電動汽車電池組冷媒直冷系統工作特性的試驗

單春賢, 楊 鵬, 唐愛坤, 夏燈富

(江蘇大學 能源與動力工程學院, 江蘇 鎮江 212013)

近年來,電動汽車作為一種節能、環保、清潔的交通工具,越來越受到人們的青睞.電動車中重要部件之一——動力電池占整車成本的40%左右,其性能已成為制約電動車產業化發展的瓶頸[1].影響動力電池性能的關鍵技術之一是動力電池的合理熱管理,即要有效解決由于充放電過程中溫度過高引起的熱失控、充放電一致性差和壽命衰減等問題[2].相關研究[3]表明,鋰離子動力電池最佳工作溫度范圍為20.00～40.00 ℃,電池組溫差不超過5.00 ℃.

在動力電池模組冷卻過程中,主流的冷卻方式有空冷、液冷、直冷和相變冷卻.液冷具有技術成熟、冷卻效果好和結構簡單等優點,在絕大多數乘用車上都有使用.然而,隨著人們對動力電池使用性能要求的日益提高,在電池快充和快放等發熱量大的惡劣情況下,采用防凍液進行冷卻的效果就顯得不盡如人意.相比之下,直冷技術由于利用的是制冷劑潛熱,冷卻效率要比傳統的液冷高出3～4倍,更能滿足快充的要求[4].直冷系統結構緊湊,將電池熱管理系統與艙內空調系統耦合成電動汽車熱泵系統,動力電池通過直冷冷板直接與制冷劑進行換熱,從而完成對電池系統的冷卻作業.不必像液冷一樣另需循環水系統,使整車熱管理系統部件大大減少,降低成本和質量的同時提升了系統的安全性,所以直冷也是電池熱管理系統發展的一個重要趨勢.

為進一步提高直冷系統的運行性能,人們圍繞系統裝置整體匹配性、直冷板結構、制冷劑選擇等方面開展了一些研究工作.HONG S. H.等[5]利用實際車體進行了直冷和液冷的比較,認為兩相制冷劑冷卻結構簡單、質量輕、性能可靠,是傳統液體冷卻的首選替代方案.陳杰等[6]設計了雙壓縮機并聯的獨立式電池冷卻系統,可滿足不同車型電池模塊的開發設計需求.SHEN M.等[7]在整車系統基礎上對系統的熱響應、能效和不可逆性進行了討論,結果表明電池模塊的平均溫度和電池間的溫差得到了有效控制.HUANG D. Z.等[8]通過試驗考察了制冷劑充注量、節流閥開度、加熱功率等因素對電池溫度的影響,針對節流閥開度對直冷微通道蒸發器的換熱系數的影響進行了研究.聶磊等[9]提出采用蜂窩型單面吹脹鋁板作為電池冷板的一種新型冷媒直冷電池熱管理系統,充分利用制冷劑在流道內的高沸騰傳熱潛熱處理動力電池熱負荷.目前,國內外學者主要是對直冷系統運行特性進行分析以及對電池模組溫度場進行數值模擬,或者采用電加熱熱源代替電池進行試驗研究,很少有學者結合實際的電池組在真實放電情況下對直冷散熱系統進行試驗研究.

針對上述問題,筆者提出耦合空調系統的冷媒直冷系統一體化結構,結合口琴管式冷板設計電池冷卻模組,并且利用試驗方法針對小型電池模組在不同運行工況下進行直冷散熱效果的研究.主要是通過直冷系統中壓縮機、蒸發器、閥門等工作狀態的調節,對電池模組的散熱性能進行全方位測試,重點探究質量流量和制冷劑蒸發溫度對電池組在不同倍率放電過程中溫度的影響,深入分析這種制冷劑直接冷卻方式在小型模組上的運行效果.

