Author:荊鵬

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引言

新能源汽車(chē)中鋰電池的性能、壽命與工作環(huán)境有緊密的聯(lián)系，溫度是其中較為關(guān)鍵的影響因素之一。目前市面上對(duì)于電池的冷卻形式多種多樣，按冷卻介質(zhì)不同主要可以分為風(fēng)冷冷卻、液冷冷卻、相變冷卻以及直冷冷卻。

其中直冷冷卻，又稱(chēng)為制冷劑直接冷卻或冷媒直冷，可以將電池冷卻系統(tǒng)和汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)直接結(jié)合在一起，直接將制冷劑回路中的一個(gè)蒸發(fā)器用作電池的直冷板，可以有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度，因而冷媒直冷是目前具有良好發(fā)展前景的冷卻方法，已逐步在市場(chǎng)一些量產(chǎn)產(chǎn)品上可以看到應(yīng)用。例如比亞迪海鷗、海豚等e3.0平臺(tái)產(chǎn)品，寶馬混動(dòng)系列的i5，都可以看到冷媒直冷的身影。隨著電池能量密度、快充功率要求越來(lái)越高，冷媒直冷以其自身具有的體積重量、制冷速度和性能等優(yōu)勢(shì)，可能會(huì)普及到更多車(chē)型。

圖1 比亞迪海鷗（圖源水印）

冷媒直冷的特點(diǎn)

相比于更為成熟的風(fēng)冷、液冷，直冷冷卻有許多自身特有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，是汽車(chē)/電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)人員所需要注意的問(wèn)題。與目前應(yīng)用最為廣泛的液冷冷卻相比，直冷具有以下特點(diǎn)：

• 冷卻速度快。相比傳統(tǒng)的液冷冷卻或冷卻液冷卻，直冷減少了換熱損失，傳熱響應(yīng)快。如圖2(a)和圖2(b)所示，可以看到直冷冷卻少了制冷劑與冷卻液的二次換熱過(guò)程，采用制冷劑直接冷卻電池，因此相對(duì)而言冷卻高效迅速。

圖2(a)直冷冷卻系統(tǒng)和(b)液冷冷卻系統(tǒng)

• 系統(tǒng)復(fù)雜度降低且更加緊湊。從圖2也可以看出，采用冷媒直冷，減少了一套電池支路的零部件，減少了電池水泵、管道和chiller的空間占用，電池冷卻不再依賴(lài)?yán)鋮s液而是制冷劑，也可以減少冷卻液的灌注量，因此整車(chē)熱管理設(shè)計(jì)在成本和重量上也更有優(yōu)勢(shì)。

• 安全性高。相比于冷卻液而言，制冷劑在泄露后會(huì)迅速汽化，對(duì)電氣元件影響小，不會(huì)導(dǎo)致電氣短路等問(wèn)題。

那么除了上述優(yōu)點(diǎn)，直冷冷卻就沒(méi)有缺點(diǎn)了嗎？答案是否定的，甘蔗沒(méi)有兩頭甜，直冷冷卻也有其自身的局限性，限制了其大范圍應(yīng)用。目前設(shè)計(jì)中碰到的問(wèn)題常有如下一些：

• 系統(tǒng)密封性問(wèn)題。在汽車(chē)制冷劑系統(tǒng)中，蒸發(fā)壓力一般在2~4bar左右（即2~4個(gè)大氣壓），因此相比于液冷系統(tǒng)，制冷劑防泄漏要求會(huì)很高，對(duì)整個(gè)回路的密封性要求也會(huì)很高。

• 溫度均勻性差。相比于液冷冷卻，由于涉及相變，蒸發(fā)器中制冷劑分布不均勻會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器中溫差很大，電池的直冷板就相當(dāng)于一個(gè)蒸發(fā)器，如果制冷劑在其中全程都有相變，那么直冷板的冷卻溫度會(huì)很均勻，即等于制冷劑的蒸發(fā)溫度；但是對(duì)于較大的電池包，直冷板流程較長(zhǎng)，制冷劑可能存在全部汽化，而僅通過(guò)顯熱冷卻電池，這種情況下冷板的均勻性會(huì)變得非常差。對(duì)于較大的電池包而言，需要盡可能保證電池溫度的均勻，直冷板溫度的不均勻性會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

