冷媒直冷
關注創建者：飛塵君 創建時間：2023-08-05
冷媒直冷的視頻教程
動力電池熱管理仿真：Starccm&Amesim冷媒直冷熱仿真課程
主講新能源汽車動力電池包熱管理以及熱仿真流程中涉及到的冷媒直冷系統開發以及仿真問題 動力電池直冷仿真課程視頻介紹； 幾何模型前處理，模型簡化+干涉處理+二次裝配，依據仿真需求對電池結構進行解析，合理合適的簡化。依據仿真條件增加合理的邊界條件，更加真實的模擬實際工況。
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冷媒直冷的實例教程
目前市面上對于電池的冷卻形式多種多樣，按冷卻介質不同主要可以分為風冷冷卻、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和汽車空調系統直接結合在一起，直接將制冷劑回路中的一個蒸發器用作電池的直冷板，可以有效降低系統復雜度，因而冷媒直冷是目前具有良好發展前景的冷卻方法，已逐步在市場一些量產產品上可以看到應用。例如比亞迪海鷗、海豚等e3.0平臺產品，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冷、液冷，直冷冷卻有許多自身特有的優點和缺點，是汽車/電池熱管理設計人員所需要注意的問題。與目前應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。相比傳統的液冷冷卻或冷卻液冷卻，直冷減少了換熱損失，傳熱響應快。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)直冷冷卻系統和(b)液冷冷卻系統
系統復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，因此整車熱管理設計在成本和重量上也更有優勢。
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，不會導致電氣短路等問題。
那么除了上述優點，直冷冷卻就沒有缺點了嗎？
展開 目前市面上對于電池的冷卻形式多種多樣，按冷卻介質不同主要可以分為風冷冷卻、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和汽車空調系統直接結合在一起，直接將制冷劑回路中的一個蒸發器用作電池的直冷板，可以有效降低系統復雜度，因而冷媒直冷是目前具有良好發展前景的冷卻方法，已逐步在市場一些量產產品上可以看到應用。例如比亞迪海鷗、海豚等e3.0平臺產品，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冷、液冷，直冷冷卻有許多自身特有的優點和缺點，是汽車/電池熱管理設計人員所需要注意的問題。與目前應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。相比傳統的液冷冷卻或冷卻液冷卻，直冷減少了換熱損失，傳熱響應快。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)直冷冷卻系統和(b)液冷冷卻系統
系統復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，因此整車熱管理設計在成本和重量上也更有優勢。
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，不會導致電氣短路等問題。
那么除了上述優點，直冷冷卻就沒有缺點了嗎？
展開 另一方面，與冷媒相比熱容更大的水具有可承受電池等突然發熱的優勢。“純電動汽車搭載的電池容量逐年增加，水集中型正在成為主流”（同前）。
在使用冷媒的潛熱（狀態變化的能量、汽化熱）進行冷卻的冷媒直冷方式中，蒸發后的冷媒氣體的溫度大幅上升。因此，存在電池冷卻板的冷媒入口附近充分冷卻、但出口附近有時幾乎不冷卻的情況，容易產生冷卻不均（圖5）。
圖5 冷媒直冷方式的冷卻不均的示意圖
