降壓裝置對電動車動力電池制冷劑直接冷卻系統的影響

張榮榮 鄒江 孫祥立 陳娟 郭瑤 任濱

(浙江三花汽車零部件有限公司 杭州 310018)

電動汽車動力電池在使用過程中放出大量熱量，導致電池升溫，這不僅消耗電池能量，而且對電池壽命和使用安全產生嚴重影響[1－3]。因此動力電池冷卻技術是電動汽車開發的關鍵技術之一[4]。

動力電池冷卻方式可分為主動冷卻和被動冷卻[5－6]。被動冷卻是依靠汽車自身的行進速度產生自然對流，利用流動空氣對電池冷卻。被動冷卻具有設備簡單、成本低等優勢，但冷卻效率低，電池容易過熱導致安全事故。主動冷卻是通過設計專門的冷卻系統，對電池進行冷卻[6－7]。主動冷卻比被動冷卻具有更高的換熱效率，大致可分為三種方式:1)強制空氣冷卻[8]，通過風機將蒸發器冷卻后的冷風送至電池電芯進行強制冷卻；2)冷卻液間接冷卻[9－11]，利用并聯到空調蒸發器的電池冷卻器(板式換熱器)對冷卻液進行冷卻，再通過電子水泵將冷卻液輸送到電池冷卻板后對電芯冷卻；3)制冷劑直接冷卻[12－15](以下簡稱制冷劑直冷)，將電池冷卻板直接與空調蒸發器并聯，利用空調系統制冷劑對電池直接冷卻。

電池主動冷卻三種方式各有優缺點。在電動汽車發展初期，電池容量小，熱管理系統相對簡單，一般采用自然冷卻或者強制風冷。但是高溫環境或電池高負荷運行工況下，強制風冷對電池的冷卻效果不佳，且電池的均溫性較差。隨著電動汽車可行駛里程的增加，電池容量不斷增加，電池的可靠性要求不斷提高，冷卻液冷卻方式和制冷劑直接冷卻方式逐漸成為主要的電池冷卻方式[16－18]。

冷卻液冷卻方式比熱容大、傳熱系數高，滿足不同季節對電池冷卻或加熱的需求，且滿足多個冷卻部件同時冷卻，但系統結構復雜，零部件和連接管路過多，存在冷卻液泄漏導致系統短路的風險。制冷劑直接冷卻技術在簡化系統后還可實現更高的換熱效率，且安全性高，制冷劑直接冷卻電池優勢如下:

1)成本低。由于電池冷卻回路中沒有冷卻液，系統中不需要水泵、電池冷卻器、水閥和制冷劑管路等設備，大大降低系統成本；

2)冷卻效率高。相比于冷卻液冷卻，制冷劑直接冷卻去除了中間冷卻液，避免了二次傳熱造成的熱損失，且制冷劑在氣液相變過程中可以吸收更多的熱量，具有更好的冷卻效果；

3)冷卻溫度均勻。由于制冷劑在冷卻板內的換熱是兩相換熱，溫度和壓力相關，在有效控制冷卻板沿程壓降和過熱度的情況下，制冷劑直接冷卻可以更好控制電池冷卻板的表面溫度；

4)重量輕。沒有了電池冷卻器、水閥、水泵和管路的重量，由于制冷劑處于兩相傳熱過程，相比于冷卻液冷卻，冷卻板的重量和制冷劑的重量可以大大減輕；

5)安全性高。制冷劑是電絕緣流體，若系統出現泄漏，將立即以氣態蒸發，而冷卻液泄漏可能會造成電池短路。因此相比于冷卻液，制冷劑具備更高的安全性。

同時，制冷劑直接冷卻也存在一些技術難點:

1)電池冷卻溫度過低[19]。由于制冷劑直接冷卻板與空調蒸發器并聯，出口同時接入壓縮機吸氣端。蒸發器的蒸發溫度遠低于電池冷卻需要的冷卻溫度，造成電池的過冷卻。同時，由于冷卻板溫度過低，有可能造成電池包內空氣凝露，產生凝結水，造成電池短路。

