冷媒直冷的案例
技術(shù)貼 | AVL CRUISE M 電池冷媒直冷解決方案
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(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(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(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/電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)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(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?yán)鋮s液而是制冷劑，也可以減少冷卻液的灌注量，因此整車熱管理設(shè)計(jì)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(diǎn)，直冷冷卻就沒有缺點(diǎn)了嗎？
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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(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(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(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/電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)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(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?yán)鋮s液而是制冷劑，也可以減少冷卻液的灌注量，因此整車熱管理設(shè)計(jì)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(diǎn)，直冷冷卻就沒有缺點(diǎn)了嗎？
展開 瑞銀拆解比亞迪海豹，成本比特斯拉還低15%，拆解報(bào)告(熱管理系統(tǒng))
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(fā)熱的優(yōu)勢。“純電動(dòng)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(tài)變化的能量、汽化熱）進(jìn)行冷卻的冷媒直冷方式中，蒸發(fā)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(shí)幾乎不冷卻的情況，容易產(chǎn)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(qū)別。從冷媒直冷方式來看，冷媒蒸發(fā)變?yōu)闅怏w后溫度大幅上升。
（來源:日經(jīng)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(dòng)汽車等。例如，日產(chǎn)的輕型純電動(dòng)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(fā)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(yōu)勢。
但是，調(diào)查上述對比的4款車型的電池容量后發(fā)現(xiàn)，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(shí)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(rèn)為，原因與電池種類的不同有關(guān)。
利用磷酸鐵鋰電池的溫度特性設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)？
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*。
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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(fā)熱的優(yōu)勢。“純電動(dòng)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(tài)變化的能量、汽化熱）進(jìn)行冷卻的冷媒直冷方式中，蒸發(fā)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(shí)幾乎不冷卻的情況，容易產(chǎn)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(qū)別。從冷媒直冷方式來看，冷媒蒸發(fā)變?yōu)闅怏w后溫度大幅上升。
（來源:日經(jīng)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(dòng)汽車等。例如，日產(chǎn)的輕型純電動(dòng)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(fā)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(yōu)勢。
但是，調(diào)查上述對比的4款車型的電池容量后發(fā)現(xiàn)，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(shí)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(rèn)為，原因與電池種類的不同有關(guān)。
利用磷酸鐵鋰電池的溫度特性設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)？
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*。
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如何看待DM i的刀片電池設(shè)計(jì)？
圖2 展示的DM-i電池結(jié)構(gòu)