1 直冷系統設計及測試臺架

設計了一種可同時用于電池組冷媒直冷和空調制冷的一體化系統,如圖1所示.整個直冷循環系統采用R134a作為制冷劑,該制冷劑在標準工況下沸點為-26.22 ℃,蒸發潛熱為197.003 J/g.系統由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、艙內蒸發器和電池模組等部件組成.專用于R134a冷媒的渦旋式壓縮機(型號為ECY33A1-52-0101,轉速為2 000～6 000 r/min, 排氣量為33 mL/r)進行制冷劑的循環,在壓縮機后安裝帶有儲液器的冷凝器,冷凝器配帶的電子風扇可通過調節脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)信號值來實現轉速的控制.隨后,經過冷凝的制冷劑在進入熱力膨脹閥后變成低溫液態的制冷劑,此時可以通過流量計(型號為SBG232,流量測量范圍為0～15 L/min,精度為0.3%)來測試流量.制冷劑經過1個三通后分為2路,一路經流量計后進入艙內蒸發器蒸發,另一路直接進入口琴管式的冷板,通過吸收電池組的熱量進行蒸發.2路管路的開頭和結尾共計4個閥門來分配2路制冷劑的流量,蒸發后的制冷劑再經過1個三通匯成1路進入氣液分離器(型號為BHQ-001),將分離出的氣態制冷劑經過H形熱力膨脹閥后進入壓縮機完成制冷劑的循環.電池組和冷板部分放置在恒溫箱中,可模擬電池組在任意環境溫度下的放電情況,電池和冷板的參數如表1所示.

圖1 直冷系統及試驗臺架示意圖

表1 電池和冷板參數

試驗臺架除了上述所有零部件構成的直冷系統外,還有供電池充放電的電池性能檢測設備(型號為NEWARE-CT4001,允許的最高電壓為30 V,允許的最高電流為100 A,精度為0.01%),最高可供單體電池進行4.0 C倍率放電和試驗所用電池組進行2.0 C倍率放電.采用1個高壓電源(額定電壓為500 V)為壓縮機供電,3個低壓直流電源(型號為MESTEK-DP3010B,額定電壓為20 V,額定電流為10 A)分別為蒸發器、冷凝器和流量計供電.數據采集儀(型號為ANBAI-AT4532,精度為0.2%)用于記錄電池組和管路各個節點的溫度數據,并且所有連接管路均用隔熱材料包裹以防止沿管路的熱量損失.電池模組及測溫點布置如圖2所示.電池模組的實物圖如圖2a所示,整個電池模組由1個16塊磷酸亞鐵鋰電池和1個口琴管式的冷板構成,并置于恒溫箱(型號為精宏-SHP-150,可調節溫度范圍為-5～65 ℃,精度為±0.1 ℃)中.制冷劑從冷板的右側流入,從左側流出,吸收電池的熱量后在冷板內蒸發沸騰流動.冷板的截面參數如圖2b所示,板內置有6×7個并行的微通道,通道高3.0 mm,最寬處為5.3 mm.電池組采用8串2并的排布,用銅接頭進行連接,電池組左右相距8.0 mm,前后相距18.0 mm,與冷板的接觸采用導熱硅脂,以降低電池與冷板的接觸熱阻.

圖2 電池模組及測溫點布置

每塊電池表面溫度測點布置如圖2c所示,由于之前經過多次預試驗發現電池左右兩側溫度差異不大,所以只在電池中軸線上布置溫度測點來尋找電池的最高溫度和最低溫度以監測單體電池的最大溫差.由于電池是放在冷板上面且制冷劑蒸發溫度一般都偏低,單體電池的溫度最低點一般是在電池最下面,而電池的最高溫度一般是集中在電池的中上部,布置溫度測點時中上部間隔小一點,下部可以間距大一些.考慮到整個電池模組具有對稱性,只對單側的8塊電池進行測試,每塊電池5個測量溫度的加權平均值作為單體電池平均溫度,5個測量溫度的極差作為單體電池溫差.整個電池組共需40個溫度測點來監測溫度,而所測得的極差作為電池組溫差.考慮到直冷系統的提前啟動雖然能保證電池組在放電一開始就能達到預定制冷劑蒸發溫度和質量流量,但同樣會影響電池的初始溫度,所以試驗時都是在電池組放電時同時啟動直冷系統.

