液冷系統(tǒng)的3倍，直冷系統(tǒng)對(duì)耐壓和密封的要求大大提高。

2.2.5 系統(tǒng)回油問題

電池直冷板并聯(lián)在制冷劑系統(tǒng)中，冷板面積越大、制冷劑流程越長，制冷劑流速越低，壓縮機(jī)回油越困難，容易引起壓縮機(jī)潤滑油缺油失效的問題[11]。提高制冷劑在管道中的流速、蒸發(fā)壓力有助于潤滑油回流[12]。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及匹配時(shí)，應(yīng)盡量避免管道直徑過大、流道過長、直角彎等導(dǎo)致的制冷劑流速損失。

3 直冷熱管理控制策略研究

3.1 仿真模型介紹

直冷的控制邊界如蒸發(fā)壓力、流量等直接影響到熱管理的性能及能耗。為了研究直冷蒸發(fā)壓力與電池降溫性能及能耗的關(guān)系，以某車型磷酸鐵鋰電池直冷熱管理系統(tǒng)為例，搭建GT-suite仿真模型。該模型包括動(dòng)力電池等效電路及換熱模型、空調(diào)模型，如圖1所示。

3.2 仿真工況

本次仿真使用的制冷劑為R134a，環(huán)境溫度38℃，濕度50%，制冷劑干度0.3。采用電池恒功率放電工況，直冷邊界定義如表2所示，三者邊界僅出口壓力不同，忽略冷板流阻，即對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力、溫度不同。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略較復(fù)雜，為了簡化模型，壓縮機(jī)根據(jù)電芯溫度做反饋，采取PID方式控制開關(guān)[13]。當(dāng)電芯溫度達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升至ncom，當(dāng)溫度達(dá)到冷卻關(guān)閉閾值時(shí)，關(guān)閉壓縮機(jī)。EXV開度根據(jù)直冷板出口壓力及過熱度采用PID控制。

3.3 不同蒸發(fā)壓力的電池冷卻性能及能耗仿真分析

電芯溫度變化如圖2所示。

由圖2可知，case1（3.5bar）電池降溫速率為0.93℃/min，case2（4.5bar）電池降溫速率為1.17℃/min，case3（5.2bar）電池降溫速率為1.31℃/min，case2、case3降溫速率比case1分別提升了25.8%、40.8%；由圖3可知制冷劑體積流量case1＜case2＜case3，即在該壓力范圍內(nèi)，蒸發(fā)壓力越高，降溫速率越快。蒸發(fā)壓力越高，電池與冷板的溫差越小，但是由于制冷劑流量的加大，降溫速率反而越快。

由圖4、圖5可知，壓縮機(jī)功率case1＜case2＜case3，壓縮機(jī)電耗case1=1.19kWh，case2=1.18kWh，case3=1.16kWh，三者相當(dāng)。蒸發(fā)壓力升高，壓縮機(jī)功率加大，但電池降溫速率快、壓縮機(jī)工作時(shí)間縮短，壓縮機(jī)總體能耗差異不大。由于仿真時(shí)對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略做了簡化處理，壓縮機(jī)工作狀態(tài)與實(shí)車表現(xiàn)存在差異，能耗表現(xiàn)僅作趨勢(shì)性參考。

4 結(jié)語

本文對(duì)電池冷媒直冷的特點(diǎn)及開發(fā)難點(diǎn)、改善路徑進(jìn)行了簡要介紹，并通過數(shù)值模擬的方法對(duì)某直冷電池包不同控制策略下的降溫性能及能耗進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)論如下：

（1）在閥前過冷度、直冷板出口過熱度等邊界一致的情況下，在一定范圍內(nèi)，提高蒸發(fā)壓力可以增加制冷劑流量，從而提高電芯降溫速率。

（2）蒸發(fā)壓力升高，壓縮機(jī)功率加大，但降溫速率快、工作時(shí)間縮短，壓縮機(jī)總體能耗差異不大。需要指出的是，由于仿真時(shí)對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略做了簡化處理，壓縮機(jī)工作狀態(tài)與實(shí)車表現(xiàn)可能存在差異。

（3）電池降溫效果與制冷劑流量、制冷劑與電芯的溫差有關(guān)，在一定范圍內(nèi)提高蒸發(fā)壓力可以增加制冷劑流量，但蒸發(fā)壓力過高會(huì)導(dǎo)致傳熱溫差減小，對(duì)換熱不利，推測(cè)直冷系統(tǒng)應(yīng)存在一個(gè)最優(yōu)的蒸發(fā)壓力使電池降溫效果最佳。

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