Author:荊鵬

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引言

新能源汽車中鋰電池的性能、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平臺產(chǎn)品，寶馬混動系列的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，可能會普及到更多車型。

圖1 比亞迪海鷗（圖源水印）

冷媒直冷的特點

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)點和缺點，是汽車/電池?zé)峁芾碓O(shè)計人員所需要注意的問題。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：

• 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程，采用制冷劑直接冷卻電池，因此相對而言冷卻高效迅速。

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，電池冷卻不再依賴冷卻液而是制冷劑，也可以減少冷卻液的灌注量，因此整車熱管理設(shè)計在成本和重量上也更有優(yōu)勢。

• 安全性高。相比于冷卻液而言，制冷劑在泄露后會迅速汽化，對電氣元件影響小，不會導(dǎo)致電氣短路等問題。

那么除了上述優(yōu)點，直冷冷卻就沒有缺點了嗎？答案是否定的，甘蔗沒有兩頭甜，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)計中碰到的問題常有如下一些：

• 系統(tǒng)密封性問題。在汽車制冷劑系統(tǒng)中，蒸發(fā)壓力一般在2~4bar左右（即2~4個大氣壓），因此相比于液冷系統(tǒng)，制冷劑防泄漏要求會很高，對整個回路的密封性要求也會很高。

• 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導(dǎo)致蒸發(fā)器中溫差很大，電池的直冷板就相當于一個蒸發(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很均勻，即等于制冷劑的蒸發(fā)溫度；但是對于較大的電池包，直冷板流程較長，制冷劑可能存在全部汽化，而僅通過顯熱冷卻電池，這種情況下冷板的均勻性會變得非常差。對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給設(shè)計帶來很大的挑戰(zhàn)。

• 工作溫度范圍受限，熱泵模式受限。通常在制冷系統(tǒng)中，壓縮機排氣溫度較高，制冷劑溫度一般在60~80℃左右甚至更高，這個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景，溫度再低熱泵無法正常工作，可能需要額外添加PTC加熱等方法，系統(tǒng)綜合成本優(yōu)勢不大。

• 系統(tǒng)回油問題。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)計的流程較長，有可能導(dǎo)致壓縮機潤滑油積存其中，使壓縮機回油困難，導(dǎo)致壓縮機磨損，如圖3所示。

圖3 壓縮機缺油磨損[1]

直冷設(shè)計要點及解決方案

根據(jù)直冷冷卻的特點，不難看出直冷設(shè)計相比于風(fēng)冷和液冷冷卻有所不同，設(shè)計上可參考的成熟方案也較少，因此現(xiàn)階段的設(shè)計需要額外注意。以下設(shè)計要點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)計壓縮機、直冷板、蒸發(fā)器和冷凝器的工作狀態(tài)，以達到合理的性能匹配，既滿足電池?zé)峁芾砟繕耍直M量使系統(tǒng)能耗低，同時盡可能減少冗余設(shè)計量，以實現(xiàn)成本的優(yōu)勢。

• 冷卻溫度的合理設(shè)計，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，直冷板溫度均勻性優(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大。

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

• 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)計要考慮到。

• 蒸發(fā)壓力的計算，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)計要點較多，采用仿真的方法可以快速設(shè)計、驗證和優(yōu)化。AVL CRUISE M中含有豐富的兩相流和電池模型，可以實現(xiàn)上述的電池冷媒直冷的仿真分析。

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

圖5 電池溫度云圖分布

如上圖所示，AVL CRUISE M獨有的電池?zé)峋W(wǎng)絡(luò)細化功能，使用戶通過簡單設(shè)置即可劃分得到熱網(wǎng)絡(luò)模型，而無需手動搭建熱質(zhì)量塊連接成熱網(wǎng)絡(luò)，涵蓋了電芯到模組到Pack各個層級，并且在后處理中可以直接映射生成三維云圖，得到類似于三維CFD仿真的后處理結(jié)果。用戶可以清晰直觀地看到電芯溫度分布結(jié)果，同時過程中卻不需要傳統(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，用戶還可以在后處理中得到電池充放電過程中電信號，例如內(nèi)阻的變化、功率損耗、電壓、SOC和充電量等，可以獲取每一個電芯的信號，也可以獲取整個模組或Pack的信號。在本示例模型中，電芯的充電電流給的恒定值，實際仿真中需要考慮溫度、析鋰保護等對充電電流的影響，同時電流的大小會影響電芯產(chǎn)熱，進而影響溫度，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中實現(xiàn)。

圖8 冷媒回路(a)壓焓圖，(b)壓縮機進出口壓力和轉(zhuǎn)速

制冷劑回路，在AVL CRUISE M中也稱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)計和匹配，可以直觀地了解電池直冷板進出口狀態(tài)，指導(dǎo)熱管理設(shè)計。AVL CRUISE M對于兩相流有著豐富的計算經(jīng)驗和處理方法，并且在近幾個版本中對于兩相流計算速度和求解魯棒性都有明顯的增強。

圖9 (a)直冷板進出口壓力、溫度，(b)直冷板進出口干度

對于電池直冷板或冷卻管道，可以通過制冷劑的進出口壓力、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)計直冷板進口流量、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導(dǎo)致電池溫度均勻性差異很大，針對這一問題，我們做一個簡單的敏感性分析，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、不同制冷劑進口狀態(tài)下的溫度場分布，從圖中可以明顯看出后者的溫度均勻性要好很多，事實上兩組主要差異在于制冷劑進口的干度。前者制冷劑進口干度高，制冷劑在流經(jīng)第三組電芯時已完全汽化，第三組電芯的冷卻全靠氣態(tài)制冷劑的顯熱，而這就會導(dǎo)致電池自身溫差偏大。

圖12 A組 (a)壓焓圖，(b)進口冷媒的干度、溫度和流量

圖13 B組 (a)壓焓圖，(b)進口冷媒的干度、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)致制冷劑在到達第三組電芯時已完全汽化，從壓焓圖上也可以清晰地看到這一點。B組三組電芯對應(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。

總體來說，AVL CRUISE M對于電池冷媒直冷、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，可以幫助用戶較好地實現(xiàn)直冷設(shè)計、驗證和優(yōu)化等工作。除了采用AVL CRUISE M進行直冷設(shè)計，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，限于篇幅原因，這里不再展開介紹，大家可以關(guān)注AVL先進模擬技術(shù)公眾號，后續(xù)會為大家推送更多信息。

參考文獻：

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