2 結果與討論

2.1 直冷方式的基本工作特性

為了驗證所設計的冷媒直冷系統的工作效果,利用同一個電池模組進行了直冷、液冷和自然冷卻3種方式下的放電過程溫度測試.3種冷卻方式下的電池熱特性對比曲線如圖3所示.

圖3 3種冷卻方式下的電池熱特性對比曲線

圖3a給出了該電池組在2.0 C放電倍率下平均溫度隨時間的變化情況,測試時環境溫度設為30 ℃.經過多次重復試驗發現溫度誤差最大僅有1.2%,故在后面的數據圖中均取平均值.在試驗時,液冷與直冷采用相同的冷板,僅改變流經冷板的工質.為了只考慮單一因素的影響,液冷工況采用的冷卻水和直冷工況中的制冷劑具有相同的進口溫度,都為16.00 ℃.由于液冷時所用的蠕動泵不能在低流量下工作,對比時制冷劑的流量設置為0.25 g/s,冷卻水的流量為0.53 g/s,達到了前者的2倍左右.從電池組的平均溫度曲線來看,采用直冷和液冷的冷卻方式均要優于自然冷卻,雖然液冷的流量比直冷流量大,但在電池組整個放電過程中直冷的平均溫度比液冷低.在放電結束時,直冷要比液冷低2.62 ℃,而且采用自然冷卻和液冷方式電池組在放電結束時已經超過警戒溫度(40.00 ℃),而直冷方式電池組平均溫度為39.60 ℃.

從圖3b可以看出：自然冷卻方式下電池組溫差最低,溫度均勻性最好,直冷方式下電池組溫差要比液冷稍高,但相差并不大,主要是由于采用自然冷卻時電池從各個方向表面均勻散熱,溫度均勻性更好,而液冷和直冷均采用底部冷板散熱的方式,絕大部分熱量從底部帶走導致電池上下具有更大的溫差,但電池組溫差始終保持在5.00 ℃以內.相比較而言,直冷比液冷更能滿足散熱需求,具有更好的冷卻效果.

評價電池的散熱特性一般采用電池溫升和電池組溫差指標,而單體電池的溫度分布和單體電池溫差也是主要的分析指標.制冷劑流向順序為1號電池、2號電池、…、8號電池,在放電倍率為2.0 C、制冷劑流量為0.25 g/s、環境溫度為30 ℃情況下,直冷方式放電結束時各個電池平均溫度和放電過程中單體電池最大溫差如圖4所示.

圖4 直冷方式放電結束時電池平均溫度和放電過程中單體電池最大溫差

從圖4可以看出：從冷媒的進口到出口整個電池組溫度呈現中間高兩邊低的情況,6號電池溫度最高,達到40.20 ℃,最低溫度為1號電池,為36.70 ℃.這是因為1號電池處于冷板進口端,制冷劑首先與其進行換熱,制冷劑在微通道內沸騰吸收熱量后干度會逐漸變高,雖然冷媒溫度不會變化,但換熱效果卻逐漸下降,所以1到6號電池溫度逐漸升高.從冷板的結構來看,由于在微通道出口處有一個長方體的積液區,制冷劑蒸發并不完全,液相的制冷劑會沉積在下面導致液相制冷劑回流,影響出口附近的幾塊電池使其溫度偏低,這就是7號和8號電池溫度反常降低的原因.

由于冷板布置在電池的底部,電池組的熱量主要是從上往下傳遞,最后通過冷媒吸收熱量,電池散熱效果越好表示冷媒吸收電池的熱量越多,從而導致電池在高度方向上存在更大的溫度梯度,具有更大的單體溫差,所以圖4中單體電池溫差與電池平均溫度呈相反的關系.

