电池直冷热管理技术及控制策略研究

摘 要：随着新能源汽车行业的蓬勃发展，市场对能耗和续航的要求不断提高，作为动力电池管理系统的重要组成部分，动力电池的热管理越发重要。文章对电池冷却技术进行了简要介绍，重点对直冷技术的特点、难点及改善路径进行了分析，并通过数值模拟方式对比了不同热管理策略对直冷降温性能和能耗的影响，为直冷系统的应用提供参考。仿真表明，不同的直冷控制边界直接影响到电池降温性能及能耗，在一定范围内随着冷板出口压力的提高，电池降温速率加快，但能耗未见明显差异。

关键词：新能源 热管理 电池直冷 能耗

随着新能源汽车的蓬勃发展、市场份额不断攀升，汽车电动化发展趋势明显，动力电池也成为行业风口，其发展受到越来越多的关注。动力电池对温度要求十分苛刻，锂电池最适宜的工作温度为15～40℃，温度过低，电池活性降低、内阻增大甚至出现析锂，锂枝晶刺穿隔膜会引发短路；温度过高，电池副反应加剧，产热量急剧升高，严重时会引发起火、爆炸等安全事故[1]。

近年来，各种电池热管理技术飞速发展，冷却方面，从早期的自然冷却、风冷，到目前应用广泛的液冷，热管理技术日益成熟，随着新能源汽车对能耗的要求越来越高，冷媒直冷技术以其低能耗、低成本、效率高的优势，逐渐受到行业关注。董玉灿等介绍了电池相变材料等冷却方式的特点及散热影响因素[1]。

基于GT-suite、Amesim、Flowmaster、Star-CCM等软件的数值模拟是热管理常用的快捷验证方式，本文主要对电池冷媒直冷技术进行简单介绍，并通过GT-suite数值模拟方式，对比不同热管理策略下电池降温效果及能耗差异。

1 电池冷却技术方案介绍

电池冷却技术方案有自然冷却、风冷、液冷、冷媒直冷、浸没式冷却等[2]。

冷媒直冷是制冷剂在电池冷板内蒸发吸热从而为电池冷却。热管理架构上通常将电池冷板与空调蒸发器并联，冷板前采用电子膨胀阀控制制冷剂流通。冷媒直冷相变潜热大、冷却效率高，应用车型如比亚迪驱逐舰DMi等。

与液冷系统相比，冷媒直冷热管理系统在系统成本、轻量化等方面都有较大的优势，但系统开发难度大，是未来热管理系统开发的主要方向[3]。

相比于液冷，直冷具有以下优势：

（1）直冷两相换热，降温速率快，用于电池冷却的高压能耗低于液冷；

（2）直冷系统安全性好，相比液冷泄漏后的风险低；

（3）系统零件数量少，不再需要水泵、膨胀水壶、chiller，同时管路更加简洁，且制冷剂加注量相比液冷使用的防冻液重量大大减小，有利于整车轻量化，节能降本降能耗。

浸没式电池冷却是将电池直接浸泡于不导电的冷却液中进行冷却，如氟化液、烃类化合物、脂类、硅油等。相比于间接式液冷，浸没式冷却具有结构简单、均温性好等特点。浸没式冷却对电池包密封性要求高，需关注漏液及腐蚀问题[4]。

2 冷媒直冷热管理技术特点分析

2.1 直冷热管理技术特点

直冷是一种利用相变潜热的换热技术，相对于传统的液冷显热换热，直冷热管理具有如下特点：

（1）两相区饱和温度变化较小，冷板均温性较好，并且相变过程的汽化潜热其远大于单相的显热，因此两相区具有良好的冷却能力，但是制冷剂过热以后换热性能急剧下降，容易造成局部过热；

（2）相变换热过程中流体流态受换热面热流密度、流体干度、流体压力等共同影响[5]。

2.2 直冷热管理技术难点及改善路径

电池包直冷热管理是一种具有潜力的高效电池换热技术，但同时直冷热管理技术存在以下难点：

2.2.1 双蒸系统的流量分配

电池冷却器即直冷板通常与HVAC中空调蒸发器并联，空调和电池的工况负荷及控制边界差异较大。当空调系统处于双蒸模式时，两个蒸发器互相扰动，系统控制难度大，不易实现双路系统流量的合理分配[7]。软件方面，ECM需要兼顾空调舒适性和电池热管理性能的要求，控制策略及标定过程更加复杂。硬件方面，对制冷剂回路的流量控制精度及响应速度提出了更高要求。

电池直冷回路的流量控制通常有两种方式：（1）使用截止阀+热力膨胀阀；（2）使用电子膨胀阀。

相比于传统的热力膨胀阀，电子膨胀阀控制精度高、响应速度快，更适合电池热管理系统，电子膨胀阀可以设置更低的过热度，减少过热度振荡，提高系统能效[6]。还可以避免因电磁阀动作带来的系统制冷剂的扰动，从而引起空调出风温度的波动[7]。

