摘要： 動(dòng)力電池使用制冷劑直接冷卻具有成本低、冷卻效率高、重量輕、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，但存在蒸發(fā)溫度過低和電池冷卻溫度不均的問題。本文通過實(shí)驗(yàn)研究了直冷板后二次節(jié)流對(duì)直冷板溫度調(diào)節(jié)的有效性。結(jié)果表明：在直冷板后接入降壓裝置（固定節(jié)流孔裝置或可調(diào)
摘要： 動(dòng)力電池使用制冷劑直接冷卻具有成本低、冷卻效率高、重量輕、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，但存在蒸發(fā)溫度過低和電池冷卻溫度不均的問題。本文通過實(shí)驗(yàn)研究了直冷板后二次節(jié)流對(duì)直冷板溫度調(diào)節(jié)的有效性。結(jié)果表明：在直冷板后接入降壓裝置（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，從而提升直冷板的蒸發(fā)溫度，并改善制冷劑直冷方式的均溫性；但固定開度的降壓裝置無法主動(dòng)調(diào)節(jié)直冷板出口壓力，直冷板出口壓力隨著熱負(fù)荷增加而增加，因此在熱負(fù)荷變化時(shí)較難控制電池溫度在合適的范圍內(nèi)；而 可變開度的降壓裝置可以根據(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，又能改善直冷板的均溫性，以取得較佳的電池冷卻效果 。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；動(dòng)力電池；制冷劑直接冷卻；降壓裝置
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(duì)電池冷卻或加熱的需求，且滿足多個(gè)冷卻部件同時(shí)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(xiǎn)。 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(shì)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(huì)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。
同時(shí)， 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 [19]。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(shí)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(shí)，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 [20]。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(shí)，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(gè)技術(shù)問題，需要從系統(tǒng)的角度對(duì)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(dòng)力電池冷卻效 果 ?！厩把圆糠致杂芯啞?/section>1 制冷劑直冷系統(tǒng)測(cè)試 —————————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(tái)，并對(duì)動(dòng)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(shí)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(shí)直冷板對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)過程，紅色加粗線為優(yōu)化系統(tǒng)冷卻時(shí)直冷板對(duì)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。
圖 1 制冷劑直接冷卻系統(tǒng)的循環(huán) log p-h 圖為實(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(dòng)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(duì)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(duì)直冷板溫度的調(diào)節(jié)能力。
圖 2 動(dòng)力電池直冷系統(tǒng)優(yōu)化模型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(gè)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(dòng)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(tái)架如圖 4 （ a ）所示，直冷板直接與加熱膜接觸，利用制冷劑對(duì)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(cè)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。
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[21]），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(cè)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 700 W 時(shí)已達(dá)到 40 ℃。因此，直冷板后使用固定開度的降壓裝置對(duì)電加熱膜溫度（即直冷板表面溫度）的控制能力有限。
圖 6 直冷板出口壓力和加熱膜監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均溫度隨著電加熱膜熱負(fù)荷的變化表 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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)不能很好地控制電池溫度 。 熱負(fù)荷過低時(shí)，直冷板蒸發(fā)溫度會(huì)低于15℃，導(dǎo)致電池過冷卻 。 熱負(fù)荷過高時(shí)，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(huì)影響電池的循環(huán)壽命。
————————————————————————————來源|制冷學(xué)報(bào)2021-02-25
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