2)電池均溫性差[20]。盡管兩相傳熱有著均溫換熱的優點，但由于制冷劑直接冷卻板內存在壓降和過熱度，造成電池冷卻板的溫度不均勻，因而影響電池包內的溫度均勻性。同時，在系統運行過程中，由于直接冷卻板與蒸發器并聯，在負荷變化過程中，制冷劑在蒸發器和冷卻板之間的分配不合理，造成電池包內溫度不均勻。

為解決上述兩個技術問題，需要從系統的角度對制冷劑直冷系統和制冷劑的流量進行有效控制，達到理想的動力電池冷卻效果。

1 制冷劑直冷系統測試

本文為解決電池制冷劑直接冷卻蒸發溫度過低和電池均溫性問題，搭建了一套模擬電池直冷系統實驗平臺，并對動力電池直冷系統模型進行優化。

1.1 制冷劑直冷系統設計方案

圖1所示為制冷劑直接冷卻時蒸發器和直冷板的lgp-h圖。其中，虛線為常規制冷劑直接冷卻時直冷板對應的蒸發過程，點劃線為優化系統冷卻時直冷板對應的蒸發過程。由圖可知，優化后的直冷系統可改善直冷板的蒸發溫度和出口過熱度，且不改變蒸發器的蒸發過程。

圖1 制冷劑直接冷卻系統的循環lg p-h 圖Fig.1 Lg p-h chart of refrigerant direct cooling system

為實現上述優化，本研究在直冷板進口和出口分別接入了可主動調節輸入直冷板制冷劑流量的電子膨脹閥和降壓裝置，并與蒸發器并聯，對直冷板出口制冷劑進行二次節流，以實現直冷板蒸發溫度的控制，優化模型如圖2所示。直冷板出口的降壓裝置可以為固定開度或可變開度，通過在直冷板后分別接入固定節流孔和具備調節能力的電子膨脹閥來配合入口電子膨脹閥的調節，以分析其對直冷板溫度的調節能力。

圖2 動力電池直冷系統優化模型Fig.2 Optimized power battery direct cooling model

1.2 制冷劑直冷系統實驗方案

圖3所示為實驗系統原理，該實驗抽取電池一個模組進行冷卻模擬。實驗系統由壓縮機、冷凝器、質量流量計、輔助蒸發系統裝置和電池直冷系統裝置組成。輔助蒸發系統包括質量流量計1、電子膨脹閥EXV1、蒸發器；電池直冷系統裝置與輔助蒸發裝置并聯，由質量流量計2、電子膨脹閥EXV2、直冷板、電加熱膜、降壓裝置(壓力調節閥EXV3 或固定節流孔)組成。EXV2 作為可主動調節輸入直冷板制冷劑流量的電子膨脹閥安裝于直冷板前，降壓裝置安裝于直冷板后。實驗臺架如圖4(a)所示，直冷板直接與加熱膜接觸，利用制冷劑對加熱膜進行直接冷卻。在加熱膜表面布置了溫度傳感器，傳感器分布如圖4(b)所示。為便于控制和測量，直冷系統中的電池用電加熱膜模擬，即通過穩壓源來調節電加熱膜的功率模擬電池的發熱。

圖3 系統原理Fig.3 System principle

圖4 實驗裝置Fig.4 Test equipment

本實驗重點研究直冷板后降壓裝置對直冷板出口壓力的調節作用，以及對直冷板均溫性的改善效果。輔助蒸發系統穩定運行后，壓縮機吸氣壓力穩定為0.35 MPa。調節穩壓源，設定不同的電加熱膜熱負荷工況，當電加熱膜溫度超過38 ℃時，打開電池側直冷系統，通過調節電子膨脹閥EXV2 和降壓裝置開度使降壓裝置出口過熱度達到預定目標值5 K。分析不同工況下直冷板出口壓力以及直冷板出口的過熱度變化趨勢，以表明在直冷板后接入降壓裝置的控制方案的可行性。

