動力電池冷卻方式可分為主動冷卻和被動冷卻。被動冷卻是依靠汽車自身的行進(jìn)速度產(chǎn)生自然對流，利用流動空氣對電池冷卻。被動冷卻具有設(shè)備簡單、成本低等優(yōu)勢，但冷卻效率低，電池容易過熱導(dǎo)致安全事故。
主動冷卻是通過設(shè)計(jì)專門的冷卻系統(tǒng)，對電池進(jìn)行冷卻。主動冷卻比被動冷卻具有更高的換熱效率，大致可分為三種方式：1）強(qiáng)制空氣冷卻 ；2）冷卻液間接冷卻；3）制冷劑直接冷卻（以下簡稱制冷劑直冷） 。電池主動冷卻三種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。在電動汽車發(fā)展初期，電池容量小，熱管理系統(tǒng)相對簡單，一般采用自然冷卻或者強(qiáng)制風(fēng)冷。但是高溫環(huán)境或電池高負(fù)荷運(yùn)行工況下，強(qiáng)制風(fēng)冷對電池的冷卻效果不佳，且電池的均溫性較差。因此， 隨著電動汽車可行駛里程的增加，電池容量不斷增加，電池的可靠性要求不斷提高，冷卻液冷卻 方式和制冷劑直接冷卻方式逐漸成為主要的電池冷卻方式 。冷卻液冷卻方式比熱容大、換熱系數(shù)高，滿足不同季節(jié)對電池冷卻或加熱的需求，且滿足多個冷卻部件同時冷卻，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件和連接管路過多，存在冷卻液泄漏導(dǎo)致系統(tǒng)短路的風(fēng)險。制冷劑直接冷卻技術(shù)在簡化系統(tǒng)后還可實(shí)現(xiàn)更高的換熱效率，且安全性高，制冷劑直接冷卻電池優(yōu)勢如下：1）成本低。由于電池冷卻回路中沒有冷卻液，系統(tǒng)中不需要水泵、電池冷卻器、水閥和制冷劑管路等設(shè)備，大大降低系統(tǒng)成本；2）冷卻效率高。相比于冷卻液冷卻，制冷劑直接冷卻去除了中間冷卻液，避免了二次傳熱造成的熱損失，且制冷劑在氣液相變過程中可以吸收更多的熱量，具有更好的冷卻效果；3）冷卻溫度均勻。由于制冷劑在冷卻板內(nèi)的換熱是兩相換熱，溫度和壓力相關(guān)，在有效控制冷卻板沿程壓降和過熱度的情況下，制冷劑直接冷卻可以更好控制電池冷卻板的表面溫度；4）重量輕。沒有了電池冷卻器、水閥、水泵和管路的重量，由于制冷劑處于兩相傳熱過程，相比于冷卻液冷卻，冷卻板的重量和制冷劑的重量可以大大減輕；5）安全性高。制冷劑是電絕緣流體，若系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏，將立即以氣態(tài)蒸發(fā)，而冷卻液泄漏可能會造成電池短路。因此相比于冷卻液，制冷劑具備更高的安全性。
但制冷劑直接冷卻也存在一些技術(shù)難點(diǎn)：1）電池冷卻溫度過低。由于制冷劑直接冷卻板與空調(diào)蒸發(fā)器并聯(lián)，出口同時接入壓縮機(jī)吸氣端。蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度遠(yuǎn)低于電池冷卻需要的冷卻溫度，造成電池的過冷卻。同時，由于冷卻板溫度過低，有可能造成電池包內(nèi)空氣凝露，產(chǎn)生凝結(jié)水，造成電池短路。2）電池均溫性差。盡管兩相傳熱有著均溫?fù)Q熱的優(yōu)點(diǎn)，但由于制冷劑直接冷卻板內(nèi)存在壓降和過熱度，造成電池冷卻板的溫度不均勻，因而影響電池包內(nèi)的溫度均勻性。同時，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于直接冷卻板與蒸發(fā)器并聯(lián)，在負(fù)荷變化過程中，制冷劑在蒸發(fā)器和冷卻板之間 的分配不合理，造成電池包內(nèi)溫度不均勻。為解決上述兩個技術(shù)問題，需要從系統(tǒng)的角度對制冷劑直冷系統(tǒng)和制冷劑的流量進(jìn)行有效控制，達(dá)到理想的動力電池冷卻效果。本文為解決電池制冷劑直接冷卻蒸發(fā)溫度過低和電池均溫性問題，搭建了一套模擬電池直冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，并對動力電池直冷系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化。