【直冷热管理】制冷剂相态变化对动力电池直冷系统温控性能的影响分析
摘 要
动力电池作为新能源汽车的动力源，其安全性直 接关系到整车的正常运行。电动汽车能源的供给依 赖于锂电池，但锂电池需在合适的温度范围内工作， 温度过高或过低均会影响电池性能，甚至引发热失控 造成电池爆炸等安全事故［1］。研究表明，锂离子电 池的最佳工作温度范围为 25 ～ 40 ℃，最大温差则应 控制在 5 ℃ 以内［2］。上述温控目标的实现需要稳定 可靠、高效紧凑的电池热管理系统，保证动力电池的 安全性和可靠性。
依据是否消耗额外的能量，电池热管理系统冷却方式可以分为被动式和主动式［3］。被动式冷却方式 有相变材料冷却［4］、热管冷却［5］，它们被认为是传统 电池冷却方式潜在的替代方案。相变材料的潜热是 有限的，当其完全融化后无法再继续吸热，而热管冷 却的极限热流密度和较高的成本制约其在产业中的 应用。主动冷却方式技术较为成熟，在行业中得到广 泛应用，主要包括风冷［6］、液冷［7］和直冷［8］。风冷方 式结构简单，成本低，但冷却效率较低，电池温度不均 匀，难以满足大容量电池的高负荷温控要求［9］。液 冷方式利用冷却液流经冷却板带走电池产生的热量， 技术较为成熟，冷却效果好，但二次循环冷却效率较 低，且系统复杂，存在泄漏风险［10］。直冷方式将制冷 剂直接引入电池直冷板中冷却动力电池，省去二次冷 却液循环，以制冷剂气液相变过程取代冷却液的单相 对流换热过程，冷却效率高、所需组件少，可以有效降 低整车重量、提高整车比能量及经济性，但技术处于 发展阶段，温控效果仍有待进一步研究［11］。
杨世春等［12］分析了近年来电动汽车直冷系统的 研究进展，认为直冷系统在整车减重、改善温度一致 性等方面具备较大潜力，是未来电动汽车电池热管理 系统可行解决方案之一。M． Al-Zareer 等［13］建立了 基于制冷剂冷却的电池热管理系统模型，利用数值模 拟方法对 5 C 倍率充放电循环和 Artemis 高速公路行 驶循环进行分析，结果表明，与风冷和液冷相比，基于 制冷剂的热管理系统在电池最高温度和最大温差方 面均拥有更好的性能。S． H． Hong 等［14］设计了一种 新型的两相制冷剂直接冷却系统，其在恶劣温度环境 下也能将电池温度控制在 45 ℃ 以内，且电池容量增 加 16. 1%，电 池 内 阻 降 低 15. 0%。Wang Jialiang 等［15］对电池组在不同充电倍率下的温度变化特性进 行仿真分析，发现在较低充电倍率条件下，以温度为 阈值的直冷系统响应较好。Cen Jiwen 等［16］对直冷 回路进行优化，通过增加电子膨胀阀来控制汽车空调 和电池组不同温度需求，结果表明，在 40 ℃高温环境 下，该系统可以很好的控制电池温度并提高电池内部 均温性。上述实验初步表明，设计合理的直冷系统可 以实现对电池温度快速有效控制，提升电池热管理系 统冷却性能。
当前动力电池直冷系统仍处于探索阶段，主要集 中于对系统性能的整体分析，而较少关注不同工况下 气液两相换热对电池局部温控性能的影响。本文将 动力电池直冷系统离散化，通过 AMESim 软件建立电 热耦合模型开展仿真分析，研究 2C 高倍率充电和循 环充放电工况下直冷系统的温度响应，探究汽车制冷 循环条件下气液两相的换热特性对电池局部温度的影响规律，进而提出优化方案改善直冷系统的温控 性能。
1 动力电池直冷系统及模型
1 动力电池制冷剂直接冷却系统
典型的电动汽车电池直冷系统如图 1 所示，在汽 车空调制冷结构的基础上并联一组膨胀阀和蒸发器， 并将此蒸发器设计成直冷板，置于动力电池包中形成 双蒸发器制冷循环。相比电池水冷系统，制冷剂经膨 胀阀 2 节流降压后进入直冷板，通过制冷剂蒸发吸热 与动力电池进行换热，无需进行冷却液的二次换热， 减少了热损失。不同于冷却液的单相换热，制冷剂的 气液相变传热虽然具有较高的传热能力，但其状态极 易受外部条件的影响，蒸发温度和出口过热度需要与 制冷循环相匹配，这就使得直冷板的温度响应依赖制 冷剂的相变传热特性，其影响规律对直冷系统的设计 和运行具有重要意义，需要展开深入的研究。由于本 文旨在分析电池部分的温控性能，故不考虑空调蒸发 器支路，系统状态将以边界条件的形式对电池蒸发器 支路产生影响［17］。
2 几何模型
动力电池直冷系统的结构如图 2 所示，电池模组 由 96 个方型电芯串联而成，并以 4×24 的形式紧密排列置于直冷板之上，制冷剂平行流过直冷板内的 8 个 冷却流道与电池换热。电池模组的整体尺寸为 1 080 mm×500 mm×173 mm，电芯和流道的几何结构参数 如表 1 所示。
研究直冷系统的温控性能，基于 AMESim 平台设 计了电池电流元件用于仿真外部电负荷，并提供制冷 剂在冷凝器出口状态和压缩机入口状态作为边界条 件，结合前述电池组、直冷板、膨胀阀模型搭建了如图 5 所示的动力电池直冷系统仿真模型.