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(shù)，直接將冷媒通入電池包進(jìn)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(shù)
2）電池加熱：脈沖自加熱技術(shù)，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(shù)
但實(shí)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(shí)不容易做的，特別是要把這么多顆串聯(lián)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(shè)計(jì)理念
我的理解，這個(gè)厚刀片的設(shè)計(jì)，是有點(diǎn)盯著豐田打的意思。
這根特別長的厚刀片電芯，其實(shí)和豐田把多個(gè)小的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(jìn)行成組。
備注：在這個(gè)里面，殼體可能需要做特殊的絕緣處理，后面有詳細(xì)的拆解分析我們再來看
圖5 DM-i的電池設(shè)計(jì)，多顆軟包串聯(lián)然后整合在一節(jié)電芯里面
這樣做的最終目標(biāo)，就是如下圖所示，把PHEV的成組率達(dá)到一個(gè)非常高的水平。這是電池系統(tǒng)布置工程師非常喜歡的結(jié)構(gòu)，很簡潔美觀。
圖6 縱向布置模組
從電池結(jié)構(gòu)來看，確實(shí)是不錯(cuò)的設(shè)計(jì)，當(dāng)然缺點(diǎn)就是這層套殼子的操作，是在電池模組線（其實(shí)類似模組的組裝），還有密封等操作，因此這個(gè)軟包電芯在制造成品率方面存在挑戰(zhàn)；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。
展開 2-動(dòng)力電池?zé)峁芾矸绞窖葑儯ㄔ瓌?chuàng)，手動(dòng)碼字，如轉(zhuǎn)，請注明來處流蘇kiwi）
4.冷媒直冷
冷媒直冷即采用制冷劑來對電池包進(jìn)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(dú)布置一套加熱系統(tǒng)。
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(dǎo)熱材料中，理論上來說，可以保證電芯和冷卻介質(zhì)的充分接觸，來保證散熱，但是目前技術(shù)的實(shí)現(xiàn)還有很多問題，目前不是市場上的主流冷卻技術(shù)。由于沒有參加過浸沒式冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)，恕無詳述，僅做概念擴(kuò)展。
6.相變儲能冷卻
相變材料，即可以在液態(tài)和固態(tài)之間切換的一種材料，吸熱融化，儲存熱量，熱量釋放后凝固，可再次用于吸熱。可以循環(huán)使用，目前相變材料使用的局限性在于增加相變材料后重量增加較多，會降低整包的能量密度。后期國家補(bǔ)貼退坡后，不知道會不會在市場上看到越來越多的相變材料應(yīng)用。從儲能的角度看，相變材料具備緩沖熱突變的能力，不清楚后面會不會用在保溫隔熱技術(shù)上。
根據(jù)研究結(jié)果顯示，石蠟-膨脹石墨復(fù)合相變材料，可以將系統(tǒng)溫差降低至0.2攝氏度（沒有提供電池組的詳細(xì)參數(shù)，工況電流大小、電池型號等信息）。同時(shí)，研究還證明，相變材料，對于抑制熱失控的蔓延有良好效果。
石蠟-膨脹石墨復(fù)合材料，石蠟作為相變材料，負(fù)責(zé)熱量的吸收和儲存，實(shí)現(xiàn)溫控功能。石墨，具備微觀多孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)石蠟相轉(zhuǎn)變成液態(tài)，石墨起到完美的吸附作用，避免材料出現(xiàn)液體狀態(tài)。
鄙以為，未來的熱管理方式隨著電池技術(shù)的更新而發(fā)展，延長電池壽命，降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)將成為短期內(nèi)的目標(biāo)，本人從事熱仿真工作七年有余，熟悉動(dòng)力電池系統(tǒng)的流動(dòng)仿真和熱仿真，如有項(xiàng)目洽談，歡迎留言！
展開 行業(yè)：電動(dòng)汽車綜合熱管理
動(dòng)力電池的續(xù)航和工作環(huán)境溫度有較大關(guān)聯(lián)，因此動(dòng)力電池的溫度控制是三電系統(tǒng)熱管理的核心，根據(jù)管理方式分類，動(dòng)力電池包的冷卻（溫控）主要包括自然冷卻、風(fēng)冷、液冷、直冷四類，其中風(fēng)冷一致性差，冷卻效果難以控制，冷媒直冷技術(shù)難度較高，因此電池冷卻的技術(shù)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(shù)原理與空調(diào)制冷原理類似。通過壓縮機(jī)將制冷劑氣體壓縮成高溫高壓的氣體，然后進(jìn)入前端冷凝器后，將制冷劑氣體被冷凝成高溫中壓的液體，高溫中壓的液體通過膨脹閥碰撞，將低溫低壓的兩相流進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器通過車艙空調(diào)蒸發(fā)器或是電池包內(nèi)的冷板，制冷劑吸收熱然后不斷蒸發(fā)，最后變成氣體通過膨脹閥回到壓縮機(jī)完成整個(gè)循環(huán)。
3.2 熱管理制熱系統(tǒng)
1）熱泵空調(diào)逐步替代 PTC 空調(diào)
發(fā)動(dòng)機(jī)熱源消失，新能源車新增 PTC 加熱器。由于發(fā)動(dòng)機(jī)熱源消失，汽車需額外的熱源補(bǔ)充，才能維持空調(diào)系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。成本低、結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定的 PTC 加熱方案就成為了新能源汽車行業(yè)普遍采用的制熱方案。根據(jù)其工作方式不同，PTC 加熱器可分為風(fēng)暖式和水暖式。
熱泵
2）二氧化碳熱泵大有可為
熱泵空調(diào)取代 PTC，已成為新能源汽車標(biāo)配。熱泵空調(diào)系統(tǒng)按照制冷劑不同可分為 R134a、R1234yf 和R744（CO2 二氧化碳）等幾種類型。R744（二氧化碳）是最好的替代品之一。R744 的 GWP 為 1、安全等級為 A1，環(huán)保且安全。R744 制熱性能好，即使在-20℃下運(yùn)行，COP 也能達(dá)到 2，明顯高于 R134a。但是由于 R744 沸點(diǎn)較低，制冷系統(tǒng)在工作時(shí)需要高壓力，增加了新的研發(fā)制造成本。