1.1制冷劑直冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖 1所示為制冷劑直接冷卻時蒸發(fā)器和直冷板的壓焓圖。其中，綠色點(diǎn)劃線為常規(guī)制冷劑直接冷卻時直冷板對應(yīng)的蒸發(fā)過程，紅色加粗線為優(yōu)化系統(tǒng)冷卻時直冷板對應(yīng)的蒸發(fā)過程。由圖可知，優(yōu)化后的直冷系統(tǒng)可改善直冷板的蒸發(fā)溫度和出口過熱度，且不改變蒸發(fā)器的蒸發(fā)過程。為實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)化，本研究在直冷板進(jìn)口和出 口分別接入了可主動調(diào)節(jié)輸入直冷板制冷劑流量的電子膨脹閥和降壓裝置，并與蒸發(fā)器并聯(lián)，對直冷板出口制冷劑進(jìn)行二次節(jié)流，以實(shí)現(xiàn)直冷板蒸發(fā)溫度的控制，優(yōu)化模型如圖2所示。直冷板出口的降壓裝置可以為固定開度或可變開度，通過在直冷板后分別接入固定節(jié)流孔和具備調(diào)節(jié)能力的電子膨脹閥兩種方式，配合入口電子膨脹閥的調(diào)節(jié)，以分析其對直冷板溫度的調(diào)節(jié)能力。1.2制冷劑直冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案圖 3所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，該實(shí)驗(yàn)抽取電池一個模組進(jìn)行冷卻模擬。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、質(zhì)量流量計(jì)、輔助蒸發(fā)系統(tǒng)裝置和電池直冷系統(tǒng)裝置組成。輔助蒸發(fā)系統(tǒng)包括質(zhì)量流量計(jì)1、電子膨脹閥EXV1、蒸發(fā)器；電池直冷系統(tǒng)裝置與輔助蒸發(fā)裝置并聯(lián)，由質(zhì)量流量計(jì)2、電子膨脹閥EXV2、直冷板、電加熱膜、降壓裝置（壓力調(diào)節(jié)閥EXV3或固定節(jié)流孔）組成。EXV2作為可主動調(diào)節(jié)輸入直冷板制冷劑流量的電子膨脹閥安裝于直冷板前，降壓裝置安裝于直冷板后。實(shí)驗(yàn)臺架如圖4（a）所示，直冷板直接與加熱膜接觸，利用制冷劑對加 熱膜進(jìn)行直接冷卻。在加熱膜表面布置了溫度傳感器，傳感器分布如圖 4（b）所示。為便于控制和測量，直冷系統(tǒng)中的電池用電加熱膜模擬，即通過穩(wěn)壓源來調(diào)節(jié)電加熱膜的功率模擬電池的發(fā)熱。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究直冷板后降壓裝置對直冷板出口壓力的調(diào)節(jié)作用，以及對直冷板均溫性的改善效果。輔助蒸發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，壓縮機(jī)吸氣壓力穩(wěn)定為 0.35MPa。調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源，設(shè)定不同的電加熱膜熱負(fù)荷工況，當(dāng)電加熱膜溫度超過38℃時，打開電池側(cè)直冷系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥EXV2和降壓裝置開度使降壓裝置出口過熱度達(dá)到預(yù)定目標(biāo)值5K。分析不同工況下直冷板出口壓力以及直冷板出口的過熱度變化趨勢，以表明在直冷板后接入降壓裝置的控制方案的可行性。