• 工作溫度范圍受限，熱泵模式受限。通常在制冷系統(tǒng)中，壓縮機(jī)排氣溫度較高，制冷劑溫度一般在60~80℃左右甚至更高，這個(gè)冷凝溫度高于電池的適宜溫度區(qū)間。另外，以用得較多的制冷劑R134a為例，制熱的極限是零下十多度的場(chǎng)景，溫度再低熱泵無(wú)法正常工作，可能需要額外添加PTC加熱等方法，系統(tǒng)綜合成本優(yōu)勢(shì)不大。

• 系統(tǒng)回油問(wèn)題。電池直冷板并聯(lián)在制冷劑系統(tǒng)中，并且直冷板為了均勻性和散熱效果，通常設(shè)計(jì)的流程較長(zhǎng)，有可能導(dǎo)致壓縮機(jī)潤(rùn)滑油積存其中，使壓縮機(jī)回油困難，導(dǎo)致壓縮機(jī)磨損，如圖3所示。

圖3 壓縮機(jī)缺油磨損[1]

直冷設(shè)計(jì)要點(diǎn)及解決方案

根據(jù)直冷冷卻的特點(diǎn)，不難看出直冷設(shè)計(jì)相比于風(fēng)冷和液冷冷卻有所不同，設(shè)計(jì)上可參考的成熟方案也較少，因此現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)需要額外注意。以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)是熱管理工作中所要注意的：

• 系統(tǒng)部件的匹配，需要合理的設(shè)計(jì)壓縮機(jī)、直冷板、蒸發(fā)器和冷凝器的工作狀態(tài)，以達(dá)到合理的性能匹配，既滿(mǎn)足電池?zé)峁芾砟繕?biāo)，又盡量使系統(tǒng)能耗低，同時(shí)盡可能減少冗余設(shè)計(jì)量，以實(shí)現(xiàn)成本的優(yōu)勢(shì)。

• 冷卻溫度的合理設(shè)計(jì)，直冷系統(tǒng)冷卻性能好，需要合理優(yōu)化冷卻效果，防止冷卻溫度過(guò)低導(dǎo)致電池包凝露，影響電氣安全。

• 電池包溫差控制，直冷板溫度均勻性?xún)?yōu)化。直冷板冷卻功率密度高，優(yōu)化直冷板流程、壓降等參數(shù)，防止電池包自身溫差過(guò)大。

• 冷媒均勻性分配，冷媒在直冷板沿程分布會(huì)顯著影響冷卻效果、溫度均勻性，如何確保冷媒均勻性分配是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

• 加熱能力不足，熱泵模式受限，可能需要結(jié)合PTC加熱，熱管理性能匹配設(shè)計(jì)要考慮到。

• 蒸發(fā)壓力的計(jì)算，受限于系統(tǒng)密封性要求，需要合理確定蒸發(fā)壓力和直冷板工作狀態(tài)。

上述的設(shè)計(jì)要點(diǎn)較多，采用仿真的方法可以快速設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和優(yōu)化。AVL CRUISE M中含有豐富的兩相流和電池模型，可以實(shí)現(xiàn)上述的電池冷媒直冷的仿真分析。

通過(guò)AVL CRUISE M搭建的電池冷媒直冷模型，可以研究系統(tǒng)性能匹配、制冷劑沿程干度對(duì)溫度均勻性的影響、電池充放電熱管理表現(xiàn)、冷板流道設(shè)計(jì)對(duì)熱管理影響和制冷劑回路控制策略等課題。

圖4 AVL CRUISE M電池冷媒直冷仿真模型（示例）

AVL CRUISE M 冷媒直冷仿真分析

通過(guò)AVL CRUISE M的后處理，可以得到多方面的分析結(jié)果，為設(shè)計(jì)提供參考。

圖5 電池溫度云圖分布

如上圖所示，AVL CRUISE M獨(dú)有的電池?zé)峋W(wǎng)絡(luò)細(xì)化功能，使用戶(hù)通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置即可劃分得到熱網(wǎng)絡(luò)模型，而無(wú)需手動(dòng)搭建熱質(zhì)量塊連接成熱網(wǎng)絡(luò)，涵蓋了電芯到模組到Pack各個(gè)層級(jí)，并且在后處理中可以直接映射生成三維云圖，得到類(lèi)似于三維CFD仿真的后處理結(jié)果。用戶(hù)可以清晰直觀(guān)地看到電芯溫度分布結(jié)果，同時(shí)過(guò)程中卻不需要傳統(tǒng)CFD復(fù)雜的前處理、網(wǎng)格劃分等操作。

