动力电池冷媒直冷技术及设计要点

　　

 

　　行业技术专家宋兆普老师做了“动力电池冷媒直冷技术及设计要点”的主题分享。

　　

　　以下是演讲内容：

　　

　　冷媒的技术原理很简单，刚才东风贝洱也讲过，对于动力电池的系统，把冷媒进入一个蒸发器，然后通过蒸发器带走热量。这个系统很便宜，但是为什么用得很少？是因为有很多的难点有待解决。这个是它的零部件示意图，就是一个双蒸系统，有一个冷凝器、双膨胀阀，然后还有一个储液干燥器。

　　

　　下面是液冷系统与冷媒直冷系统的对比，这是液冷系统。液冷系统现在很成熟了。一个Chiller也就是空调的一个蒸发器，然后这是膨胀箱，然后是低温散热器，然后这是液冷板。然后还有一个高压加热器，还有水泵，三通阀，管路等，这就是一个传统的液冷系统，它的原理就是这样的。如果将来它变成这样（冷媒直冷），那很多零件都砍掉，这样的话就像是贝洱现在做的这些（chiller，冷板等等）就没有了，不挣钱了。然后变成这样，这样就是冷媒直冷系统，我们把液冷系统基本所有零件都扔掉，只保留了一个蒸发器，重量、成本上都有很大的优势。这个降低的成本我不说具体的数字。

　　

　　减30%是什么概念？我的液冷系统，比如说成本是5000块减30%就是1500。然后整车减重至少超过15公斤，但是目前问题是在这里，它的均温性，这是第一个难点。均温性很重要，现在很多人液冷系统的时候，均温性都做的很烂，更不要说很多没有考虑均温性的系统。第二就是它的控制策略也很难，电子膨胀阀国内就非常少，电子膨胀阀控制器就更少了。

　　

　　然后我们讲第一个量产案例：最早的一个冷媒直冷电池系统。2009年奔驰S400款HEV。这是最早的一代，现在都到第三代的。它用的圆柱电芯是德国制定的规格，就是直径37.6的圆柱电芯，为什么我们中国是第一大锂电池制造大国，但是电芯尺寸规格还是德国人用VDA来规范我们该做什么尺寸的电芯和模组？凭什么德国人不做电芯，却可以给我们定电芯尺寸规格？因为我们整个新能源行业不团结，不自信，这真是一个很悲哀的事情；除了S400HEV以外，宝马的X3、X4、M3、5、6、7全都是冷媒直冷的HEV。这个是宝马X5，这是PHEV冷媒直冷，宝马的PHEV都有冷媒直冷。他用的电芯是21173，PHEV1的尺寸，还有一个是F30-35 Up  PHEV，也就是i3的增程版，还有奥迪的A3。

　　

　　（BMW X5冷媒直冷）这个图其实是错的，这个图是朱总和季工给我的。我用了谁的东西我都会标出来的。大家要注意一点，这个X5蒸发器它为了改善均温性是冷热交替的（流道设计）。然后可以看到，蓝色的低温进来以后回去，然后出去以后跨到最左边然后走回来，然后回到后面，注意流道回到后面又变窄了，变窄了是为了提高气速，包括这里都有回油弯的，还有弹性支撑等都是很关键的设计要点。这是i3，大家都见得比较多，可能以为i3是第一个冷媒直冷，不是的，i3出来还是很晚的。宝马因为做冷媒直冷很有意思，我不否定，我做得最早的直冷项目也是宝马的G38项目，宝马有一个特点，它的包也很奇葩，宝马就在直接进口一分为二，我们看X5，我把这个关键图留下来的，这里是涉及一个很关键的东西就是分流器设计，就是两相流流体的分流是非常困难的，它和单相是完全不同的，两相流的分流根本不均匀。

　　

　　接下来再说说冷媒直冷的难点，为什么它这么便宜没人做。第一个均温性不好做。膨胀阀正常工作要过热，什么是过热？出口温度减进口温度就是膨胀阀的过热度，但是过热度和蒸发器的温差是不是对应的？不是！举例：如果进口是零度，出口是8度左右，那么我蒸发器的表面温差是不是8度？不是，可能是10度或更高。因为蒸发器进口的冷媒不是最冷的，随着流动进行，它有流阻导致饱和压力降低，所以饱和温度降低，因此冷媒直冷最冷的地方是在蒸发器中间某个位置，不是进口；这是冷媒直冷和单相液冷的一个不同；冷媒直冷的温差是很大的。同时，蒸发器出口是不是最热的？是，但是蒸发器的壁面温度上升并不是烧干开始的，而是干度到一定的程度，环状流变成雾状流以后，壁面传热恶化，蒸发器的壁面温度就开始上升了，两相流传热和单相液冷完全不一样。

