直冷设计分享 | 基于二次节流的电池直冷系统设计与分析-AMESIM

电动汽车动力电池需要工作在合适的温度以实现整车的安全运行，良好的电池热管理可以带走充放电产生的热量，使电池处于最佳工作温度范围。直冷系统直接将制冷剂通入电池直冷板，与电池以相变传热的方式进行热交换，具有换热能力强、冷却效率高的优点，是热管理研究热点之一。

聂磊等人设计了蜂窝型单面吹胀铝板作为电池冷板并在UDDS工况下进行实验研究，结果表明，在设计发热量下直冷系统具有较快的温度响应特性。曾俊雄等人采用数值模拟的方法对比分析了液冷和直冷系统在不同工况下的冷却性能，直冷系统具有较低的冷板温度和较高的换热能力，能够有效降低电池温度。Shen等人提出一种优先考虑电池温降和均温性的控制策略，发现直冷系统在不同温度条件下均能够有效控制电池温度和最大温差，使电池平均温度维持在 25 ℃左右。-公众号-新能源电池热管理-Hong等人    在相同工况下对比直冷系统和液冷系统温控性能的差异，直冷系统在恶劣的温度环境下也能将电池温度控制在45 ℃以内，表明制冷剂的相变换热能力远大于冷却液的换热能力，但是冷板出口处过热气态制冷剂的换热能力急剧恶化，使得对应电池温度远高于其他位置，造成温度分布不均。

上述研究表明，直接将空调系统蒸发器用作直冷板的方式会带来制冷剂过热造成的传热恶化，形成局部热点，难以满足动力电池温度均匀性的温控目标。本文提出双节流直冷系统，通过在直冷板后面增加二次节流装置来改善制冷剂在系统内的相态分布，消除冷板内制冷剂过热区，从而在满足压缩机入口过热度要求的同时提升直冷系统温控性能，研究并分析了开度固定和开度可调节两种二次节流方案在不同运行工况下的温控性能。

图1为直冷系统的压焓图( P － h) ，传统直冷系统直冷板中制冷剂蒸发过程为“4 － 3”，出口存在过热区，造成冷板表面温度分布不均，并且较低的蒸发温度也会

本文在直冷板后增设节流装置构成如图 2 所示的双节流直冷系统，制冷剂状态点变为如图1中“0 － 1 － 2 － 3”所示，其中“0 － 1”为板前节流过程，“1 － 2”为板内蒸发过程，“2 － 3”为板后二次节流过程，电子膨胀阀 EXV1、EXV2分别控制进入空调蒸发器和直冷板的制冷剂流量。-公众号-新能源电池热管理-通过合理设计二次节流装置，可以实现直冷板内全部为气液两相传热，而压缩机入口处满足过热度要求，同时蒸发温度有所提高，减少电池垂直方向的温差，提高系统温控性能。

二次节流装置的合理设计是实现双节流直冷系统设计目标的关键，常见的节流装置包括: ( 1)开度固定节流装置，如毛细管、节流孔板、喷嘴等;( 2) 开度可调节流装置，如热力膨胀阀、电子膨胀阀等。-公众号-新能源电池热管理-本文以节流孔板、电子膨胀阀为各自设计方案，研究不同充电倍率工况、New EuropeanDriving Cycle( NEDC) 行驶工况下系统的温控性能，整体研究思路如图 3 所示。

方形电芯以 4 × 24 形式置于在直冷板之上，串联方式连接，制冷剂通过8条平行直流道与电池换热，主要参数如表1所示。

膨胀阀模型

电子膨胀阀依据控制信号采用步进电机控制阀门的开度来调节流量，其流量特性如下:

直冷板换热模型

在直冷板内部流道进行动态流量计算，制冷剂与流道壁的对流换热计算如下:

直流道内采用单元离散化建模，制冷剂在直流道中压 降和传热系数通过文献关联式计算。图4为直冷板换热器单元离散化模型。图中ρin为单元内制冷剂密度，kg /m3; Pin为单元内制冷剂压力，kPa。

电池热电耦合模型

动力电池进行充放电时，会产生大量的热导致电池温度升高，其内部热量的产生、积累和传递满足能量守恒定律。图 5 为电芯等效电路模型，采用电容、电阻、电压源构建电路关系描述电气特性。-公众号-新能源电池热管理-图中 SOC 为电池荷电状态，UOCV ( SOC) 为不同温度下的电池开路电压随 SOC 的实验关联式，V; Ｒ0为欧姆内阻，Ω; Ｒ1为极化内阻，Ω; C1为极化电容，F; 均是关于 SOC 和电池温度的函数; I 为电池充放电电流，A; U 为电池端电压，V; 下标 1 为对应电容电阻的两端电压。热电模型相关计算如表 2 所示，首先由电参数根据产热方程计算热源，然后计算能量守恒方程获得各部分温度分布，随后依据等效电路方程更新电学参数，从而实现电池热电耦合计算。

