電動汽車雙蒸直冷系統(tǒng)設計研究

【摘要】針對電動汽車熱管理系統(tǒng)中電池高倍率充/放電情況下的電池過溫及溫度均勻性問題，設計了一種U型微通道結(jié)構(gòu)的冷媒直冷板，并制定了雙蒸直冷系統(tǒng)控制策略。通過AmeSim仿真平臺搭建了電池直冷及乘員艙降溫系統(tǒng)，并進行單蒸（僅電池）以及雙蒸（電池和乘員艙）系統(tǒng)的降溫性能試驗。結(jié)果表明：單、雙蒸系統(tǒng)中，控制冷板出口過熱度低于5 K即可滿足電池及乘員艙降溫性能要求，同時，雙蒸直冷系統(tǒng)控制策略提高了乘員艙的熱舒適性（電池冷卻開啟后，乘員艙溫度波動小于1 ℃），可為整車直冷系統(tǒng)設計提供參考依據(jù)。

主題詞：汽車熱管理 冷媒直冷 直冷板 單蒸系統(tǒng) 雙蒸系統(tǒng)

中圖分類號：U463.6；U469.7" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20231118

Design and Research of Double Steam Refrigerant Direct Cooling System

for Electric Vehicles

Zhou Jinlin1，2， Huang Wenjiao1，2， Wang Yi2， Zhao Zhichao2， He Jiajun2

（1. New Energy Technology of CAERI Co.， Ltd.， Chongqing 400071; 2. China Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Chongqing 401122）

【Abstract】In view of the problem of battery overtemperature and temperature uniformity in the case of high-rate charge/discharge of the battery in the thermal management system of electric vehicles， a U-shaped micro-channel structure of the refrigerant direct cooling plate is designed， and the control strategy of the double steam direct cooling system is developed. The battery direct cooling system and the cabin cooling system are built by Amesim simulation platform， and the cooling performance of single steam （only battery） and double steam system （battery and cabin） is verified. The simulation results show that： In the single and double steaming system， the control of outlet superheat of the cold plate is less than 5 K， which can meet the cooling performance requirements of the battery and the cabin. At the meanwhile， the control strategy of the double steaming direct cooling system can also improve the thermal comfort of the cabin （the temperature fluctuation of the cabin is less than 1 ℃ when the battery cooling is opened）. It can provide reference for the design of vehicle direct cooling system.

Key words： Automotive thermal management， Refrigerant cooling， Refrigerant cooling plate， Single steaming system， Double steaming system

【引用格式】 周進林， 黃文姣， 王毅， 等. 電動汽車雙蒸直冷系統(tǒng)設計研究[J]. 汽車技術(shù)， 2024（12）： 45-53.

ZHOU J L， HUANG W J， WANG Y， et al. Design and Research of Double Steam Refrigerant Direct Cooling System for Electric Vehicles[J]. Automobile Technology， 2024（12）： 45-53.

1 前言

電動汽車整車熱管理技術(shù)影響著車輛的安全性和舒適性[1]。相較于液冷技術(shù)[2-3]，冷媒直冷技術(shù)能夠應對大功率充/放電場景，有效降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)換熱效率，在整車性能和續(xù)航里程中發(fā)揮重要作用。

目前，量產(chǎn)車型中電池直冷技術(shù)的應用相對較少，主要源于電池內(nèi)部溫差、流量分配以及壓縮機回油率等難以控制[4-5]。An等[6]提出了一種基于微通道沸騰流動的新型熱管理系統(tǒng)，有效降低了電池模塊最高溫度和表面最大溫差，但試驗僅分析了電池降溫系統(tǒng)，并未考慮乘員艙降溫對電池系統(tǒng)的影響。Fu等[7]分析了冷板中不同的微通道寬度和冷卻劑流速對熱失控傳播的影響，通過改變微通道結(jié)構(gòu)控制電芯溫度，但此方式僅適用于水冷冷卻。聶磊等[8]將蜂窩型單面吹脹鋁板作為電池冷板的新型冷媒，充分利用制冷劑在流道內(nèi)的高沸騰傳熱潛能，處理動力電池的熱負荷，系統(tǒng)能夠快速響應熱管理需求，從而實現(xiàn)快速降溫，但由于試驗通過加熱板模擬電池的發(fā)熱量，無法反映電芯實際生熱情況。