　　

　　第二个比较难的问题是双蒸系统的控制，因为我们的电池包的热负荷很小。我们的HVAC热负荷是5.5kW，但是电池包热负荷很小，因此两个蒸发器和膨胀阀的选择是不同的。整体系统要求双并联蒸发器之间实现精确控制，系统控制策略难度大，举个例子：目前液冷系统就存在空调最大制冷不足、舒适性差的问题，就是因为chiller和HVAC之间冷媒流量分配控制不好。为了实现蒸发器的精确控制，最好采用电子膨胀阀，而成熟的电子膨胀阀控制策略需要重新开发。最后一个难点是加热，我们液体还好加热，但是冷媒直冷只能是直接式加热，而且直接式加热有很多坑。

　　

　　下一个是冷媒直冷部分测试结果，因为我们现在做的不能告诉你，我可以告诉你我四年前做的一些东西。因为我2011年就做电池液冷，这块还是有些积累；这是当初我们做了冷媒直冷测试台架，从压缩机出口开始，高压蒸汽到油分然后到粗调，然后到主冷凝器，然后到精调到过冷度，然后有一个储液器，然后是视镜，精密流量计，主要是纯液态冷媒质量流量可以测得准。然后到电子膨胀阀，然后通过阀之后的初始干度我们测不了，只能通过人为的预估，我们假设阀出口干度0.3，设计时计算冷媒流量时没办法用纯液态流量计算，因为经过阀之后就有一定的干度了，我们只能假设一个入口干度，然后剩下的液态冷媒全部烧干，计算具有的气化潜热，保证这个气化潜热能够覆盖电池的发热，这个主要是能量守恒。然后很多个管内管外放置了压力和温度传感器采集数据。在蒸发器上面，我们做了全串联的蒸发器，这个蒸发器肯定是有很大过热而且是不好的设计，但是我们是故意设计成这样的，我们需要验证一些东西，我们布了12个接口，然后每个冷板具有两个铝挤口琴管，实际蒸发器的结构图是这样的。

　　

　　我们用sinda/Fluint做了一些仿真，但是这个仿真不是我做的，这个仿真是胜利哥做的哈；另外纠正一下刚才蒋委员长讲的东西，冷媒直冷原理不是对流换热的，它是沸腾传热；看看这个仿真结果：这里是进口，这是出口，最冷的在中间某个位置。右上角是仿真出来的电芯温差，可以看到温差超过了多少？超过了10度，这是不可以接受的，我们测很多点的温度数据，温差确实不是那么好。然后这是相变流动换热的温度不均匀性原理说明，三种不同结构的蒸发器我们都做了仿真，包括同济大学张春路教授也帮我们做过类似的仿真；上面的是我们蒸发器的温度曲线，下面的是冷媒温度曲线，干度1.0以后代表烧干，可以看到蒸发器的温度和冷媒的温度并不是对应的，这是相变换热的特点和特殊性。重复一遍：两相流换热和单向的液冷原理完全不一样。

　　

　　冷媒直冷最大的难点和最困难的就是蒸发器系统不好做，其实双蒸发器控制应该是好做的，比如MPV很多是双蒸的，商业领域也有很多多蒸发器并联的案例；

　　

　　这是2015年1月份的测试结果，我们做了仿真和测试结果，我们发现仿真结果比较有意思，我们把仿真分析结果与实际测试对比一下，发现仿真值与实测的差别保持比较稳定，一直在17~18%之间，然后这个仿真就可以用来指导我们的设计，它能保持一个稳定的误差就OK了。

　　

　　这是我们做的一些测试，我们做了不同的工况。因为汽车在个运动过程中负荷在变。我们做了一些测试结果，当时我们还找了一下它的压焓图各个状态点，当时这个测试还是比较理想的，因为这个设备可以调得很准的很稳的质量流量，实际上车载空调系统肯定不是这样的。

　　