2.2.2 电池直冷板流量分配设计

电池的均温性与冷板流道设计强相关。相比液冷，直冷板流道设计更为复杂。直冷板设计时需对流道走向、入口型式、流道宽度等进行设计校核，并通过三维仿真对比不同结构设计的均温性；根据冷板尺寸，必要时可采用两个或多个电子膨胀阀，相比单个电子膨胀阀，多阀方案可有效提高冷板均温性，但是会造成成本的增加。

2.2.3 蒸发过程的动态控制

直冷采用两相换热，两相区均温性优于液冷，但这一过程依靠冷媒气液两相流的流型与冷媒干度[8]。进入过热区后，此时制冷剂已完全汽化成过热蒸气，而单相的气态表面传热系数远低于气液两相换热[9]，换热能力下降，大幅提高了电池的最高温度，同时也会导致电芯之间温差加大。蒸发过程的动态控制需要合理设计膨胀阀的控制策略[9]。冷板出口过热度目标需合理。过热度设置过高，冷板末段换热不足。过热度偏低则会加大压缩机液击风险[10]。对于热泵系统，一般需要在压缩机回气前设置气液分离装置防止液击。

2.2.4 耐压与密封问题

制冷剂系统蒸发压力可以达到3～5bar，至少是液冷系统的3倍，直冷系统对耐压和密封的要求大大提高。

2.2.5 系统回油问题

电池直冷板并联在制冷剂系统中，冷板面积越大、制冷剂流程越长，制冷剂流速越低，压缩机回油越困难，容易引起压缩机润滑油缺油失效的问题[11]。提高制冷剂在管道中的流速、蒸发压力有助于润滑油回流[12]。在系统硬件设计及匹配时，应尽量避免管道直径过大、流道过长、直角弯等导致的制冷剂流速损失。

3 直冷热管理控制策略研究

3.1 仿真模型介绍

直冷的控制边界如蒸发压力、流量等直接影响到热管理的性能及能耗。为了研究直冷蒸发压力与电池降温性能及能耗的关系，以某车型磷酸铁锂电池直冷热管理系统为例，搭建GT-suite仿真模型。该模型包括动力电池等效电路及换热模型、空调模型，如图1所示。

3.2 仿真工况

本次仿真使用的制冷剂为R134a，环境温度38℃，湿度50%，制冷剂干度0.3。采用电池恒功率放电工况，直冷边界定义如表2所示，三者边界仅出口压力不同，忽略冷板流阻，即对应的蒸发压力、温度不同。压缩机转速控制策略较复杂，为了简化模型，压缩机根据电芯温度做反馈，采取PID方式控制开关[13]。当电芯温度达到设定阈值时，压缩机转速升至ncom，当温度达到冷却关闭阈值时，关闭压缩机。EXV开度根据直冷板出口压力及过热度采用PID控制。

3.3 不同蒸发压力的电池冷却性能及能耗仿真分析

电芯温度变化如图2所示。

由图2可知，case1（3.5bar）电池降温速率为0.93℃/min，case2（4.5bar）电池降温速率为1.17℃/min，case3（5.2bar）电池降温速率为1.31℃/min，case2、case3降温速率比case1分别提升了25.8%、40.8%；由图3可知制冷剂体积流量case1＜case2＜case3，即在该压力范围内，蒸发压力越高，降温速率越快。蒸发压力越高，电池与冷板的温差越小，但是由于制冷剂流量的加大，降温速率反而越快。

由图4、图5可知，压缩机功率case1＜case2＜case3，压缩机电耗case1=1.19kWh，case2=1.18kWh，case3=1.16kWh，三者相当。蒸发压力升高，压缩机功率加大，但电池降温速率快、压缩机工作时间缩短，压缩机总体能耗差异不大。由于仿真时对压缩机转速控制策略做了简化处理，压缩机工作状态与实车表现存在差异，能耗表现仅作趋势性参考。

4 结语

本文对电池冷媒直冷的特点及开发难点、改善路径进行了简要介绍，并通过数值模拟的方法对某直冷电池包不同控制策略下的降温性能及能耗进行了对比分析，结论如下：

（1）在阀前过冷度、直冷板出口过热度等边界一致的情况下，在一定范围内，提高蒸发压力可以增加制冷剂流量，从而提高电芯降温速率。

（2）蒸发压力升高，压缩机功率加大，但降温速率快、工作时间缩短，压缩机总体能耗差异不大。需要指出的是，由于仿真时对压缩机转速控制策略做了简化处理，压缩机工作状态与实车表现可能存在差异。

（3）电池降温效果与制冷剂流量、制冷剂与电芯的温差有关，在一定范围内提高蒸发压力可以增加制冷剂流量，但蒸发压力过高会导致传热温差减小，对换热不利，推测直冷系统应存在一个最优的蒸发压力使电池降温效果最佳。

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