不同倍率充电工况下电池温升变化的实验数据对比验证电池等效电路模型的准确性。图 6 为不同充电倍率下的电池温度特性。图中 Tavg为电池平均温度，℃ ; η 为相对误差。在 1C 和 2C 充电倍率下，模型与实验之间的电池温度相对误差在 5% 以内，电池模型可用于后续的双节流直冷系统的仿真研究。

电池模组需要进行离散化以获得温度分布，参照之前的研究模型，直冷板可简化为一维直流道，沿制冷剂流动方向将电池芯体分为6个单元模组，以1∶5∶6∶6∶5∶1进行排布，在电池组下方铺设直冷板，如图 7( a) 所示。仿真模型参数传递流程如图 7 ( b) 所示。图中，Tamb 为环境温度，Tbat为电池温度，℃。在耦合模型中，同时考虑了4个主要参数( UOCV、Ｒ0、Ｒ1、C1 ) 的热电效应，其中等效电路模型计算了端电压( U) 和 SOC，热模型描述了电池温度。

动力电池双节流直冷系统仿真模型如图8所示。-公众号-新能源电池热管理-系统主要由电池模组、直冷板、板前电子膨胀阀、板后二次节流装置以及相应控制信号组成，板前节流阀入口和板后二次节流装置出口参数采用边界条件方式给定。

板前电子膨胀阀主要用于实现压缩机入口过热度的控制，将过热度与目标过热度的差值作为反馈信号传给PID 控制器，进而控制板前电子膨胀阀开度实现控制目标; 板后开度可调节二次节流阀主要用于消除直冷板内的过热区域，以直冷板出口干度和目标干度的差值为反馈信号传给PID控制器，进而控制板后二次节流阀实现控制目标，最终实现如图 1所示的设计目标，控制方案如图 9 所示。膨胀阀开度输出和误差计算如下：

冷凝器出口和压缩机入口处边界条件具体参数如表 3 所示，电池初始温度和环境温度相同，忽略风速的影响。

孔板直径是方案的设计核心，为了与下文开度可调节方案相统一，此处定义孔板的开度为:

首先以 2C 充电倍率为设计工况，分析不同开度下系统的温控特性以确定孔板开度。-公众号-新能源电池热管理-图 10为电池平均温度、最大温差和出口干度在不同固定开度下的变化趋势。对于特定的设计工况，电池的产热负荷固定不变，因而直冷板内制冷剂流量近似不变，随着开度的增大，图 1 中“2 － 3”的二次节流压降减小，会使得直冷板内蒸发压力减小，出口干度增加。从图 10 中可以看到，随着开度的增加，由于蒸发温度降低，电池平均温度减小; 干度逐渐增加，制冷剂从气液两相状态变为过热状态。当开度大于 0.35 时，出口干度大于 1，直冷板内发生过热，电池最大温差显著增大。电池的温度和电池的最大温差随开度的变化互相制约，此处选择 0.2 作为该工况下的设计开度，此时出口干度约为 0.99。

实际使用过程中工况动态变化，需要评估依据特定工况设计的孔板开度是否适用其他工况。-公众号-新能源电池热管理-图 11 为不同充电倍率工况下的电池最高/低温度和最大温差的变化情况。当充电倍率小于设计工况时，虽然电池单元最高温度和最低温度均处于较低值，但是温差较大，当充电倍率为 0． 5C 时，偏差达到 18 ℃，其原因在于，当产热量较小时，板前电子膨胀阀减小直冷板内制冷剂流量，此时图1 中二次节流压降降低至“5 － 3”，直冷板处制冷剂变为过热状态，系统并未消除过热区域; 当充电倍率大于设计工况时，电池单元最值温度几乎相同，产生的最大温差小于 5 ℃，但是电池单元温度逐渐升高，其原因在于，当产热量较大时，制冷剂流量增加，图 1 中二次节流压降增加至“7 － 3”，此时直冷板内制冷剂仍为两相状态但蒸发压力增加，使得制冷剂温度升高。

开度可调节电子膨胀阀方案

NEDC 行驶工况的测试

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