實(shí)驗(yàn)主要測量參數(shù)為過熱度和壓力，過熱度包括蒸發(fā)器出口過熱度、直冷板出口過熱度、降壓裝置出口過熱度，壓力包括直冷板出口壓力、壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力、降壓裝置出口壓力。其中， 溫度傳感器測試精度為±0.5℃，壓力傳感器的測試精度為2.5級。電子膨脹閥EXV2和壓力調(diào)節(jié)閥EXV3全開步數(shù)為576步，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為R134a。實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)直冷板前后的電子膨脹閥和降壓裝置來控制直冷板的蒸發(fā)溫度，并改善直冷板的均溫性。固定開度的直冷板出口降壓裝置可以是固定開度的壓力調(diào)節(jié)閥或者是固定節(jié)流孔裝置。本實(shí)驗(yàn)采用固定開度的壓力調(diào)節(jié)閥 EXV3和固定節(jié)流孔裝置兩種方案，對制冷劑直冷系統(tǒng)性能進(jìn)行研究。在固定開度壓力調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)中，壓力調(diào)節(jié)閥開度保持在31.3%。調(diào)節(jié)電加熱膜功率為500W、600W、700W、800W。通過PID控制 方式調(diào)節(jié) EXV2以調(diào)整降壓裝置出口過熱度為5K。其中EXV2口徑為1.0mm，壓力調(diào)節(jié)閥口徑為2.5mm。圖5所示為直冷板制冷劑流量、直冷板系統(tǒng)焓差隨電加熱膜熱負(fù)荷的變化趨勢，以及電子膨脹閥EXV2開度對制冷劑流量和直冷板出口壓力的影響。直冷板系統(tǒng)焓差為壓力調(diào)節(jié)閥出口焓值與電子膨脹閥EXV2的出口焓值之差。隨著電加熱膜熱負(fù)荷的增加，為保證直冷板 出口過熱度在合適范圍內(nèi)，因此通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥EXV2的開度來增加直冷板的制冷劑流量，以滿足系統(tǒng)換熱量要求。而系統(tǒng)焓差主要由降壓裝置出口和冷凝器出口狀態(tài)參數(shù)決定，在不同電加熱膜熱負(fù)荷下最大波動不超過3kJ/kg。因此換熱量的增加主要受制冷劑流量變化影響，由圖5(a)可知，制冷劑流量與熱負(fù)荷呈線性關(guān)系變化。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，增加電子膨脹閥EXV2開度會直接影響直冷板出口壓力，直冷板內(nèi)壓力隨著電子膨脹閥EXV2開度的增加而增加。由于直冷板內(nèi)是兩相換 熱過程，直冷板蒸發(fā)溫度隨著冷板出口 壓力的增加而升高，蒸發(fā)溫度的改變會直接影響電池溫度。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，電池溫度需要控制在合適的范圍內(nèi)（一般為 20~30℃之間），以保證汽車的安全行駛。圖6所示為固定開度的節(jié)流閥和固定節(jié)流孔實(shí)驗(yàn)中直冷板表面溫度和直冷板內(nèi)壓力隨加熱膜熱負(fù)荷的變化。其中，Tavg為電加熱膜監(jiān)測點(diǎn)平均溫度；Pout為直冷板出口壓力；La&Db為長度amm，內(nèi)徑bmm的固定節(jié)流孔；V31.3%表示使用固定開度為31.3%的壓力調(diào)節(jié)閥。由圖可知，直冷板出口壓力隨著電加熱膜熱負(fù)荷增加而增加，直冷板蒸發(fā)溫度也隨之增加，導(dǎo)致電加熱膜平均溫度在700W時已達(dá)到40℃。因此，直冷板后使用固定開 度的降壓裝置對電加熱膜溫度（即直冷板表面溫度）的控制能力有限。表 1為限制電加熱膜平均溫度小于40℃，直冷板蒸發(fā)溫度大于15℃時，使用固定開度的降壓裝置可控制的熱負(fù)荷范圍。使用固定開度的降壓裝置可以控制的熱負(fù)荷范圍較小，而電池在不同工況運(yùn)行時的熱負(fù)荷變化范圍較大。