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电池直冷技术的优缺点

日期:2023-11-17 12:26
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摘要: 目前动力电池系统的热管理主要可分为四类,自然冷却、风冷、液冷、直冷。其中自然冷却是被动式的热管理方式,而风冷、液冷、直冷是主动式的,这三者的主要区别在于换热介质的不同。本文主要讨论直冷方案与业界使用*多的液冷方式的优缺点。 1直冷的优点 性能与COP 由于直冷系统可以减少一次换热过程,减少一次换热热阻,降低换热温差,传热性能好。而且制冷剂在电池冷板内沸腾化热,换热能力显著增强。 同时由于换热温差减少,对应的冷板蒸发温度可以上升,对应吸气压力可以提升,压比将减小,从压焓图上看C...

目前动力电池系统的热管理主要可分为四类,自然冷却、风冷、液冷、直冷。其中自然冷却是被动式的热管理方式,而风冷、液冷、直冷是主动式的,这三者的主要区别在于换热介质的不同。本文主要讨论直冷方案与业界使用*多的液冷方式的优缺点。

1直冷的优点

性能与COP

由于直冷系统可以减少一次换热过程,减少一次换热热阻,降低换热温差,传热性能好。而且制冷剂在电池冷板内沸腾化热,换热能力显著增强。

同时由于换热温差减少,对应的冷板蒸发温度可以上升,对应吸气压力可以提升,压比将减小,从压焓图上看COP从原有的(h2'-h1')/(h1'-h5)到(h2-h1)/(h1-h5),从下图可以直观看到系统的COP得到提升。感兴趣的读者可以做一些仿真就知道具体的差异。


原有的系统需要Chiller,再连水泵水管到水冷板。现在相当于可以把电池回路的水系统彻底取消,把Chiller原有的制冷剂部分做成一个大板放到电池里,从原理图上看是减少了器件,到控制控制层面则减少了水泵这样一个可控部件。从布局空间上,也节省了Chiller、水路、水泵等部件占用的空间。

2直冷的缺点

耐压与密封问题

制冷剂系统蒸发压力一般能够达到3-4个大气压,三个大气压是什么概念呢,作者特意找了一下花了两千大洋买的菲仕乐的高压锅,*大耐压150kPa,也就是1.5个大气压。想想高压锅得用多厚的钢材才能保证不会炸开就知道冷板这玩意面临多少工程挑战,系统的耐高压性和密封性要求会比水路高很多高。相比而言液冷冷板工作压压力大概*多也就1.3个大气压以内。(当然压强与力没法直接类比,但这样会比较直观。再次声明作者**不是为了推销这口锅)

基于四川大学原子与分子物理研究所《气体介质、压强及校准方法对真空漏孔漏率的影响》一文,泄漏率与气压的平方及粘度系数成正比,另外基于阿伏加德罗定律可知与物质的摩尔质量成反比,因此制冷剂冷板泄漏要**水冷板的几百倍提升。(有兴趣的朋友可以去研究制冷剂年泄漏量如何转化为氦气漏率,*终以氦检泄漏量为基准对比两者要求)


温度均匀性

做过蒸发器的朋友都知道,通常我们会有一个蒸发器表面温度均匀性的要求,这是因为制冷剂分布不均会导致表面温差很大。同理直冷板也是一个蒸发器,也要考虑此问题。

对于电池包来说,不光要保证电芯工作在合理温度下,同时一般还要控制不同的模组之间的温差不超过特定的值??梢钥吹降镀绯乩锩婧芏喔瞿W?,那么就需要尽可能保证电池冷板本身的温度相对均匀,或者至少温度是可控的,这也正就是直冷冷板需要解决的问题。


从吉林大学鲍文迪《直冷式动力电池热管理性能分析》一文可以找到直冷冷板的*大温差接近20度,这对电池的均温影响会非常大,电池一般要求电芯温差不超过5℃。而对于水冷板来说,假设换热5kw,20L水流量,入水与出水的温差也就几度,这样对于电池均温的设计要求就会友好很多。


热泵模式受限

如果直热的话,通常压缩机出口排气压力将高达60℃以上,冷凝温度也将高于四五十度,高于电池适温区间。

另外,由于目前R134a制冷剂系统,制热的极限基本上都是环温零下十多度的场景,当温度再低的时候热泵就无法工作,无法给电池再进行加热,这就要求电池再额外配电加热,这样系统的成本就不一定占优。

系统回油问题

电池直冷技术电池冷板是并联在制冷剂系统中,而且冷板面积非常大流程长,由此将引发压缩机润滑油回油问题,特定情况下制冷剂油将积在冷板内,造成压缩机缺油失效。


总体来说,由于直冷板涉及两相流,无论是理论还是控制难度、以及部件成本各方面而言,对比液冷来说都不占优,这也就是为什么当前市场主流都是采用液冷方案。

但直冷仍然很可能具有广泛的应用前景,尤其当电池能量密度、快充速率要求越来越高之后,电池直冷方案具有体积重量的优势以及其制冷速度、性能的优势,将可能应用在更多车型。

沪公网安备 31011702004262号

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