2.2 環境溫度對電池散熱性能的影響

電池組在放電過程中,不同環境溫度將會改變電池放電過程的初始溫度以及放電過程中電池與環境的對流換熱量.為了研究電池組在不同環境溫度下的工作情況,進行了環境溫度分別為10、20、30 ℃恒溫條件下的1.0、2.0 C倍率放電試驗,制冷劑質量流量和蒸發溫度隨環境溫度的變化如圖5所示.對應環境溫度下電池組在不同放電倍率下的溫升曲線如圖6所示.

圖5 制冷劑質量流量和蒸發溫度隨環境溫度的變化

圖6 不同環境溫度下電池組的溫升曲線

從圖5可以看出：在不改變系統其他部件運行工況的條件下,若僅改變恒溫箱中的環境溫度,流過冷板的制冷劑流量和蒸發溫度均會發生變化.隨著恒溫箱中環境溫度的升高,2個放電倍率下的制冷劑質量流量均會線性下降,而蒸發溫度則呈現出逐漸上升的趨勢.環境溫度對制冷劑質量流量和蒸發溫度有影響,主要是因為環境溫度改變了冷板的熱負荷[10-11],冷板的熱負荷取決于電池與冷媒之間的溫差,環境溫度升高會使電池本身的溫度升高,但對制冷劑蒸發溫度提升不大,從而提高了冷板的熱負荷,使得直冷系統在不同熱負荷下具有不同的運行狀態.在電池與制冷劑溫差較小時,也就是低熱負荷狀態下,制冷劑流經冷板過程中電池組的熱量不足以使冷媒完全蒸發,在較低回氣溫度下,熱力膨脹閥的開度也相應變小,而膨脹閥開度的減小又會使制冷劑蒸發溫度和流量變小,在新的制冷劑蒸發溫度和流量下形成新的過熱度來影響膨脹閥開度,這是一個前后耦合交互的過程,最終達到穩定.

從圖6可以看出：電池組平均溫度在各個環境溫度作用時,上升趨勢并不相同,環境溫度為10 ℃時上升趨勢最快,20 ℃時其次,30 ℃時最緩慢.環境溫度越高,對比圖5中的制冷劑蒸發溫度,電池組與制冷劑之間的溫差越大,制冷劑吸收電池組的熱量越多,散熱效果明顯.由于鋰電池自身的特性,在環境溫度較高時,發熱量本身較少.由于在放電過程中制冷劑通過底部的冷板持續對電池組進行冷卻,電池組溫差也會隨著放電過程的進行而增大,一般在放電結束時達到最大,電池發熱量越大,這種效果也越明顯.在環境溫度分別為10、20、30 ℃時,放電結束電池組溫差如下：1.0 C倍率放電時,電池組溫差為5.03、4.85、4.84 ℃;2.0 C倍率放電時,電池組溫差為7.27、4.85、4.01 ℃.

2.3 壓縮機轉速對電池散熱性能的影響

在直冷系統中,壓縮機作為系統運行的動力源,其運行工況對直冷系統的影響不可忽略.制冷劑質量流量和蒸發溫度隨壓縮機轉速的變化曲線如圖7所示.為了保證單一因素的影響,所有試驗均在30 ℃的環境溫度下進行.隨著壓縮機轉速的提升,制冷劑蒸發溫度和流量分別呈現下降和上升2種不同趨勢.本系統所采用的電動壓縮機排氣量為33 mL/r,其轉速的提升直接改變了整個系統中制冷劑的流量,同時也使得壓縮機前后具有更大的壓差.因此,在更低的蒸發壓力下對應的蒸發溫度也隨之變小.隨著壓縮機轉速的繼續提升,盡管制冷劑的流量仍在持續增加,但是蒸發溫度的變化卻不再那么明顯,在壓縮機轉速為2 500 ～3 500 r/min時,蒸發溫度最大變化僅有1.00 ℃.對于直冷系統來說,電池組在1.0、1.5、2.0 C倍率下放電時,對應的冷板熱負荷也隨之增加,前面已經討論過熱負荷的變化會改變直冷系統的運行狀態從而對蒸發溫度造成影響.從圖7可以看出：在同樣的轉速下,放電倍率的提升會導致制冷劑蒸發溫度有所上升,但對制冷劑質量流量影響不大.