本文針對電池降溫需求，設計了U型微通道直冷板，為解決雙蒸系統(tǒng)流量分配不均問題，制定了雙蒸直冷系統(tǒng)的控制策略，最后，通過仿真驗證提出策略的合理性。

2 電動汽車電池直冷系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設計的電池直冷系統(tǒng)耦合乘員艙降溫系統(tǒng)如圖1所示，其中，截止閥與熱力膨脹閥控制乘員艙降溫，通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥（Electronic Expansion Valve，EEV）的開度控制電池包冷卻。本文系統(tǒng)的設計目標為：單、雙蒸系統(tǒng)降溫過程中，電池包最高溫度Tbatlt;48 ℃，電池包最大溫差ΔTbat≤6 ℃。

2.2 直冷板結(jié)構(gòu)

冷板結(jié)構(gòu)設計是直冷系統(tǒng)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)之一，流道的分布形式直接影響電芯溫度和冷板壓降。本文冷板采用U型微通道流道設計，如圖2所示，共4組進液口（紅色箭頭），4組出液口（藍色箭頭），且各組進/出液口均由3根U型微通道流道組成。

2.3 系統(tǒng)降溫控制策略

不同于水冷電池控制方式，直冷電池系統(tǒng)控制策略需嚴格控制電池出口過熱度（Superheat，SH），以保證電池包溫度均勻性（電池包內(nèi)部最大溫差不宜過高）。

為了提升駕乘體驗，當乘員艙溫度Tcab≥32 ℃且電池最高溫度Tbat≤50 ℃時，保持電池EEV最小開度，保證電池不升溫的同時，最大限度滿足乘員艙降溫需求；當乘員艙溫度Tcablt;32 ℃時，通過增大SH開度，提升壓縮機轉(zhuǎn)速，增加電池換熱量，從而滿足電池降溫需求。

因此，本文提出了雙蒸直冷系統(tǒng)降溫控制策略，如圖3所示，電芯溫度未達極限溫度50 ℃時，系統(tǒng)以乘員艙溫度為主要控制目標。乘員艙、電池包最高溫度對應的壓縮機轉(zhuǎn)速表分別如表1和表2所示。

2.4 單體參數(shù)

整車空調(diào)的雙蒸系統(tǒng)包括壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器、電子膨脹閥、直冷電池包以及整車動力系統(tǒng)，主要單體參數(shù)如表3所示。

3 電池直冷系統(tǒng)仿真模型搭建

3.1 電池包模型搭建

3.1.1 冷板離散

由于冷板的離散結(jié)構(gòu)影響計算的精度和時間，所以需要考慮電池分布位置及計算設備等因素，合理設計離散電池冷板結(jié)構(gòu)。根據(jù)電池位置離散直冷板，接觸電池區(qū)域的離散尺寸為180 mm×40 mm，如圖4所示，冷板離散單元共計6×33=198個。

3.1.2 流道離散

鑒于冷媒與冷板間存在溫度差，所以同樣需要對冷板流道進行結(jié)構(gòu)離散。根據(jù)流道與電池位置離散24根冷媒流道，如圖5所示，每根流道離散為31個單元，流道離散單元共計744個。

3.1.3 電池包模型

為了模擬電芯與冷板的換熱過程，對冷板和電芯區(qū)域進行結(jié)構(gòu)離散，生成1 066個離散單元，其中電芯單元124個、冷板單元198個、流道單元744個。

