导读
Reading guide
动力电池包的直冷技术具有冷却效率高、系统紧凑且不存在短路隐患等的优点，正在得到越来越广泛的关注。然而直冷技术的复杂性对仿真也带来了新的挑战：电池包内剧烈的相变过程、电芯内部温差大、与HVAC控制策略高度集成。
纯电动车用锂电池的最佳温度范围20～30℃之间。高温（45℃以上）会加速电池老化，也会增大热安全风险。而低温（0℃以下）会限制电池包充放电性能，也会增大析锂的风险。故电池包的热管理极为重要。
当前热泵空调系统加电池包的液冷系统已经成为电动车热管理的主流方案。液冷技术具有冷却速度快的优点，但液冷系统由于二次冷却液循环，导致其组件多、成本高且存在泄露风险。正因为此，直冷技术正得到越来越多的关注，直冷技术省去了二次冷却液循环，用制冷剂的沸腾传热代替冷却液的单相换热进行电池冷却，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。但直冷技术的控制系统更为复杂。
在仿真方面，直冷技术也带来了新的挑战。这些挑战主要集中在3个方面：电池包内剧烈的相变过程、电芯内部温差大（要求高分辨率的模型）、需要与HVAC的控制策略高度集成。
01
直冷电池包的仿真目前主要有2种方法。
系统仿真方法——将电芯分为多个热节点
将电芯切割为多节点
系统仿真被很多研究者和工程师采用。由于直冷中电芯内部的温度差异很大，故将电芯作为单个热节点的方法并不合适，故在系统仿真中多将电芯切割为多个热节点，以考虑电芯内部粗略的温度差异。该方法计算速度快，可集成HVAC控制策略，但模型分辨率仍然很低。
三维CFD 方法
直冷电芯的温度分布
02
电池包模型
03
不同充电倍率下的电芯温度
采用给定边界的电池包模型（未与HVAC系统集成）。环境温度43℃，给定制冷剂流量0.05kg/s，进口干度0.3，出口压力为3bar。电池进行1/2/3C充电，SOC充电窗口为0.3-0.8。下图分别为位于模组中间的单体在不同充电倍率下的温度分布。
1C/2C/3C充电倍率下的电芯温度分布
下图为该单体的局部最大温度的变化
单体内部1C/2C/3C充电倍率下的局部最大温度
下图为该单体的局部最小温度的变化
单体内部1C/2C/3C充电倍率下的局部最小温度
下图为电池包内所有单体在1C倍率下的局部最大温度的变化
所有电芯在1C倍率下的局部最大温度
不同电池包出口过热度的影响
将电池包模型与HVAC系统集成。，考察电池包出口不同的目标过热度（1/2/3℃）对结果的影响。环境温度43℃，冷凝器进风风速为5m/s且进风温度43摄氏度，电池进行1C的放电。下图为电池包出口不同目标过热度时压缩机的转速。从图中可以看出压缩机开关频繁。目标过热度越大，流经电池包的流量越小，导致空调系统的压力越高，进而不断触发压力开关。
不同目标过热度下的压缩机转速
下图为电池包出口不同目标过热度时乘员舱的平均温度。从图中可以看出电池包的冷却对乘员舱温度造成了较为明显的影响。
不同目标过热度下的乘员舱平均温度
话不多说，直接上图：