圖7 制冷劑質量流量和蒸發溫度隨壓縮機轉速的變化曲線

壓縮機轉速為2 500、3 500 r/min下電池組1.0、1.5、2.0 C倍率放電時的平均溫升曲線如圖8所示.

圖8 不同壓縮機轉速和放電倍率下電池組的平均溫升曲線

在不同倍率的放電過程中壓縮機轉速在2 500 r/min時,電池組平均溫度普遍要比3 500 r/min時要高一些,表明高轉速將帶來更好的冷卻效果.這從圖7中可以找到原因,在2個轉速下蒸發溫度相差不大,但在3 500 r/min工況下制冷劑的質量流量明顯更高.在放電倍率影響方面,電池組1.0 C倍率放電時,在開始段平均溫度出現了一個短暫的上升,這是因為放電初期電池發熱量較大,直冷系統也處于剛啟動的階段.在放電中間段,由于系統已經穩定且電池發熱量相對較小,整個電池組的平均溫度持續下降.到了放電末期,電池平均溫度再次上升主要是由過大的電池發熱量導致,即便是在放電結束時2種轉速下的溫度也僅為28.70和30.20 ℃.在1.5 C和2.0 C放電倍率時,電池發熱量更大,不存在中間下降段,整體都呈上升趨勢.在1.5 C放電倍率時,2種轉速下電池組最終平均溫度分別為33.80、35.60 ℃,在2.0 C放電倍率時,上升趨勢更明顯,分別為38.70、41.00 ℃.由此可見,在3 500 r/min的轉速下,即使是2.0 C的高倍率放電,電池組的平均溫度也始終控制在40.00 ℃以下.

不同壓縮機轉速和放電倍率下電池組的最大溫差對比如圖9所示.

圖9 不同壓縮機轉速和放電倍率下的最大溫差對比

通常在電池組放電過程中電池組溫差會逐漸增大,一般是在放電末期達到最大,但未必是在放電結束時刻.經過測試,1.0 C低倍率放電的情況下,電池組溫差能控制在5.00 ℃以內,最大溫差出現的時間較為靠前;在1.5、2.0 C倍率放電的工況下,有部分溫差超過5.00 ℃,但基本都在5.00 ℃附近,最大溫差出現的時間相對靠后.究其原因,在高倍率放電下電池發熱更加嚴重,溫度升高更快,雖然從圖7看出制冷劑蒸發溫度也會隨著放電倍率的增大而升高,但相較于電池溫升來說制冷劑蒸發溫度升高就不明顯,所以放電倍率提高會導致電池與制冷劑之間的溫差更大,在高度方向上具有更大的溫度梯度,最高溫度和最低溫度的差值也就更大.

壓縮機轉速的改變對直冷系統運行功耗有直接影響.壓縮機轉速對系統的制冷性能系數及輸入功率的影響如圖10所示.隨著壓縮機轉速的提升,壓縮機的功率呈現非線性增加,增加同等轉速所需要的功率越來越大,壓縮機轉速的提升使得壓縮機前后壓差更大.提高系統冷凝壓力和冷凝溫度,同時也降低了蒸發壓力和蒸發溫度,其中蒸發溫度的改變從圖7也可以看出,蒸發溫度的降低有利于制冷系統更大的輸出制冷量,同逐漸增長壓縮機功率相比,系統的制冷性能系數卻不斷下降.從圖10可以看出：轉速為2 000 r/min時,系統的制冷性能系數最大,而且功耗也最小,為系統運行最優點.