4 工况条件
本文主要研究制冷剂相态变化对直冷系统温控 性能的影响，以两种典型的动力电池仿真工况作为分 析对象: 2 C 快充工况，旨在分析高散热负荷条件下 直冷系统的温控响应特性; 1 C 循环充放电工况，旨 在分析直冷系统在动力电池持续工作工况下的温控 响应特性。仿真工况具体参数如下: 阀前压力 1 500 kPa，阀前过冷度 8 ℃，蒸发压力 300 kPa，出口过热度 5 ℃，初始温度 25 ℃，初始 ξSOC 50，充放电倍率 2 C ( 快充工况) 、5 C( 循环充放电工况) 。考虑到乘员舱空调侧制冷剂状态波动对直冷系统的影响不是本文 的研究重点，故设定阀前和冷板出口制冷剂的状态为 定值，通过热力膨胀阀控制出口过热度干度，自动调 节系统制冷剂流量。
2 模型验证
为验证本文所建立仿真模型的可靠性，修改前述 电池和冷板流道参数，以及冷板进出口工况，与文献 ［14］中的实验工况保持一致，对比电池温控性能进 行验证。固定直冷板入口干度为 0. 2，出口干度为 0. 8 时，电池工作在 2 C 充电工况，对比不同蒸发压 力条件下，电池最大温度和温差的实验数据与仿真数 据，结果如图 6 所示，Tmax为电池单元最高温度( ℃ ) ， ΔT 为电池单元最大温差( ℃ ) ，p 为蒸发压力( kPa) 。由于模型存在部分简化，实验与仿真存在一定误差， 但两者的变化趋势一致，且误差在 5%以内，表明本 文所建立模型具有一定的可靠性。
3 仿真结果与讨论
锂离子电池的性能受温度变化的影响，对运行 温度提出了要求。本文以电池温度和最大温差作 为主要指标分析直冷系统在 2 C 快充工况和 1 C 循 环充放电工况下的温控性能。此外，电池水冷散热 为业界广泛采用的方法，本文以水作为冷却液进行 了参照分析，选取流道入口压力为 102 kPa，入口温 度为25 ℃ ，入口流量为 0. 2 kg /s，冷却工质参数如 表 3 所示。
图 7( a) 所示为 2 C 快充工况下两种冷却系统中 电池的温度和最大温差变化，反映系统在高散热负荷 条件下的温控性能，图中，t 为时间，T 为电池单元温 度。由图 7( a) 可知，随着电池发热量的增加，电池温度不断升高，液冷系统的电池温度最高温度为 44. 1 ℃，最低温度为 41. 2 ℃，最大温差为 2. 9 ℃ ; 直冷系 统的电池单元温度最高温度为 42. 9 ℃，最低温度为 28. 9 ℃，最大温差为 14. 0 ℃。直冷系统最高温度与 液冷系统接近，最低温度比液冷系统低 12. 3 ℃，直冷 系统最大温差高于液冷系统。图 7( b) 所示为 1 C 循 环充放电工况下两种冷却系统中电池的温度和最大 温差变化，反映系统在常规散热负荷条件热平衡状态 下的温控性能。由图 7( b) 可知，当散热负荷与冷却 能力达到平衡状态时，液冷系统电池单元最高温度为 35. 1 ℃，最低温度为 31. 4 ℃，最大温差为 3. 7 ℃ ; 直 冷系统电池单元最高温度为 50. 1 ℃，最低温度为 8. 5 ℃，最大温差达到了 41. 6 ℃。分析电池整体温 控性能指标，直冷系统相比液冷系统并不具备优势， 反而最大温差高于液冷系统。
两种冷却方式中冷却介质和散热机理的不同是 造成温控效果区别的本质原因。水的热容较大且为 单相换热，因此，液冷系统的最高温度和最低温度较 为接近，但单相表面传热系数较差制约了液冷系统在 高热负荷条件下的性能，例如液冷系统在 1 C 循环工况下将电池温度控制在 40 ℃ 以内，但在 2 C 快充工 况下，电池的最高温度则会超过 40 ℃。而对于直冷 系统，制冷剂的两相换热虽然表面传热系数远高于水 的单相换热，但系统受到外部制冷循环的制约，如为 了防止压缩机产生液击现象，制冷剂在出口处需要维 持约 5 ℃的过热度，这使得直冷板中的制冷剂并不全 为具有高表面传热系数的两相换热。此外，直冷板内 制冷剂的蒸发压力需要与空调侧保持一致，一般约为 300 kPa，对应的蒸发温度约为 0 ℃，远远低于液冷系 统入口水温 25 ℃。
