技术贴 | AVL CRUISE M 电池冷媒直冷解决方案

Author:荆鹏

E-mail:cruise_support_china@avl.com

引言

新能源汽车中锂电池的性能、寿命与工作环境有紧密的联系，温度是其中较为关键的影响因素之一。目前市面上对于电池的冷却形式多种多样，按冷却介质不同主要可以分为风冷冷却、液冷冷却、相变冷却以及直冷冷却。

其中直冷冷却，又称为制冷剂直接冷却或冷媒直冷，可以将电池冷却系统和汽车空调系统直接结合在一起，直接将制冷剂回路中的一个蒸发器用作电池的直冷板，可以有效降低系统复杂度，因而冷媒直冷是目前具有良好发展前景的冷却方法，已逐步在市场一些量产产品上可以看到应用。例如比亚迪海鸥、海豚等e3.0平台产品，宝马混动系列的i5，都可以看到冷媒直冷的身影。随着电池能量密度、快充功率要求越来越高，冷媒直冷以其自身具有的体积重量、制冷速度和性能等优势，可能会普及到更多车型。

图1 比亚迪海鸥（图源水印）

冷媒直冷的特点

相比于更为成熟的风冷、液冷，直冷冷却有许多自身特有的优点和缺点，是汽车/电池热管理设计人员所需要注意的问题。与目前应用最为广泛的液冷冷却相比，直冷具有以下特点：

• 冷却速度快。相比传统的液冷冷却或冷却液冷却，直冷减少了换热损失，传热响应快。如图2(a)和图2(b)所示，可以看到直冷冷却少了制冷剂与冷却液的二次换热过程，采用制冷剂直接冷却电池，因此相对而言冷却高效迅速。

图2(a)直冷冷却系统和(b)液冷冷却系统

• 系统复杂度降低且更加紧凑。从图2也可以看出，采用冷媒直冷，减少了一套电池支路的零部件，减少了电池水泵、管道和chiller的空间占用，电池冷却不再依赖冷却液而是制冷剂，也可以减少冷却液的灌注量，因此整车热管理设计在成本和重量上也更有优势。

• 安全性高。相比于冷却液而言，制冷剂在泄露后会迅速汽化，对电气元件影响小，不会导致电气短路等问题。

那么除了上述优点，直冷冷却就没有缺点了吗？答案是否定的，甘蔗没有两头甜，直冷冷却也有其自身的局限性，限制了其大范围应用。目前设计中碰到的问题常有如下一些：

• 系统密封性问题。在汽车制冷剂系统中，蒸发压力一般在2~4bar左右（即2~4个大气压），因此相比于液冷系统，制冷剂防泄漏要求会很高，对整个回路的密封性要求也会很高。

• 温度均匀性差。相比于液冷冷却，由于涉及相变，蒸发器中制冷剂分布不均匀会导致蒸发器中温差很大，电池的直冷板就相当于一个蒸发器，如果制冷剂在其中全程都有相变，那么直冷板的冷却温度会很均匀，即等于制冷剂的蒸发温度；但是对于较大的电池包，直冷板流程较长，制冷剂可能存在全部汽化，而仅通过显热冷却电池，这种情况下冷板的均匀性会变得非常差。对于较大的电池包而言，需要尽可能保证电池温度的均匀，直冷板温度的不均匀性会给设计带来很大的挑战。

• 工作温度范围受限，热泵模式受限。通常在制冷系统中，压缩机排气温度较高，制冷剂温度一般在60~80℃左右甚至更高，这个冷凝温度高于电池的适宜温度区间。另外，以用得较多的制冷剂R134a为例，制热的极限是零下十多度的场景，温度再低热泵无法正常工作，可能需要额外添加PTC加热等方法，系统综合成本优势不大。

• 系统回油问题。电池直冷板并联在制冷剂系统中，并且直冷板为了均匀性和散热效果，通常设计的流程较长，有可能导致压缩机润滑油积存其中，使压缩机回油困难，导致压缩机磨损，如图3所示。

图3 压缩机缺油磨损[1]

直冷设计要点及解决方案

根据直冷冷却的特点，不难看出直冷设计相比于风冷和液冷冷却有所不同，设计上可参考的成熟方案也较少，因此现阶段的设计需要额外注意。以下设计要点是热管理工作中所要注意的：

• 系统部件的匹配，需要合理的设计压缩机、直冷板、蒸发器和冷凝器的工作状态，以达到合理的性能匹配，既满足电池热管理目标，又尽量使系统能耗低，同时尽可能减少冗余设计量，以实现成本的优势。