展開 比亞迪的e3.0平臺研究2——八合一控制器和域控制器
備注：通過搜索找的現(xiàn)場照片用不了，以后我得找?guī)孜幻襟w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(dòng)我都沒參加，少了很多現(xiàn)場取材的機(jī)會
圖4比亞迪E3.0 的熱管理系統(tǒng)
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(dǎo)入很多
在最后，比亞迪提了一個(gè)BYD OS系統(tǒng)的概念，主要從四個(gè)域控制器，開始構(gòu)建自己的自主操作系統(tǒng)了。軟硬件解耦的BYD OS整合控制車上各類硬件設(shè)備，根據(jù)應(yīng)用場景來調(diào)配硬件功能，這幾個(gè)智能域控制架構(gòu)的聯(lián)網(wǎng)特性可能后續(xù)能獲取進(jìn)一步的信息，負(fù)責(zé)解決信號高效傳遞和域控制內(nèi)高效的數(shù)據(jù)處理。
小結(jié)：我覺得比亞迪這次在集成化、域控制器上面，一個(gè)沖刺和主流的國內(nèi)外車企拉平了技術(shù)水準(zhǔn)；對比E2.0和E3.0，3年時(shí)間在比亞迪很多方面有了觀念上的革新。對于這種革新了，我們也要適時(shí)地進(jìn)行重新評估和分析哈，供各位參考。
展開 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能試驗(yàn)方法
3.6 制冷劑式冷卻系統(tǒng) Refrigerant Cooling Systems
又稱氣液相變冷卻系統(tǒng)，利用制冷劑作為熱量交換載體控制分配動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的間接接觸式系統(tǒng)，也可稱為冷媒直冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常與整車空調(diào)系統(tǒng)集成。該類系統(tǒng)通常適用于單體產(chǎn)熱量小于35W的電池。
3.7 相變材料系統(tǒng) Phase Change Materials Systems
又稱固體相變蓄熱系統(tǒng)，利用相變材料（通常為石蠟基或無機(jī)鹽基材料）在某個(gè)溫度下或溫度區(qū)間吸熱發(fā)生相變的特性，實(shí)現(xiàn)電池冷卻和保溫功能的被動(dòng)式相變系統(tǒng)。
3.8阻燃隔熱系統(tǒng) flame retardant thermal insulation system
利用特殊材料（通常為泡沫聚合物）實(shí)現(xiàn)單體電池間、模組間、電池包殼體內(nèi)或其他部位隔熱保溫和阻隔熱失控?cái)U(kuò)散作用的系統(tǒng)，此系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件阻燃性能一般可以達(dá)到V0級別（GB/T 2408—2008），導(dǎo)熱系數(shù)≤0.06W/m.K（GB/T 10294-2008）且環(huán)保無鹵（IEC 61249-2-21）。
3.9 電池最高溫度 battery maximum temperature
動(dòng)力電池的電池管理系統(tǒng)上報(bào)的單體最高溫度。
3.10 電池最低溫度 battery minimum temperature
動(dòng)力電池的電池管理系統(tǒng)上報(bào)的單體最低溫度。
3.11 電池平均溫度 battery average temperature
動(dòng)力電池的電池管理系統(tǒng)上報(bào)的單體平均溫度。
3.12 電池溫升 battery temperature rise
動(dòng)力電池系統(tǒng)在某個(gè)測試工況結(jié)束時(shí)電池最高溫度與測試開始時(shí)電池最低溫度的差值。
展開 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能試驗(yàn)方法
3.6 制冷劑式冷卻系統(tǒng) Refrigerant Cooling Systems
又稱氣液相變冷卻系統(tǒng)，利用制冷劑作為熱量交換載體控制分配動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的間接接觸式系統(tǒng)，也可稱為冷媒直冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常與整車空調(diào)系統(tǒng)集成。該類系統(tǒng)通常適用于單體產(chǎn)熱量小于35W的電池。
3.7 相變材料系統(tǒng) Phase Change Materials Systems
又稱固體相變蓄熱系統(tǒng)，利用相變材料（通常為石蠟基或無機(jī)鹽基材料）在某個(gè)溫度下或溫度區(qū)間吸熱發(fā)生相變的特性，實(shí)現(xiàn)電池冷卻和保溫功能的被動(dòng)式相變系統(tǒng)。
3.8 阻燃隔熱系統(tǒng) flame retardant thermal insulation system
利用特殊材料（通常為泡沫聚合物）實(shí)現(xiàn)單體電池間、模組間、電池包殼體內(nèi)或其他部位隔熱保溫和阻隔熱失控?cái)U(kuò)散作用的系統(tǒng)，此系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件阻燃性能一般可以達(dá)到V0級別（GB/T 2408—2008），導(dǎo)熱系數(shù)≤0.06W/m.K（GB/T 10294-2008）且環(huán)保無鹵（IEC 61249-2-21）。
3.9 電池最高溫度 battery maximum temperature
動(dòng)力電池的電池管理系統(tǒng)上報(bào)的單體最高溫度。
3.10 電池最低溫度 battery minimum temperature
動(dòng)力電池的電池管理系統(tǒng)上報(bào)的單體最低溫度。
3.11 電池平均溫度 battery average temperature
動(dòng)力電池的電池管理系統(tǒng)上報(bào)的單體平均溫度。
3.12 電池溫升 battery temperature rise
動(dòng)力電池系統(tǒng)在某個(gè)測試工況結(jié)束時(shí)電池最高溫度與測試開始時(shí)電池最低溫度的差值。
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