實驗主要測量參數為過熱度和壓力，過熱度包括蒸發器出口過熱度、直冷板出口過熱度、降壓裝置出口過熱度，壓力包括直冷板出口壓力、壓縮機進出口壓力、降壓裝置出口壓力。其中溫度傳感器測試精度為± 0.5 ℃，壓力傳感器的測試精度為2.5 級。電子膨脹閥EXV2 和壓力調節閥EXV3 全開步數為576步，實驗工質為R134a。

2 實驗結果分析

實驗過程通過調節直冷板前后的電子膨脹閥和降壓裝置來控制直冷板的蒸發溫度，并改善直冷板的均溫性。

2.1 固定開度降壓裝置的系統性能

固定開度的直冷板出口降壓裝置可以是固定開度的壓力調節閥或者是固定節流孔裝置。本實驗采用固定開度的壓力調節閥EXV3 和固定節流孔裝置兩種方案，對制冷劑直冷系統性能進行研究。在固定開度壓力調節閥試驗中，壓力調節閥開度保持在31.3%。調節電加熱膜功率為500 W、600 W、700 W、800 W。通過PID 控制方式調節EXV2 以調整降壓裝置出口過熱度為5 K。其中EXV2 口徑為1.0 mm，壓力調節閥口徑為2.5 mm。圖5所示為直冷板制冷劑流量、直冷板系統焓差隨電加熱膜熱負荷的變化趨勢，以及電子膨脹閥EXV2 開度對制冷劑流量和直冷板出口壓力的影響。直冷板系統焓差為壓力調節閥出口焓值與電子膨脹閥EXV2 出口焓值之差。

隨著電加熱膜熱負荷的增加，為保證直冷板出口過熱度在合適范圍內，通過調節電子膨脹閥EXV2 的開度來增加直冷板的制冷劑流量，以滿足系統換熱量要求。而系統焓差主要由降壓裝置出口和冷凝器出口狀態參數決定，在不同電加熱膜熱負荷下最大波動不超過3 kJ/kg，因此換熱量的增加主要受制冷劑流量變化影響。由圖5(a)可知，制冷劑流量隨熱負荷的增加而增加，系統焓差隨熱負荷增加而有所減少。由圖5(b)可知，增加電子膨脹閥EXV2 開度會直接影響直冷板出口壓力，直冷板內壓力隨著電子膨脹閥EXV2 開度的增加而增加。由于直冷板內是兩相換熱過程，直冷板蒸發溫度隨著冷板出口壓力的增加而升高，蒸發溫度的改變會直接影響電池溫度。

圖5 制冷劑流量、系統焓差隨熱負荷的變化以及EXV2 對不同熱負荷下直冷板出口壓力的影響Fig.5 The change of refrigerant flow rate，system enthalpy difference with heating load and the influence of EXV2 on the direct cooling plate outlet pressure under different thermal loads

在電池熱管理系統中，電池溫度需要控制在合適的范圍內(一般為20～30 ℃之間[21])，以保證汽車的安全行駛。圖6所示為固定開度的節流閥和固定節流孔實驗中直冷板表面溫度和直冷板內壓力隨加熱膜熱負荷的變化。其中，Tavg為電加熱膜監測點平均溫度；Pout為直冷板出口壓力；La＆Db為長度amm，內徑bmm 的固定節流孔；V31.3%表示使用固定開度為31.3%的壓力調節閥。由圖可知，直冷板出口壓力隨著電加熱膜熱負荷增加而增加，直冷板蒸發溫度也隨之增加，導致電加熱膜平均溫度在700 W 時已達到40 ℃。因此，直冷板后使用固定開度的降壓裝置對電加熱膜溫度(即直冷板表面溫度)的控制能力有限。

圖6 直冷板出口壓力和加熱膜監測點平均溫度隨著電加熱膜熱負荷的變化Fig.6 Direct cooling plate outlet pressure and electric heater surface temperature change according to electric heating load