• 冷却温度的合理设计，直冷系统冷却性能好，需要合理优化冷却效果，防止冷却温度过低导致电池包凝露，影响电气安全。

• 电池包温差控制，直冷板温度均匀性优化。直冷板冷却功率密度高，优化直冷板流程、压降等参数，防止电池包自身温差过大。

• 冷媒均匀性分配，冷媒在直冷板沿程分布会显著影响冷却效果、温度均匀性，如何确保冷媒均匀性分配是设计的难点。

• 加热能力不足，热泵模式受限，可能需要结合PTC加热，热管理性能匹配设计要考虑到。

• 蒸发压力的计算，受限于系统密封性要求，需要合理确定蒸发压力和直冷板工作状态。

上述的设计要点较多，采用仿真的方法可以快速设计、验证和优化。AVL CRUISE M中含有丰富的两相流和电池模型，可以实现上述的电池冷媒直冷的仿真分析。

通过AVL CRUISE M搭建的电池冷媒直冷模型，可以研究系统性能匹配、制冷剂沿程干度对温度均匀性的影响、电池充放电热管理表现、冷板流道设计对热管理影响和制冷剂回路控制策略等课题。

图4 AVL CRUISE M电池冷媒直冷仿真模型（示例）

AVL CRUISE M 冷媒直冷仿真分析

通过AVL CRUISE M的后处理，可以得到多方面的分析结果，为设计提供参考。

图5 电池温度云图分布

如上图所示，AVL CRUISE M独有的电池热网络细化功能，使用户通过简单设置即可划分得到热网络模型，而无需手动搭建热质量块连接成热网络，涵盖了电芯到模组到Pack各个层级，并且在后处理中可以直接映射生成三维云图，得到类似于三维CFD仿真的后处理结果。用户可以清晰直观地看到电芯温度分布结果，同时过程中却不需要传统CFD复杂的前处理、网格划分等操作。

图6 电池最高最低温

图7 电池的(a)充电量和SOC，(b)充电功率和损耗功率

除了电池的温度信息，用户还可以在后处理中得到电池充放电过程中电信号，例如内阻的变化、功率损耗、电压、SOC和充电量等，可以获取每一个电芯的信号，也可以获取整个模组或Pack的信号。在本示例模型中，电芯的充电电流给的恒定值，实际仿真中需要考虑温度、析锂保护等对充电电流的影响，同时电流的大小会影响电芯产热，进而影响温度，因此热管理温度与电流是相互作用的，这一系列限制、控制策略也可以在AVL CRUISE M中实现。

图8 冷媒回路(a)压焓图，(b)压缩机进出口压力和转速

制冷剂回路，在AVL CRUISE M中也称VLE回路（Vapor liquid equilibrium，即冷媒回路）。后处理可以直接得到压焓图，通过压焓图可以清晰地了解回路内各部件工作状态，有助于系统性能设计和匹配，可以直观地了解电池直冷板进出口状态，指导热管理设计。AVL CRUISE M对于两相流有着丰富的计算经验和处理方法，并且在近几个版本中对于两相流计算速度和求解鲁棒性都有明显的增强。

图9 (a)直冷板进出口压力、温度，(b)直冷板进出口干度

对于电池直冷板或冷却管道，可以通过制冷剂的进出口压力、温度、干度、流速、焓值等信息了解制冷剂的沿程变化，合理规划设计直冷板进口流量、焓值和干度，以保证电池工作在适宜的温度区间。

之前前文提到，直冷的不均匀性可能会导致电池温度均匀性差异很大，针对这一问题，我们做一个简单的敏感性分析，模型同之前一样，模组和底部直冷管道如下图所示，模组为4P3S架构，每组电芯下连接一根直冷管道。

图10 模组热管理建模示意

图11 制冷剂沿程干度对电池温度均匀性的影响，

(a) A组，(b) B组

结果如图11所示，这是同一电池模型、不同制冷剂进口状态下的温度场分布，从图中可以明显看出后者的温度均匀性要好很多，事实上两组主要差异在于制冷剂进口的干度。前者制冷剂进口干度高，制冷剂在流经第三组电芯时已完全汽化，第三组电芯的冷却全靠气态制冷剂的显热，而这就会导致电池自身温差偏大。

图12 A组 (a)压焓图，(b)进口冷媒的干度、温度和流量

图13 B组 (a)压焓图，(b)进口冷媒的干度、温度和流量

图12、13显示了两组模型的差异，可以看出制冷剂流量完全一致，进口温度非常接近，但干度差异较大，A组干度偏高，导致制冷剂在到达第三组电芯时已完全汽化，从压焓图上也可以清晰地看到这一点。B组三组电芯对应的制冷管道全部处于两相流区域，使得B组电芯的冷却较为均匀。

总体来说，AVL CRUISE M对于电池冷媒直冷、两相流冷却处理方法较为成熟，结合电池热管理建模的优势，可以帮助用户较好地实现直冷设计、验证和优化等工作。除了采用AVL CRUISE M进行直冷设计，AVL FIRE M作为通用的三维CFD仿真软件，同样可用于两相流仿真设计，限于篇幅原因，这里不再展开介绍，大家可以关注AVL先进模拟技术公众号，后续会为大家推送更多信息。

参考文献：

[1]郝菊文.涡旋压缩机动涡旋盘齿顶摩擦磨损特性的研究[D].兰州理工大学,2024.