從直冷板溫度控制的角度看，當(dāng)負(fù)荷變化時，直冷板出 口采用固定開度降壓裝置可以提高直冷板的蒸發(fā)溫度，但是在熱負(fù)荷變化時不能很好地控制電池溫度。熱負(fù)荷過低時，直冷板蒸發(fā)溫度會低于 15℃，導(dǎo)致電池過冷卻。熱負(fù)荷過高時，直冷板蒸發(fā)溫度偏高導(dǎo)致電池溫度高于40℃。電池溫度過低、過高均會影響電池的循環(huán)壽命。2.2可調(diào)節(jié)降壓裝置開度的系統(tǒng)性能分析實(shí)驗(yàn)使用可調(diào)節(jié)開度的壓力調(diào)節(jié)閥 EXV3測試不同降壓裝置開度對系統(tǒng)性能的影響。設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥EXV3開度為26.0%、29.5%、31.3%，通過穩(wěn)壓源調(diào)節(jié)電加熱膜功率為400W、500W、600W、700W。該工況下，EXV2和壓力調(diào)節(jié)閥的開度通過手動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差較PID控制偏大。其中EXV2口徑為1.2mm，壓力調(diào)節(jié)閥口徑為2.5mm。圖7所示為不同壓力調(diào)節(jié)閥開度下，直冷板出口壓力、直冷板制冷劑流量和電子膨脹閥EXV2開度隨加熱膜熱負(fù)荷的變化。結(jié)果表明，相 同的壓力調(diào)節(jié)閥開度下，直冷板出口壓力、 EXV2開度和制冷劑流量均隨著電加熱膜熱負(fù)荷的增加而增加。在相同的電加熱膜熱負(fù)荷下，直冷板出口壓力隨著壓力調(diào)節(jié)閥開度的增加而減小，而直冷板內(nèi)制冷劑流量幾乎不受壓力調(diào)節(jié)閥開度變化的影響，相同電加熱膜熱負(fù)荷下，流量最大偏差小于5%。其中，流量偏差=相同熱負(fù)荷對應(yīng)的流量最大值與流量最小值之 差 /流量最小值。EXV2作為調(diào)節(jié)直冷板的制冷劑流量的主要裝置，開度也幾乎不受壓力調(diào)節(jié)閥的影響。
根據(jù)直冷板出口壓力隨壓力調(diào)節(jié)閥開度增加而減小這一特性，通過實(shí)驗(yàn)測試不同熱負(fù)荷下壓力調(diào)節(jié)閥對直冷板出口壓力的調(diào)節(jié)能力。實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)電加熱膜功率為 500W、600W、700W、800W，控制電加熱膜監(jiān)測點(diǎn)最高溫度不超過45℃。通過PID控制方式調(diào)節(jié)電子膨脹閥EXV2和壓力調(diào)節(jié)閥的開度。其中EXV2口徑為1.0mm，壓力調(diào)節(jié)閥口徑為2.5mm。直冷板出口壓力目 標(biāo)值為 0.6MPa。圖8所示為直冷板制冷劑流量、直冷板系統(tǒng)焓差、直冷板出口壓力、壓力調(diào)節(jié)閥開度和電子膨脹閥EXV2開度隨電加熱膜熱負(fù)荷的變化趨勢。由圖 8可知，隨著電加熱膜熱負(fù)荷的增加，為了保證直冷板出口過熱度在合適的范圍內(nèi)，通過增加電子膨脹閥EXV2的開度來增加直冷板的制冷劑流量，以滿足系統(tǒng)換熱量要求。由2.1節(jié)圖5分析可知，增加EXV2開度會導(dǎo)致直冷板出口壓力增加。而由2.2節(jié)圖7可知增加壓力調(diào)節(jié)閥開度可以減小直冷板出口壓力，且對直冷板制冷劑流量影響極小。利用EXV2和壓力調(diào)節(jié)閥對直冷板出口壓力的調(diào)節(jié)特性，可以將直冷板出口壓力控制在一個穩(wěn)定的目標(biāo)值。如圖8(b)所示，EXV2增加的同時，增大壓力調(diào)節(jié)閥的開度，可以將直冷板出口壓力控制在一個穩(wěn)定的值0.6MPa。從直冷板溫度控制的角度看，針對不同的電池負(fù)荷，通過直冷板后的可調(diào)節(jié)降壓裝置控制直冷板出口壓力，可以提高直冷板的蒸發(fā)溫度，將電池運(yùn)行溫度控制在合適的范圍內(nèi)。