圖10 壓縮機轉速對制冷性能系數及輸入功率的影響

2.4 閥門開度對電池散熱性能的影響

在直冷系統中,閥門可以控制流量和分配流量.考慮到閥門開度會改變系統中從膨脹閥出口到壓縮機進口蒸發段管路的壓降,同時會對蒸發溫度和制冷劑的流量產生一定影響,接下來將討論閥門開度這一重要參數對電池散熱特性的影響.在圖1的直冷系統中設有4個閥門,為了盡量減小蒸發段的壓降,同時兼顧更好的制冷效果,試驗中只對閥門1的開度進行調節,其余3個閥門開到最大,始終保持不變.試驗時,壓縮機轉速控制在2 000 r/min,環境溫度保持在30 ℃.制冷劑質量流量和蒸發溫度隨閥門開度的變化曲線如圖11所示.

圖11 制冷劑質量流量和蒸發溫度隨閥門開度的變化曲線

從圖7、11可以看出：閥門開度對系統質量流量和蒸發溫度影響更大,改變壓縮機轉速僅能使制冷劑質量流量控制在0到0.31 g/s之間,蒸發溫度為12.00～20.00 ℃;閥門開度調節會使質量流量在0～0.70 g/s內變化,蒸發溫度最低能達到5.20 ℃.

對于直冷系統來說,閥門1的調節最直接的影響就是制冷劑分配給蒸發器和直冷板的流量變化不一致,開度變大會導致流過冷板的流量變大,而蒸發器的流量變小.直冷系統中所有流阻元件都具有節流效應,閥門開度的增大使得蒸發段管路整體的壓降變小,有利于制冷系統制冷劑的循環,膨脹閥的節流效果更加明顯,制冷劑蒸發溫度也就更低.

不同閥門開度下,放電倍率分別為1.0、2.0 C時的溫升曲線如圖12所示.

圖12 不同閥門開度下的電池模組溫升曲線

放電倍率為1.0 C、閥門開度為2.8%時,電池溫度整體較為平緩,在放電結束時僅比放電初始溫度高1.20 ℃,對于更大的閥門開度,質量流量升高和蒸發溫度降低,具有更好的冷卻效果.放電倍率為2.0 C時,閥門開度在2.8%和5.6%情況下,溫度有所上升,當閥門開度大于5.6%時,由于制冷劑流量的提高,溫度普遍在30.00 ℃以下,甚至低于25.00 ℃,這并不是需要的工作范圍,繼續調大閥門開度已經不具有研究意義.

從閥門開度的調節效果上看,閥門開度變大有利于電池組平均溫度的下降,具有良好的控溫效果,但從溫度均勻性上來看,電池組溫差將隨著閥門開度的變大而增加,電池組在不同放電倍率和閥門開度下電池間溫差和單體電池最大溫差如圖13所示.電池組溫差包含橫向溫差(電池間溫差)和縱向溫差(單體電池最大溫差).從圖13可以看出：隨著閥門開度的增大,電池組溫差增加,單體電池溫差所占的比例也增加;在閥門開度達到11.2%時,電池組溫差最高能達到9.30 ℃,此時單體溫差的占比同樣也最高,為88%.這是因為制冷劑在冷板內以低蒸發溫度和較大流量流過時,對電池底部的冷卻效果最好,所以底部溫度下降較快,而電池發熱點主要集中在中間和上部的極耳處,造成了電池上下有較大的溫度梯度,這種溫度梯度就是單體電池溫差,也就是電池組溫差的主要來源.

圖13 不同放電倍率和閥門開度下電池間溫差和單體電池最大溫差

3 結 論

1) 冷媒直冷系統相較于液冷具有更好的冷卻效果,在直冷系統制冷劑質量流量比液冷小的情況下,電池組最高溫度要比液冷低2.62 ℃.

2) 布置在電池底部的冷板結構,制冷劑散熱效果提高會導致電池在高度方向上的溫度梯度變大,單體電池的溫差也會變大.

3) 閥門開度的調節對制冷劑流量和蒸發溫度范圍影響較大,可以顯著降低蒸發溫度和提升制冷劑流量,使電池散熱效果更好.在電池組溫差較大的情況下,單體溫差是電池組溫差的主要來源,單體溫差占電池組溫差的比例最高可達88%.