表1所示為限制電加熱膜平均溫度小于40 ℃，直冷板蒸發溫度大于15 ℃時，使用固定開度的降壓裝置可控制的熱負荷范圍。使用固定開度的降壓裝置可以控制的熱負荷范圍較小，而電池在不同工況運行時的熱負荷變化范圍較大。從直冷板溫度控制的角度看，當負荷變化時，直冷板出口采用固定開度降壓裝置可以提高直冷板的蒸發溫度，但在熱負荷變化時不能很好地控制電池溫度。熱負荷過低時，直冷板蒸發溫度會低于15 ℃，導致電池過冷卻。熱負荷過高時，直冷板蒸發溫度偏高導致電池溫度高于40 ℃。電池溫度過低、過高均會影響電池的循環壽命。

表1 不同固定開度降壓裝置可控制的電加熱膜熱負荷范圍Tab.1 The range of electric heating load that can be controlled by different opening throttling devices

2.2 可調節降壓裝置開度的系統性能分析

實驗使用可調節開度的壓力調節閥EXV3 測試不同降壓裝置開度對系統性能的影響。設置壓力調節閥EXV3 開度為26.0%、29.5%、31.3%，通過穩壓源調節電加熱膜功率為400 W、500 W、600 W、700 W。該工況下，EXV2 和壓力調節閥的開度通過手動調節，系統穩態誤差較PID 控制偏大。其中EXV2 口徑為1.2 mm，壓力調節閥口徑為2.5 mm。圖7所示為不同壓力調節閥開度下，直冷板出口壓力、直冷板制冷劑流量和電子膨脹閥EXV2 開度隨加熱膜熱負荷的變化。結果表明，相同的壓力調節閥開度下，直冷板出口壓力、EXV2 開度和制冷劑流量均隨著電加熱膜熱負荷的增加而增加。在相同的電加熱膜熱負荷下，直冷板出口壓力隨著壓力調節閥開度的增加而減小，而直冷板內制冷劑流量幾乎不受壓力調節閥開度變化的影響，相同電加熱膜熱負荷下，流量最大偏差小于5%。其中，流量偏差＝相同熱負荷對應的流量最大值與流量最小值之差/流量最小值。EXV2 作為調節直冷板的制冷劑流量的主要裝置，開度也幾乎不受壓力調節閥的影響。

圖7 壓力調節閥不同開度對系統參數的影響Fig.7 System parameters changes with the pressure regulating valve opening

根據直冷板出口壓力隨壓力調節閥開度增加而減小這一特性，通過實驗測試不同熱負荷下壓力調節閥對直冷板出口壓力的調節能力。實驗中，調節電加熱膜功率為500 W、600 W、700 W、800 W，控制電加熱膜監測點最高溫度不超過45 ℃。通過PID 控制方式調節電子膨脹閥EXV2 和壓力調節閥的開度。其中EXV2 口徑為1.0 mm，壓力調節閥口徑為2.5 mm。直冷板出口壓力目標值為0.6 MPa。圖8所示為直冷板制冷劑流量、直冷板系統焓差、直冷板出口壓力、壓力調節閥開度和電子膨脹閥EXV2 開度隨電加熱膜熱負荷的變化趨勢。

圖8 不同熱負荷時系統性能的變化Fig.8 System parameters changes with different electric heating load

由圖8 可知，隨著電加熱膜熱負荷的增加，為了保證直冷板出口過熱度在合適的范圍內，通過增加電子膨脹閥EXV2 的開度來增加直冷板的制冷劑流量，以滿足系統換熱量要求。由圖5 分析可知，增加EXV2 開度會導致直冷板出口壓力增加。而由2.2節圖7 可知增加壓力調節閥開度可以減小直冷板出口壓力，且對直冷板制冷劑流量影響極小。利用EXV2 和壓力調節閥對直冷板出口壓力的調節特性，可以將直冷板出口壓力控制在一個穩定的目標值。如圖8(b)所示，EXV2 增加的同時，增大壓力調節閥的開度，可以將直冷板出口壓力控制在一個穩定的值0.6 MPa。從直冷板溫度控制的角度看，針對不同的電池負荷，通過直冷板后的可調節降壓裝置控制直冷板出口壓力，可以提高直冷板的蒸發溫度，將電池運行溫度控制在合適的范圍內。