水冷方式（左）與冷媒直冷方式（右）的區別。從冷媒直冷方式來看，冷媒蒸發變為氣體后溫度大幅上升。
（來源:日經XTECH）
由此可知，冷媒直冷方式適用于車輛的裝載容積有限的緊湊型純電動汽車等。例如，日產的輕型純電動汽車“櫻花”（Sakura、電池容量為20kWh）采用冷媒直冷方式。由于搭載的電池容量小，發熱量少，因此不需要像水冷方式那樣高的冷卻性能。在成本方面也具有優勢。
但是，調查上述對比的4款車型的電池容量后發現，雖然不同車型存在差異，但海豹的電池容量為82.5kWh、bZ4X約為71kWh、ID.3約為58kWh、Model Y約為75kWh，實際上海豹的電池容量最大。那么，為什么海豹能夠采用冷媒直冷方式呢？有分析認為，原因與電池種類的不同有關。
利用磷酸鐵鋰電池的溫度特性設計熱管理系統？
海豹采用磷酸鐵鋰（LFP）類的鋰電池（圖6）。而bZ4X和ID.3則搭載使用鎳（Ni）、錳（Mn）、鈷（Co）作為正極材料的三元類（NMC）鋰電池。Model Y使用的是正極材料采用鎳、鈷、鋁（Al）的NCA類鋰電池*。
展開 另一方面，與冷媒相比熱容更大的水具有可承受電池等突然發熱的優勢。“純電動汽車搭載的電池容量逐年增加，水集中型正在成為主流”（同前）。
在使用冷媒的潛熱（狀態變化的能量、汽化熱）進行冷卻的冷媒直冷方式中，蒸發后的冷媒氣體的溫度大幅上升。因此，存在電池冷卻板的冷媒入口附近充分冷卻、但出口附近有時幾乎不冷卻的情況，容易產生冷卻不均（圖5）。
圖5 冷媒直冷方式的冷卻不均的示意圖
水冷方式（左）與冷媒直冷方式（右）的區別。從冷媒直冷方式來看，冷媒蒸發變為氣體后溫度大幅上升。
（來源:日經XTECH）
由此可知，冷媒直冷方式適用于車輛的裝載容積有限的緊湊型純電動汽車等。例如，日產的輕型純電動汽車“櫻花”（Sakura、電池容量為20kWh）采用冷媒直冷方式。由于搭載的電池容量小，發熱量少，因此不需要像水冷方式那樣高的冷卻性能。在成本方面也具有優勢。
但是，調查上述對比的4款車型的電池容量后發現，雖然不同車型存在差異，但海豹的電池容量為82.5kWh、bZ4X約為71kWh、ID.3約為58kWh、Model Y約為75kWh，實際上海豹的電池容量最大。那么，為什么海豹能夠采用冷媒直冷方式呢？有分析認為，原因與電池種類的不同有關。
利用磷酸鐵鋰電池的溫度特性設計熱管理系統？
海豹采用磷酸鐵鋰（LFP）類的鋰電池（圖6）。而bZ4X和ID.3則搭載使用鎳（Ni）、錳（Mn）、鈷（Co）作為正極材料的三元類（NMC）鋰電池。Model Y使用的是正極材料采用鎳、鈷、鋁（Al）的NCA類鋰電池*。
展開 圖2 展示的DM-i電池結構
在之前比亞迪宣傳的材料中，主要采取兩種模式：
1）電池散熱：采用冷媒直冷技術，直接將冷媒通入電池包進行冷卻，相比液冷減少了一級能量交換，換熱效率比液冷提升了20%。
圖3 DM-i的冷媒直冷技術
2）電池加熱：脈沖自加熱技術，通過電池高頻充放電，不僅能給電池加熱，還能加熱得均勻，脈沖自加熱效率比液加熱提升10%。
圖4 自加熱技術
但實際的情況來看，脈沖自加熱帶來的速率不確定，還不如在厚刀片電池表面貼上加熱膜來得更直接。如前面所述，其實不容易做的，特別是要把這么多顆串聯的磷酸鐵鋰電池均勻地加熱起來，光靠自加熱高頻振蕩效果不是那么理想。
Part 2 DM-i的設計理念
我的理解，這個厚刀片的設計，是有點盯著豐田打的意思。
這根特別長的厚刀片電芯，其實和豐田把多個小的標準鎳氫電池裝在狹長的大鎳氫電池里面有著異曲同工之妙。多個軟包在制作出成品以后，通過兩顆絕緣再加隔離的方式，把軟包電池放在一起，然后通過長的方殼體進行成組。
備注：在這個里面，殼體可能需要做特殊的絕緣處理，后面有詳細的拆解分析我們再來看
圖5 DM-i的電池設計，多顆軟包串聯然后整合在一節電芯里面
這樣做的最終目標，就是如下圖所示，把PHEV的成組率達到一個非常高的水平。這是電池系統布置工程師非常喜歡的結構，很簡潔美觀。
圖6 縱向布置模組