使用AmeSim仿真軟件的等效電路模型搭建電芯產(chǎn)熱模型，其中，電芯開路電壓、內(nèi)阻與荷電狀態(tài)（State Of Charge，SOC）的關(guān)系如圖6所示。

電池包整體結(jié)構(gòu)為1 600 mm×900 mm×120 mm的長方體，沿水平中軸線完全對稱，且離散單元較多。為節(jié)約計算時間，本文僅搭建1/2電池包模型進行計算，如圖7所示。

3.2 單體模型校核

3.2.1 壓縮機模型

通過提供的壓縮機臺架數(shù)據(jù)，計算等熵效率：

[?is=h'exit-hinhexit-hin] （1）

式中：hin、hexit分別為壓縮機的進口焓和出口焓，[h'exit]為出口等熵焓。

容積效率為：

[?V=mVHnρ] （2）

式中：m為制冷劑質(zhì)量流量，ρ為壓縮機入口密度，n為壓縮機轉(zhuǎn)速，VH為壓縮機排量。

機械效率為：

[?e=Δh×mU×I] （3）

式中：[Δh]為壓縮機出口與入口焓差，U為壓縮機輸入電壓，I為壓縮機輸入電流。

搭建開口系統(tǒng)模型，校核壓縮機流量準確度，結(jié)果如表4所示。不同壓縮比的流量校核結(jié)果如圖8所示，誤差均在0.2%以內(nèi)，滿足仿真要求。

3.2.2 冷凝器模型

通過仿真軟件對冷凝器換熱參數(shù)進行標定，標定后的壓降及換熱量誤差在5%以內(nèi)。復制換熱參數(shù)，搭建冷凝器開口模型，校核冷凝器制冷劑側(cè)換熱量，結(jié)果如圖9所示，誤差均在3%以內(nèi)，滿足仿真要求。

3.2.3 蒸發(fā)器模型

通過仿真軟件對蒸發(fā)器換熱參數(shù)進行標定，標定后的壓降及換熱量誤差均需低于5%。復制換熱參數(shù)，搭建蒸發(fā)器開口模型進行校核，校核蒸發(fā)器制冷劑側(cè)換熱量，結(jié)果如圖10所示，誤差值均在5%以內(nèi)，滿足仿真要求。

3.3 單蒸直冷電池系統(tǒng)模型搭建

為研究僅電池回路冷卻時單蒸直冷系統(tǒng)的工作特性，本文搭建了電池直冷系統(tǒng)的仿真模型，如圖11所示。系統(tǒng)包含壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥及1/2電池包（冷板+電芯）模型。其中，壓縮機以定轉(zhuǎn)速控制，冷凝器的進風溫度、進風量、壓力及濕度為定值輸入，EEV開度通過冷板出口過熱度PID調(diào)節(jié)，電池系統(tǒng)以恒定1 C放電運行，系統(tǒng)運行環(huán)境溫度、電芯起始溫度以及冷凝器進風溫度均為40 ℃。

3.4 單蒸直冷電池降溫系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

為獲得不同邊界條件下電池包降溫數(shù)據(jù)，冷板出口過熱度分為0.5 K、5 K、10 K，進行1 C放電仿真分析。壓縮機轉(zhuǎn)速Rcom=1 500 r/min，初始SOC=100%，仿真結(jié)束條件為SOC=0%，電池包內(nèi)各電芯的降溫曲線如圖12所示。

由圖12可知，壓縮機轉(zhuǎn)速相同，不同冷板出口過熱度條件下，電芯的降溫曲線均呈“V”字型。這是因為當電池SOClt;40%，電池內(nèi)阻逐漸增大（見圖6），導致電池的發(fā)熱量增加，但此時制冷劑的制冷能力較強，可進一步降低電芯溫度。當電池SOC降低至22%，電芯溫度最低，隨著SOC降低，內(nèi)阻逐漸增大，此時，制冷劑的效果已趨于平穩(wěn)，無法使電芯降溫，因而呈現(xiàn)溫度升高趨勢。