由上述分析可知直冷板后使用降壓裝置可以提高直冷板出口壓力，根據(jù)降壓裝置等焓節(jié)流的特性，恒定壓力調(diào)節(jié)閥出口壓力和過熱度為定值，直冷板出口過熱度隨著蒸發(fā)壓力的提高而減小，直至兩相區(qū)。如圖 9所示，hv.out為壓力調(diào)節(jié)閥出口焓值。表2為壓力調(diào)節(jié)閥固定開度和調(diào)節(jié)開度時不同熱負(fù)荷工況對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。控制壓力調(diào)節(jié)閥出口壓力為0.35MPa，過熱度為5K，通過等焓節(jié)流理論計(jì)算直冷板出口過熱度。計(jì)算結(jié)果表明，直冷板出口過熱度隨著蒸發(fā)壓力的升高而減小，當(dāng)直冷板出口壓力為0.6MPa時，直冷板出口制 冷劑處于兩相狀態(tài)。由表 2可知，直冷板后使用降壓裝置不僅能提高直冷板出口壓力，還可以減小直冷板出口過熱度。因此減小因制冷劑過熱而產(chǎn)生的直冷板溫差，從而改善直冷板均溫性。隨著直冷板出口壓力的升高，直冷板出口過熱度越小，冷板均溫性越好。從電池?zé)峁芾斫嵌确治?，在保證電池運(yùn)行溫度的前提下，利用直冷板后降壓裝置可以將直冷板出口過熱度控制在一個較小的范圍內(nèi)，減小直冷板出口過熱度造成的換熱溫差，通過改善直冷板均溫性來改善電池的均溫性。由數(shù)據(jù)可知，使用固定開度調(diào)節(jié)閥時，直冷板出口壓力隨著熱負(fù)荷增加而增加。而相較于固定開度的調(diào)節(jié)方式，可調(diào)節(jié)開度的壓力調(diào)節(jié)閥可以將直冷板出口壓力控制在一個目標(biāo)值，在電池?zé)峁芾響?yīng)用中可以更好的控制電池的運(yùn)行溫度。本文對電動汽車電池制冷劑直冷系統(tǒng)方案進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一套模擬電池制冷劑直冷的系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)對制冷劑直冷系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行了研究，分析了在直冷板后增加一個降壓裝置后對直冷板溫度調(diào)節(jié)的可行性。得出如下結(jié)論：1）在直冷板前和直冷板后分別接入可主動調(diào)節(jié)輸入直冷板制冷劑流量的電子膨脹閥和可調(diào)節(jié)開度的降壓裝置（固定節(jié)流孔裝置或可調(diào)節(jié)開度壓力調(diào)節(jié)閥），可以改變直冷板的出口壓力，減小直冷板出口過熱度，從而提升電池冷卻的蒸發(fā)溫度，并改善直冷方式的均溫性。2）在直冷板后使用固定開度降壓裝置時， 冷板出口壓力會隨著熱負(fù)荷的動態(tài)變化而改變。熱負(fù)荷過低時，直冷板蒸發(fā)溫度會低于 15℃，導(dǎo)致電池過冷卻。熱負(fù)荷過高時，直冷板蒸發(fā)溫度偏高導(dǎo)致電池溫度高于40℃。溫度過高過低均會影響電池的循環(huán)壽命。因而在熱負(fù)荷變化時，固定開度的降壓裝置方案不能控制電池的溫度在合適的范圍內(nèi)。3）在直冷板后使用可調(diào)節(jié)開度的降壓裝置時，可以實(shí)現(xiàn)控制直冷板蒸發(fā)壓力到設(shè)定的目標(biāo)值，根據(jù)電池的需求對蒸發(fā)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，文中直冷板壓力目標(biāo)值設(shè)定為0.6MPa。4）相較于直冷板后使用固定開度降壓裝置的調(diào)節(jié)方式，可調(diào)節(jié)開度降壓裝置的方案可以根據(jù)電池的運(yùn)行熱負(fù)荷調(diào)整直冷板的蒸發(fā)壓力到合適的目標(biāo)值，既能避免直冷板的蒸發(fā)溫度過低，又能改善均溫性，以取得較佳的電池冷卻效果。
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