電池直冷熱管理技術及控制策略研究

摘 要：隨著新能源汽車行業的蓬勃發展，市場對能耗和續航的要求不斷提高，作為動力電池管理系統的重要組成部分，動力電池的熱管理越發重要。文章對電池冷卻技術進行了簡要介紹，重點對直冷技術的特點、難點及改善路徑進行了分析，并通過數值模擬方式對比了不同熱管理策略對直冷降溫性能和能耗的影響，為直冷系統的應用提供參考。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展、市場份額不斷攀升，汽車電動化發展趨勢明顯，動力電池也成為行業風口，其發展受到越來越多的關注。動力電池對溫度要求十分苛刻，鋰電池最適宜的工作溫度為15～40℃，溫度過低，電池活性降低、內阻增大甚至出現析鋰，鋰枝晶刺穿隔膜會引發短路；溫度過高，電池副反應加劇，產熱量急劇升高，嚴重時會引發起火、爆炸等安全事故[1]。

近年來，各種電池熱管理技術飛速發展，冷卻方面，從早期的自然冷卻、風冷，到目前應用廣泛的液冷，熱管理技術日益成熟，隨著新能源汽車對能耗的要求越來越高，冷媒直冷技術以其低能耗、低成本、效率高的優勢，逐漸受到行業關注。董玉燦等介紹了電池相變材料等冷卻方式的特點及散熱影響因素[1]。

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

1 電池冷卻技術方案介紹

電池冷卻技術方案有自然冷卻、風冷、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蒸發吸熱從而為電池冷卻。熱管理架構上通常將電池冷板與空調蒸發器并聯，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，應用車型如比亞迪驅逐艦DMi等。

與液冷系統相比，冷媒直冷熱管理系統在系統成本、輕量化等方面都有較大的優勢，但系統開發難度大，是未來熱管理系統開發的主要方向[3]。

相比于液冷，直冷具有以下優勢：

（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）直冷系統安全性好，相比液冷泄漏后的風險低；

（3）系統零件數量少，不再需要水泵、膨脹水壺、chiller，同時管路更加簡潔，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，節能降本降能耗。

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

2 冷媒直冷熱管理技術特點分析

2.1 直冷熱管理技術特點

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

（1）兩相區飽和溫度變化較小，冷板均溫性較好，并且相變過程的汽化潛熱其遠大于單相的顯熱，因此兩相區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 直冷熱管理技術難點及改善路徑

電池包直冷熱管理是一種具有潛力的高效電池換熱技術，但同時直冷熱管理技術存在以下難點：

2.2.1 雙蒸系統的流量分配

電池冷卻器即直冷板通常與HVAC中空調蒸發器并聯，空調和電池的工況負荷及控制邊界差異較大。當空調系統處于雙蒸模式時，兩個蒸發器互相擾動，系統控制難度大，不易實現雙路系統流量的合理分配[7]。軟件方面，ECM需要兼顧空調舒適性和電池熱管理性能的要求，控制策略及標定過程更加復雜。硬件方面，對制冷劑回路的流量控制精度及響應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。

相比于傳統的熱力膨脹閥，電子膨脹閥控制精度高、響應速度快，更適合電池熱管理系統，電子膨脹閥可以設置更低的過熱度，減少過熱度振蕩，提高系統能效[6]。還可以避免因電磁閥動作帶來的系統制冷劑的擾動，從而引起空調出風溫度的波動[7]。

2.2.2 電池直冷板流量分配設計

電池的均溫性與冷板流道設計強相關。相比液冷，直冷板流道設計更為復雜。直冷板設計時需對流道走向、入口型式、流道寬度等進行設計校核，并通過三維仿真對比不同結構設計的均溫性；根據冷板尺寸，必要時可采用兩個或多個電子膨脹閥，相比單個電子膨脹閥，多閥方案可有效提高冷板均溫性，但是會造成成本的增加。

2.2.3 蒸發過程的動態控制

直冷采用兩相換熱，兩相區均溫性優于液冷，但這一過程依靠冷媒氣液兩相流的流型與冷媒干度[8]。進入過熱區后，此時制冷劑已完全汽化成過熱蒸氣，而單相的氣態表面傳熱系數遠低于氣液兩相換熱[9]，換熱能力下降，大幅提高了電池的最高溫度，同時也會導致電芯之間溫差加大。蒸發過程的動態控制需要合理設計膨脹閥的控制策略[9]。冷板出口過熱度目標需合理。過熱度設置過高，冷板末段換熱不足。過熱度偏低則會加大壓縮機液擊風險[10]。對于熱泵系統，一般需要在壓縮機回氣前設置氣液分離裝置防止液擊。

2.2.4 耐壓與密封問題

制冷劑系統蒸發壓力可以達到3～5bar，至少是液冷系統的3倍，直冷系統對耐壓和密封的要求大大提高。

2.2.5 系統回油問題

電池直冷板并聯在制冷劑系統中，冷板面積越大、制冷劑流程越長，制冷劑流速越低，壓縮機回油越困難，容易引起壓縮機潤滑油缺油失效的問題[11]。提高制冷劑在管道中的流速、蒸發壓力有助于潤滑油回流[12]。在系統硬件設計及匹配時，應盡量避免管道直徑過大、流道過長、直角彎等導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。為了研究直冷蒸發壓力與電池降溫性能及能耗的關系，以某車型磷酸鐵鋰電池直冷熱管理系統為例，搭建GT-suite仿真模型。該模型包括動力電池等效電路及換熱模型、空調模型，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，即對應的蒸發壓力、溫度不同。壓縮機轉速控制策略較復雜，為了簡化模型，壓縮機根據電芯溫度做反饋，采取PID方式控制開關[13]。當電芯溫度達到設定閾值時，壓縮機轉速升至ncom，當溫度達到冷卻關閉閾值時，關閉壓縮機。EXV開度根據直冷板出口壓力及過熱度采用PID控制。

3.3 不同蒸發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，蒸發壓力越高，降溫速率越快。蒸發壓力越高，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，壓縮機功率case1＜case2＜case3，壓縮機電耗case1=1.19kWh，case2=1.18kWh，case3=1.16kWh，三者相當。蒸發壓力升高，壓縮機功率加大，但電池降溫速率快、壓縮機工作時間縮短，壓縮機總體能耗差異不大。由于仿真時對壓縮機轉速控制策略做了簡化處理，壓縮機工作狀態與實車表現存在差異，能耗表現僅作趨勢性參考。

4 結語

本文對電池冷媒直冷的特點及開發難點、改善路徑進行了簡要介紹，并通過數值模擬的方法對某直冷電池包不同控制策略下的降溫性能及能耗進行了對比分析，結論如下：

（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，提高蒸發壓力可以增加制冷劑流量，從而提高電芯降溫速率。

（2）蒸發壓力升高，壓縮機功率加大，但降溫速率快、工作時間縮短，壓縮機總體能耗差異不大。需要指出的是，由于仿真時對壓縮機轉速控制策略做了簡化處理，壓縮機工作狀態與實車表現可能存在差異。

（3）電池降溫效果與制冷劑流量、制冷劑與電芯的溫差有關，在一定范圍內提高蒸發壓力可以增加制冷劑流量，但蒸發壓力過高會導致傳熱溫差減小，對換熱不利，推測直冷系統應存在一個最優的蒸發壓力使電池降溫效果最佳。

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