　　然后简单说一下膨胀阀选型与策略， 冷媒直冷最好选电子膨胀阀。因为系统控制要求特别高，电子膨胀阀的控制策略我不懂，只能说和电控压缩机同时调，你要慢点调，不要太快。当然你可能有不同的车因为压缩机控制器的不同，电子膨胀阀控制的策略可能也会不一样，我们的建议是考虑你压缩机的特性曲线。

　　

　　双蒸发器系统两个热力膨胀阀可以吗？非常不推荐，因为热力阀的稳定大概需要5分钟，从它变化开度到达到稳定，当它稳定的时候热负荷和过热又变了，然后你膨胀阀是一个永远动态调节的过程。你系统永远达不到稳定。那双蒸系统一个电子膨胀阀，一个热力膨胀阀可以吗？也不好；因为电子膨胀阀反应很快，6秒达到设定开度。假设压缩机转速不变，电子膨胀阀调好了以后，你热力膨胀阀这边冷媒流量是有变化的，然而热力膨胀阀它反应慢，它感应到自己的出口过热度变化后，它会自发变化开度，然后电子膨胀阀又会根据热力膨胀阀的动作而变化开度。所以双蒸系统用单个电子膨胀阀加热力阀还是有一点问题，有一点迟钝。系统鲁棒性不好。

　　

　　做冷媒直冷，很多人担心冷凝水的问题。在座的很多人都学过工程热力学，里面有一个饱和湿空气物性表。哪怕我们不控制装配环境，哪怕我在35度，100%饱和湿度装一个包，那这包里面空气大概有几十升，几十升饱和湿空气的含湿量多少？大概只有几克，几克冷凝的时候会有问题吗？说我有防控透气膜，第一点我冷却不是一直进行的，然后包内水蒸气透的容差过快，做个实验找个干燥的密闭箱装空气放进去，看一下你的透气量达到水蒸气平衡，这是可以测出来的。然后冷凝在我看来从来不会出现这个问题，因为光的含量非常少，根本不用那么多的水导致你出现绝缘问题不会的。

　　

　　回过来讲讲均温性的设计。刚才我们也看到，假设我蒸发器一个串联的模式，从头流到尾会有一个很大的温差，前面的非常热，中间的非常冷，那怎么办？宝马是把一冷一热流到同一个电芯底下来解决这个问题的，把一冷一热流道都放到同一个电芯底下就可以了。目前为止，无论液冷还是冷媒直冷，口琴管形式的冷板或蒸发器我都是不推荐的，用口琴管结构型式冷板的，目前只有福建的一家电芯公司。有的人说宝马用口琴管结构冷板，不是的！！宝马所有的模组，包括大众的模组，他们的模组设计底部都有一个铝金属板做导热板，宝马其实是把冲压式冷板的冷板上表面挪到了模组的底部！宝马的电芯，冷却面积是非常大的，和冲压式冷板冷却面积一样；尽可能充分地利用所有的冷却面积才能满足未来快充的要求！因为我们目前的国内的方壳电芯模组，底部基本都是电芯冷却面，没有那层铝导热板的；所以我推荐大家设计液冷板时，尽量做成冲压式平板型的冷板；然后两相流的流量分配也是比较困难的，如何均匀分配冷媒流量是挺难的，目前我们也在探索中；

　　

　　最后还要讲一下弹性支撑的。我们设计的冷板或蒸发器，在XY方向有定位片，但是Z向是没有的，Z向是自由的，冷板的底部是有一层弹性元件托起冷板的，这种设计可以保证在整个寿命使用过程中可以永久保持一个很好地接触，甚至能够降低接触热阻！原因是什么？我不告诉你。我认为现在动力电池热管理的同行们，我们现在很多的人做了很多很蠢的设计，举个例子：有一个PACK，他把模组固定在箱体一个凸起横梁上面，冷板固定在箱体底部，冷却板和模组之间的间隙本来设计0.5，但是因为公差存在，它这个间隙范围实际是负0.5—3之间，那么导热材料的厚度你就很难选了，你是选3.5还是多厚呢？当你选3.5的时候，可能实际模组和冷板之间间隙是0，你要把导热垫压到很薄很薄，需要很大的力不说，模组都会有严重的变形；若你选择1.0厚度的导热垫，但是模组与冷板之间间隙是有可能超过1.0，你发现你的模组压根没有办法冷却！所以这种没有弹性支撑的设计，想要保证有效的冷却存在很多困难的地方；但是将冷板变成弹性支撑的就不一样了；你固定好模组就可以，不用管冷板的固定，不用管，弹性支撑自己会把冷板顶上来，而且弹簧选型很容易的。所以我们用弹性支撑，我们比较推崇弹性支撑的设计理念；而且，弹性支撑可以选用发泡硅橡胶，可以显著的降低冷板的总高度，可以实现良好的直接式加热；可以保证整个寿命期内的弹性支撑可靠性等等；