從電池結構來看，確實是不錯的設計，當然缺點就是這層套殼子的操作，是在電池模組線（其實類似模組的組裝），還有密封等操作，因此這個軟包電芯在制造成品率方面存在挑戰；特別是加了泡棉和壓力以后，一旦有一顆自放電問題電芯，整體電芯的特性就會受到挺大的影響。
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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和汽車空調系統直接結合在一起，直接將制冷劑回路中的一個蒸發器用作電池的直冷板，可以有效降低系統復雜度，因而冷媒直冷是目前具有良好發展前景的冷卻方法，已逐步在市場一些量產產品上可以看到應用。例如比亞迪海鷗、海豚等e3.0平臺產品，寶馬混動系列的i5，都可以看到冷媒直冷的身影。
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和汽車空調系統直接結合在一起，直接將制冷劑回路中的一個蒸發器用作電池的直冷板，可以有效降低系統復雜度，因而冷媒直冷是目前具有良好發展前景的冷卻方法，已逐步在市場一些量產產品上可以看到應用。例如比亞迪海鷗、海豚等e3.0平臺產品，寶馬混動系列的i5，都可以看到冷媒直冷的身影。
在使用冷媒的潛熱（狀態變化的能量、汽化熱）進行冷卻的冷媒直冷方式中，蒸發后的冷媒氣體的溫度大幅上升。因此，存在電池冷卻板的冷媒入口附近充分冷卻、但出口附近有時幾乎不冷卻的情況，容易產生冷卻不均（圖5）。
圖5 冷媒直冷方式的冷卻不均的示意圖
水冷方式（左）與冷媒直冷方式（右）的區別。從冷媒直冷方式來看，冷媒蒸發變為氣體后溫度大幅上升。
在使用冷媒的潛熱（狀態變化的能量、汽化熱）進行冷卻的冷媒直冷方式中，蒸發后的冷媒氣體的溫度大幅上升。因此，存在電池冷卻板的冷媒入口附近充分冷卻、但出口附近有時幾乎不冷卻的情況，容易產生冷卻不均（圖5）。
圖5 冷媒直冷方式的冷卻不均的示意圖
水冷方式（左）與冷媒直冷方式（右）的區別。從冷媒直冷方式來看，冷媒蒸發變為氣體后溫度大幅上升。
動力電池的續航和工作環境溫度有較大關聯，因此動力電池的溫度控制是三電系統熱管理的核心，根據管理方式分類，動力電池包的冷卻（溫控）主要包括自然冷卻、風冷、液冷、直冷四類，其中風冷一致性差，冷卻效果難以控制，冷媒直冷技術難度較高，因此電池冷卻的技術路線仍以液冷為主。
2）冷媒直冷有望成為電池冷卻新方案
冷媒直冷技術原理與空調制冷原理類似。
3.6 制冷劑式冷卻系統 Refrigerant Cooling Systems
又稱氣液相變冷卻系統，利用制冷劑作為熱量交換載體控制分配動力電池系統內部溫度的間接接觸式系統，也可稱為冷媒直冷系統。該系統通常與整車空調系統集成。該類系統通常適用于單體產熱量小于35W的電池。
圖2 展示的DM-i電池結構
在之前比亞迪宣傳的材料中，主要采取兩種模式：
1）電池散熱：采用冷媒直冷技術，直接將冷媒通入電池包進行冷卻，相比液冷減少了一級能量交換，換熱效率比液冷提升了20%。
備注：通過搜索找的現場照片用不了，以后我得找幾位媒體的朋友專門幫我拍一些照片備用，今年上海限制出差，基本所有的離滬活動我都沒參加，少了很多現場取材的機會
圖4比亞迪E3.0 的熱管理系統
圖5 比亞迪的DM-i是基于冷媒直冷來做的，熱泵這塊沒有導入很多
在最后，比亞迪提了一個BYD OS系統的概念，主要從四個域控制器，開始構建自己的自主操作系統了。
3.6 制冷劑式冷卻系統 Refrigerant Cooling Systems
又稱氣液相變冷卻系統，利用制冷劑作為熱量交換載體控制分配動力電池系統內部溫度的間接接觸式系統，也可稱為冷媒直冷系統。該系統通常與整車空調系統集成。該類系統通常適用于單體產熱量小于35W的電池。
4.冷媒直冷
冷媒直冷即采用制冷劑來對電池包進行冷卻，不過存在的主要問題是制冷劑溫度降低可能在零下，有可能造成電芯溫度控制上的難度，而且還要單獨布置一套加熱系統。
5.浸沒式冷卻
浸沒式冷卻，顧名思義，是將電池泡在一種絕緣導熱材料中，理論上來說，可以保證電芯和冷卻介質的充分接觸，來保證散熱，但是目前技術的實現還有很多問題，目前不是市場上的主流冷卻技術。