不同冷板出口過熱度條件下，電芯的降溫過程存在較大差異。由于電池的產(chǎn)熱量一定，控制的過熱度越大，系統(tǒng)的冷媒流量越小，冷媒在冷板中完全蒸發(fā)的時間越長。所以單位質(zhì)量冷媒與冷板的接觸面積增加，則出口冷媒溫度上升（進口冷媒溫度相同），電池包溫度均勻性降低。隨著冷板出口過熱度增加，電芯的最高溫度也增加，電芯間的溫差增大。因此，合理設計流道結(jié)構(gòu)及控制冷板出口過熱度是控制電芯溫度及溫差的有效途徑。

在系統(tǒng)降溫的過程中，通過電池包最高溫度可判斷系統(tǒng)是否存在超溫風險。在相同壓縮機轉(zhuǎn)速、不同冷板出口過熱度情況下，電池放電結(jié)束時，電池包的溫度分布如圖13所示。隨著冷板出口過熱度的增加，電池包的最低溫度區(qū)域逐漸向右側(cè)轉(zhuǎn)移，電池包最高溫度區(qū)域逐漸向左側(cè)轉(zhuǎn)移。

為研究不同轉(zhuǎn)速、過熱度對電池降溫系統(tǒng)的影響，本文進行了15組1 C放電對照試驗，壓縮機轉(zhuǎn)速分別為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、

3 000 r/min，過熱度分別為0.5 K、5 K、10 K，試驗結(jié)果如圖14所示。

由圖14a可知，壓縮機轉(zhuǎn)速相同，冷板出口過熱度越大，電池包最高溫度越高。當Rcom=1 000 r/min、SH=0.5 K時，放電結(jié)束后電池包最高溫度可達33.4 ℃，此時，轉(zhuǎn)速不能滿足電池的降溫要求；當Rcom=1 500 r/min、SH=10 K時，放電結(jié)束后電池包最高溫度為26.8 ℃，此時，壓縮機轉(zhuǎn)速可滿足電池降溫要求。因此，在單蒸直冷電池系統(tǒng)1 C放電過程中，為滿足電池降溫需求，壓縮機最低轉(zhuǎn)速需不低于1 500 r/min。

冷板出口過熱度相同，壓縮機轉(zhuǎn)速越高，電池包最高溫度越低，但壓縮機轉(zhuǎn)速超過3 000 r/min時，電池包的最高溫度低于15 ℃，而電池的最佳工作溫度為20～30 ℃，因此，壓縮機轉(zhuǎn)速過高易導致電池包過度冷卻，甚至產(chǎn)生冷凝水的風險。

圖14b可知，壓縮機轉(zhuǎn)速相同，冷板出口過熱度越大，電池包最大溫差也越大。當Rcom≥1 500 r/min時，電池包的最大溫差ΔTbat≤7 ℃。由于設計目標為ΔTbat≤6 ℃，因此，當1 500 r/min≤Rcom≤2 500 r/min時，需控制冷板出口過熱度，SH≤5 K時可滿足設計要求。

圖14c可知：壓縮機轉(zhuǎn)速相同時，冷板出口過熱度越大，系統(tǒng)冷媒流量越小，電池包的換熱量越小；冷板出口過熱度相同時，壓縮機轉(zhuǎn)速越高，低壓壓力越低（蒸發(fā)溫度越低），系統(tǒng)冷媒流量越大，因而電池包的換熱量越大。

4 雙蒸系統(tǒng)模型搭建

4.1 系統(tǒng)框架

為驗證雙蒸直冷系統(tǒng)的有效性，本文搭建了含有熱力膨脹閥的乘員艙降溫系統(tǒng)和整車動力系統(tǒng)，并耦合搭建的電池直冷系統(tǒng)，在世界輕型車輛測試循環(huán)（World Light Vehicle Test Cycle，WLTC）工況和高速工況下進行仿真分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖15所示。