为了更进一步分析直冷系统的温控性能，本文利 用离散模型对电池的局部温度分布进行分析。图 8 所示为 2 C 快充工况充电结束时的温度分布。图中， n 为沿制冷剂流动方向电池单元位置。由图 8 可知， 在垂直方向( y 轴) 上电池温度由底部至顶部逐步升 高，而制冷剂的温度最低，且与电池顶部温度相差较 大，使得直冷系统中电池纵向温差增大。沿着流动方 向可以看到，在前 4 个电池单元，电池温度逐渐降低， 这是因为制冷剂由于流动阻力而使蒸发压力逐渐降 低，蒸发温度也逐渐降低。至第 5 和第 6 电池单元 时，温度突然上升，这是因为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，大幅提高了电池的最高温度。
为了更具体地确定制冷剂的状态，定义了广义干度:
图 9 所示为各离散单元制冷剂干度和表面传热 系数沿流动方向的分布。图中，hc 为各单元表面传热系数，W/( m2 ·K) 。由图 9 可知，制冷剂干度在流 道中沿流向逐渐增加，从入口为 0. 3 的气液两相状态 逐渐变为大于 1 的过热状态。对于 2 C 工况，当制冷 剂从两相换热变为单相换热时，表面传热系数降低约 73. 6%，使得对应电池单元温度升高约 12～1 4 ℃。
由图 9 还可知，直冷板流道中过热段的存在严重 增加了电池的最高温度，该段对应的电池存在严重的 热失控风险，制约直冷系统的温控性能。若去除过热 段，则能更好地对比分析水冷和直冷两种方式的温控 性能。图 10( a) 所示为 2 C 快充工况去除过热段的 温度变化。采用直冷系统的电池最高温度远低于液 冷系统，最高温度为 31. 6 ℃，与液冷系统相比降低了 12. 5 ℃，减少 28. 3%; 直冷系统最大温差和液冷系统 接近，且整体低于 5 ℃。图 10( b) 所示为 1 C 循环充 放电工况去除过热段的温度变化。直冷系统的最高 温度最终保持在 9. 8 ℃，最大温差为 1. 4 ℃，最高温 度和温差均低于液冷系统，拥有较好的冷却性能。
不同倍率下电池中部温度分布如图 11 所示。随 着倍率的增加，电池整体温升有所增加，当倍率高于 3 C 时，现有直冷系统难以将电池温度控制在 50 ℃ 以内。制冷剂过热引起的“传热恶化”在低倍率工况 下更显著，由此造成电池温度不均，在不同倍率下均 是直冷系统必须解决的问题。
基于上述分析，直冷系统目前面临两个问题，制 约其对电池的整体温控性能: 1) 制冷剂蒸发温度过 低，使电池垂直方向上的温差增大; 2) 直冷板出口制 冷剂为 过 热 状 态，造成传热恶化使电池温度急剧 升高。
制冷剂温度过低会带来电池垂直方向上温差过 大的问题，两相状态的制冷剂蒸发温度与蒸发压力相关，图 12 所示为不同蒸发压力下的温控性能。由图 12 可知，随着蒸发压力的增加，制冷剂蒸发温度随之提 高，虽然电池最高温度有所提升，但电池的温差减小， 温度均匀性提高。但制冷剂蒸发温度的调节受到整车 制冷系统影响，需要与汽车空调侧蒸发温度保持一致， 因而，实际应用过程中仅靠调节蒸发温度改善电池的 均温性将会影响乘员舱内的热舒适性。
现有直冷系统中，直冷板单侧布置的方式会使与 直冷板接触的电池温度较低，而远离直冷板的电池温 度较高，增大电池温差。由图 7( a) 可知，对于 2 C 快 充工况，直冷板单侧布置直冷系统的最大温差高于 10 ℃ 且最高温度超过 40 ℃，难以满足电池温控要 求。为了解决直冷系统垂直温差过大的问题，采用增 设直冷板两侧布置的方式以减小电池最高温度并缩 小垂直梯度方向上的温差，方案如图 13 所示。
两种直冷板布置方式对应的温控性能对比如图 14 所示。两侧布置方式的电池温度变化规律与单侧布置方式相似，电池单元最高温度为 37. 7 ℃，最大温 差为 3. 3 ℃，最高温度降低了 6. 0 ℃，最大温差减少 了 6. 9 ℃。改进的直冷系统可以将电池温度控制在 较低的范围内，此时电池单元最高温度在 40 ℃内，并 且缩小了最大温差至 5 ℃内，但双侧布置方式并不能 消除过热段的传热恶化。