　　

　　冷媒直冷只解决冷却的问题，没有解决加热的问题，那我们再聊聊直接式加热。这是宝马i3的加热，它是加热丝加热，它把加热放到一个泡棉上，泡面的压缩限位高是2毫米，然后这个弹性结构件两侧的两个齿是卡住蒸发器口琴管的，然后底下人字形的脚就是产生弹性力的结构；标准的弹性支撑设计理念哈！它的优点就是这种加热速度非常快，比液冷快很多，液冷加热需要先把你七、八公斤的冷却液加热起来然后再循环，冷却液的热容很大，会浪费能量。而这种直接加热是通过蒸发器直接传热给模组，才会更直接、更迅速。I3的加热系统缺点就是可维修性不好，当你东西坏了，包里面所有的东西都要拆掉才能更换。缺点二就是直接式加热一定要用弹性支撑，这里面的关键设计就是弹性支撑，不然加热丝或加热膜很容易局部过热，要有一个平面的东西永久托着加热膜，保证它与你被加热的表面永远接触好，这样就不会出现局部过热的问题，局部过热大巴上面出现过很多次的问题。

　　

　　大巴早期方案是在模板的侧面加热，早期都是这样干的，早期的是贴在电芯的侧面。后面发现电芯左右其实是不一致的，就是说一个大巴方壳模组9个电芯，其中一个电芯可能某一侧是凹进去的，这样导致8个电芯侧面都贴好了加热膜，这个凹进去的电芯加热不到，这边加热不到，所以这个电芯过冷了，但是你BMS很可能不知道这个电芯是冷的！你到了一定温度你就会充电，这就存在很大的安全风险了；

　　

　　这是Prius的直接式加热，加热膜的话里面的加热丝走向你是可以客制化和定制的，电池在自然冷却降温时一定是有温差的，这个解决不了怎么办？，丰田故意地把加热膜设计成不一样的，然后人为地弥补了加热初始存在的温差。丰田他们都出产品了。本来电池自然降温就会有温度不一致性，存在温差，为了降低加热温差，加热膜就故意做成不一样的。

　　

　　接下来聊聊直接式加热系统的风险点：第一个是过热，第二个是电芯的受热面过热，你在做设计方案时，在应用前必须要做大量的实验来做，要保证电芯底部的受热面也不要过热，因为那个过热你的BMS是很可能不知道的。第二个局部过热，局部过热导致干烧导致加热膜烧断掉，所以要保证你的加热膜跟被加热件有良好的接触，所以一个良好的弹性支撑是非常有必要的；加热系统故障反馈，第一个是加热器过热，需要监测加热器的热度。第二个是加热器断路，需要检测加热器电阻和高压互锁。

　　

　　最后讲点题外话:其实我们中国人做pack的经验是非常丰富的，因为我们做过的pack是全世界最多的，遇到的坑也是最多的，所以我们在pack设计领域完全不用盲目迷信国外的设计公司比如麦格纳之类的，为什么呢？因为那些老外并没有做过pack，他们才不懂pack设计过程会遇到什么问题，他们很多其实连电芯也不懂！以前内燃机时代的那些有名的咨询公司并不见得可以帮大家设计pack，甚至他们现在和你谈的时候，他们明确说不做design，只愿意做review，为什么呢？因为review可以从你这里偷师啊，他们是想从你这里学到pack设计的问题和经验教训呢，所以大家找国外设计咨询公司合作的话，应该向他们收钱.而不是给钱，因为他们更不会设计，他们需要向我们学习啊！大家要有这个自信！前几天和电装交流时就发现电装完全不懂电芯，也没有做过电池热管理系统，可以说在电池热管理这块它啥都不懂～电装都如此，其它咨询类公司都更是严重缺乏经验的，谢谢大家。