系統(tǒng)包含壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥、1/2電池包（冷板+電芯）、蒸發(fā)器、熱力膨脹閥、乘員艙、動力系統(tǒng)以及策略控制系統(tǒng)模型。為了模擬實車電池包放電過程，系統(tǒng)增加了1/2電池包模型，以滿足整車高壓需求。其中，根據(jù)系統(tǒng)降溫控制策略，壓縮機調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，電子膨脹閥調(diào)節(jié)孔徑，冷凝器進風溫度、濕度、壓力及進風量以固定值輸入，電池系統(tǒng)跟隨車輛功率需求放電運行。環(huán)境溫度、電芯起始溫度均為40 ℃，乘員艙起始溫度為60 ℃。

4.2 仿真試驗

4.2.1 WLTC工況

因直冷板的離散點較多，為節(jié)約系統(tǒng)計算時間，WLTC工況系統(tǒng)運行6 000 s后停止，系統(tǒng)主要參數(shù)變化情況如圖16所示。

根據(jù)系統(tǒng)降溫控制策略，將乘員艙的目標溫度設定為24 ℃。由圖16可知：當Tcabgt;32 ℃時，電池EEV開度為20%，Tbat未升高；當Tcablt;32 ℃時，通過冷板出口過熱度（SH=0.5 K）采用PID控制電池EEV開度。當Tbat首次低于30 ℃時，EEV開度為0，電池降溫持續(xù)348 s；當Tbat再次升高至38 ℃時，電池EEV再次開啟為電池包降溫，降溫時長為228 s。EEV開啟后，乘員艙溫度受電池冷卻分流影響，存在±1 ℃的小幅度波動，滿足乘員艙熱舒適性要求。

在WLTC工況下，雙蒸系統(tǒng)降溫過程中，分析冷板出口過熱度對電池包的影響，結(jié)果如圖17所示。

當SH=10 K時，ΔTbat超過目標溫差（6 ℃）；當SH=0.5 K或SH=5 K時，ΔTbat低于目標溫差，滿足設計要求。因此，在實車過熱度控制過程中，冷板出口過熱度應控制在5 K以內(nèi)，同時應考慮在無氣液分離器情況下，壓縮機吸氣過熱度需控制在3 K以上。

4.2.2 高速工況

在車速為140 km/h的高速工況下，因放電電流較大，仿真結(jié)束條件設置為SOC=0%，系統(tǒng)主要參數(shù)變化如圖18所示。

根據(jù)系統(tǒng)降溫控制策略，將乘員艙的目標溫度設定為24 ℃。由圖18可知：當Tcabgt;32 ℃時，電池EEV開度為20%，Tbat逐漸升高至42 ℃；當Tcablt;32 ℃時，基于冷板出口過熱度（SH=0.5 K）采用PID控制電池EEV開度，Tbat逐漸降低。當Tbat首次低于30 ℃時，EEV開度為0，電池降溫持續(xù)513 s；當Tbat再次升高至38 ℃時，電池EEV再次開啟給電池包降溫，降溫時長為349 s；EEV開啟后，乘員艙溫度受電池冷卻分流影響，存在±1 ℃的小幅度波動，滿足乘員艙熱舒適性要求。

在高速工況下，雙蒸系統(tǒng)降溫過程中，分析冷板出口過熱度對電池包最大溫差的影響，結(jié)果如圖19所示。與WLTC工況相同，高速工況下冷板出口過熱度應控制在5 K以內(nèi)，以滿足整車設計要求。

5 結(jié)束語

本文設計了一種U型微通道流道結(jié)構(gòu)的直冷板，并提出雙蒸系統(tǒng)該控制策略。通過控制冷板出口過熱度，解決了乘員艙溫度分流引起波動問題，為實現(xiàn)電池溫度協(xié)同控制、提高駕乘舒適性提供了新思路。

參 考 文 獻

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（責任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2024年5月20日。