圖6 電池最高最低溫

圖7 電池的(a)充電量和SOC，(b)充電功率和損耗功率

除了電池的溫度信息，用戶(hù)還可以在后處理中得到電池充放電過(guò)程中電信號(hào)，例如內(nèi)阻的變化、功率損耗、電壓、SOC和充電量等，可以獲取每一個(gè)電芯的信號(hào)，也可以獲取整個(gè)模組或Pack的信號(hào)。在本示例模型中，電芯的充電電流給的恒定值，實(shí)際仿真中需要考慮溫度、析鋰保護(hù)等對(duì)充電電流的影響，同時(shí)電流的大小會(huì)影響電芯產(chǎn)熱，進(jìn)而影響溫度，因此熱管理溫度與電流是相互作用的，這一系列限制、控制策略也可以在AVL CRUISE M中實(shí)現(xiàn)。

圖8 冷媒回路(a)壓焓圖，(b)壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力和轉(zhuǎn)速

制冷劑回路，在AVL CRUISE M中也稱(chēng)VLE回路（Vapor liquid equilibrium，即冷媒回路）。后處理可以直接得到壓焓圖，通過(guò)壓焓圖可以清晰地了解回路內(nèi)各部件工作狀態(tài)，有助于系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)和匹配，可以直觀(guān)地了解電池直冷板進(jìn)出口狀態(tài)，指導(dǎo)熱管理設(shè)計(jì)。AVL CRUISE M對(duì)于兩相流有著豐富的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和處理方法，并且在近幾個(gè)版本中對(duì)于兩相流計(jì)算速度和求解魯棒性都有明顯的增強(qiáng)。

圖9 (a)直冷板進(jìn)出口壓力、溫度，(b)直冷板進(jìn)出口干度

對(duì)于電池直冷板或冷卻管道，可以通過(guò)制冷劑的進(jìn)出口壓力、溫度、干度、流速、焓值等信息了解制冷劑的沿程變化，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)直冷板進(jìn)口流量、焓值和干度，以保證電池工作在適宜的溫度區(qū)間。

之前前文提到，直冷的不均勻性可能會(huì)導(dǎo)致電池溫度均勻性差異很大，針對(duì)這一問(wèn)題，我們做一個(gè)簡(jiǎn)單的敏感性分析，模型同之前一樣，模組和底部直冷管道如下圖所示，模組為4P3S架構(gòu)，每組電芯下連接一根直冷管道。

圖10 模組熱管理建模示意

圖11 制冷劑沿程干度對(duì)電池溫度均勻性的影響，

(a) A組，(b) B組

結(jié)果如圖11所示，這是同一電池模型、不同制冷劑進(jìn)口狀態(tài)下的溫度場(chǎng)分布，從圖中可以明顯看出后者的溫度均勻性要好很多，事實(shí)上兩組主要差異在于制冷劑進(jìn)口的干度。前者制冷劑進(jìn)口干度高，制冷劑在流經(jīng)第三組電芯時(shí)已完全汽化，第三組電芯的冷卻全靠氣態(tài)制冷劑的顯熱，而這就會(huì)導(dǎo)致電池自身溫差偏大。

圖12 A組 (a)壓焓圖，(b)進(jìn)口冷媒的干度、溫度和流量

圖13 B組 (a)壓焓圖，(b)進(jìn)口冷媒的干度、溫度和流量

圖12、13顯示了兩組模型的差異，可以看出制冷劑流量完全一致，進(jìn)口溫度非常接近，但干度差異較大，A組干度偏高，導(dǎo)致制冷劑在到達(dá)第三組電芯時(shí)已完全汽化，從壓焓圖上也可以清晰地看到這一點(diǎn)。B組三組電芯對(duì)應(yīng)的制冷管道全部處于兩相流區(qū)域，使得B組電芯的冷卻較為均勻。

總體來(lái)說(shuō)，AVL CRUISE M對(duì)于電池冷媒直冷、兩相流冷卻處理方法較為成熟，結(jié)合電池?zé)峁芾斫５膬?yōu)勢(shì)，可以幫助用戶(hù)較好地實(shí)現(xiàn)直冷設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和優(yōu)化等工作。除了采用AVL CRUISE M進(jìn)行直冷設(shè)計(jì)，AVL FIRE M作為通用的三維CFD仿真軟件，同樣可用于兩相流仿真設(shè)計(jì)，限于篇幅原因，這里不再展開(kāi)介紹，大家可以關(guān)注AVL先進(jìn)模擬技術(shù)公眾號(hào)，后續(xù)會(huì)為大家推送更多信息。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝菊文.渦旋壓縮機(jī)動(dòng)渦旋盤(pán)齒頂摩擦磨損特性的研究[D].蘭州理工大學(xué),2024.