2.3 直冷板后的降壓裝置對均溫性的影響

由上述分析可知直冷板后使用降壓裝置可以提高直冷板出口壓力，根據降壓裝置等焓節流的特性，恒定壓力調節閥出口壓力和過熱度為定值，直冷板出口過熱度隨著蒸發壓力的提高而減小，直至兩相區。如圖9所示，hv.out為壓力調節閥出口焓值。表2所示為壓力調節閥固定開度和調節開度時不同熱負荷工況對應的實驗結果。控制壓力調節閥出口壓力為0.35 MPa，過熱度為5 K，通過等焓節流理論計算直冷板出口過熱度。計算結果表明，直冷板出口過熱度隨著蒸發壓力的升高而減小，當直冷板出口壓力為0.6 MPa 時，直冷板出口制冷劑處于兩相狀態。

圖9 使用降壓裝置的制冷系統lg p-h 圖Fig.9 Lg p-h chart with throttling device out of direct cooling plate

由表2 可知，直冷板后使用降壓裝置不僅能提高直冷板出口壓力，還可以減小直冷板出口過熱度。因此減小因制冷劑過熱而產生的直冷板溫差，從而改善直冷板均溫性。隨著直冷板出口壓力的升高，直冷板出口過熱度越小，冷板均溫性越好。

表2 不同實驗工況下直冷板出口過熱度理論計算值Tab.2 Superheat calculation out of direct cooling plate under different test conditions

從電池熱管理角度分析，在保證電池運行溫度的前提下，利用直冷板后降壓裝置可以將直冷板出口過熱度控制在一個較小的范圍內，減小直冷板出口過熱度造成的換熱溫差，通過改善直冷板均溫性來改善電池的均溫性。

由數據可知，使用固定開度調節閥時，直冷板出口壓力隨著熱負荷增加而增加。而相較于固定開度的調節方式，可調節開度的壓力調節閥可以將直冷板出口壓力控制在一個目標值，在電池熱管理應用中可以更好的控制電池的運行溫度。

3 結論

本文對電動汽車電池制冷劑直冷系統方案進行了優化，設計了一套模擬電池制冷劑直冷的系統。通過實驗對制冷劑直冷系統的控制方式進行了研究，分析了在直冷板后增加一個降壓裝置后對直冷板溫度調節的可行性。得出如下結論:

1)在直冷板前和直冷板后分別接入可主動調節輸入直冷板制冷劑流量的電子膨脹閥和可調節開度的降壓裝置(固定節流孔裝置或可調節開度壓力調節閥)，可以改變直冷板的出口壓力，減小直冷板出口過熱度，從而提升電池冷卻的蒸發溫度，并改善直冷方式的均溫性。

2)在直冷板后使用固定開度降壓裝置時，冷板出口壓力會隨著熱負荷的動態變化而改變。熱負荷過低時，直冷板蒸發溫度會低于15 ℃，導致電池過冷卻。熱負荷過高時，直冷板蒸發溫度偏高導致電池溫度高于40 ℃。溫度過高過低均會影響電池的循環壽命。因而在熱負荷變化時，固定開度的降壓裝置方案不能控制電池的溫度在合適的范圍內。

3)在直冷板后使用可調節開度的降壓裝置時，可以實現控制直冷板蒸發壓力到設定的目標值，根據電池的需求對蒸發壓力進行調節，文中直冷板壓力目標值設定為0.6 MPa。

4)相較于直冷板后使用固定開度降壓裝置的調節方式，可調節開度降壓裝置的方案可以根據電池的運行熱負荷調整直冷板的蒸發壓力到合適的目標值，既能避免直冷板的蒸發溫度過低，又能改善均溫性，以取得較佳的電池冷卻效果。