摘要： 动力电池使用制冷剂直接冷却具有成本低、冷却效率高、重量轻、安全性高等优点，但存在蒸发温度过低和电池冷却温度不均的问题。本文通过实验研究了直冷板后二次节流对直冷板温度调节的有效性。结果表明：在直冷板后接入降压装置（固定节流孔装置或可调
摘要： 动力电池使用制冷剂直接冷却具有成本低、冷却效率高、重量轻、安全性高等优点，但存在蒸发温度过低和电池冷却温度不均的问题。本文通过实验研究了直冷板后二次节流对直冷板温度调节的有效性。结果表明：在直冷板后接入降压装置（固定节流孔装置或可调节开度压力调节阀）可以改变直冷板的出口压力，减小直冷板出口过热度，从而提升直冷板的蒸发温度，并改善制冷剂直冷方式的均温性；但固定开度的降压装置无法主动调节直冷板出口压力，直冷板出口压力随着热负荷增加而增加，因此在热负荷变化时较难控制电池温度在合适的范围内；而 可变开度的降压装置可以根据电池的运行热负荷调整直冷板的蒸发压力到合适的目标值，既能避免直冷板的蒸发温度过低，又能改善直冷板的均温性，以取得较佳的电池冷却效果 。
关键词：电动汽车；动力电池；制冷剂直接冷却；降压装置
冷却液冷却方式比热容大、换热系数高，满足不同季节对电池冷却或加热的需求，且满足多个冷却部件同时冷却，但系统结构复杂，零部件和连接管路过多，存在冷却液泄漏导致系统短路的风险。 制冷剂直接冷却技术在简化系统后还可实现更高的换热效率，且安全性高，制冷剂直接冷却电池优势如下 ：
1）成本低。 由于电池冷却回路中没有冷却液，系统中不需要水泵、电池冷却器、水阀和制冷剂管路等设备，大大降低系统成本；2）冷却效率高。 相比于冷却液冷却，制冷剂直接冷却去除了中间冷却液，避免了二次传热造成的热损失，且制冷剂在气液相变过程中可以吸收更多的热量，具有更好的冷却效果；3）冷却温度均匀。 由于制冷剂在冷却板内的换热是两相换热，温度和压力相关，在 有效控制冷却板沿程压降和过热度的情况 下，制冷剂直接冷却可以更好控制电池冷却板的表面温度；4）重量轻。 没有了电池冷却器、水阀、水泵和管路的重量，由于制冷剂处于两相传热过程，相比于冷却液冷却，冷却板的重量和制冷剂的重量可以大大减轻；5）安全性高。 制冷剂是电绝缘流体，若系统出现泄漏，将立即以气态蒸发，而冷却液泄漏可能会造成电池短路。因此相比于冷却液，制冷剂具备更高的安全性。1）电池冷却温度过低 [19]。由于制冷剂直接冷却板与空调蒸发器并联，出口同时接入压缩机吸气端。蒸发器的蒸发温度远低于电池冷却需要的冷却温度，造成电池的过冷却。同时，由于冷却板温度过低，有可能造成电池包内空气凝露，产生凝结水，造成电池短路。2）电池均温性差 [20]。尽管两相传热有着均温换热的优点，但由于制冷剂直接冷却板内存在压降和过热度，造成电池冷却板的温度不均匀，因而影响电池包内的温度均匀性。同时，在系统运行过程中，由于直接冷却板与蒸发器并联，在 负荷变化过程中，制冷剂在蒸发器和冷却板之间的分配不合理，造成电池包内温度不均匀。
为解决上述两个技术问题，需要从系统的角度对制冷剂直冷系统和制冷剂的流量进行有效控制，达到理想的动力电池冷却效 果 。【前言部分略有精简】本文为解决电池制冷剂直接冷却蒸发温度过低和电池均温性问题，搭建了一套模拟电池直冷系统实验平台，并对动力电池直冷系统模型进行优化。图1 所示为制冷剂直接冷却时蒸发器和直冷板的压焓图。其中，绿色点划线为常规制冷剂直接冷却时直冷板对应的蒸发过程，红色加粗线为优化系统冷却时直冷板对应的蒸发过程。由图可知， 优化后的直冷系统可改善直冷板的蒸发温度和出口过热度，且不改变蒸发器的蒸发过程。
图 1 制冷剂直接冷却系统的循环 log p-h 图为实现上述优化， 本研究在直冷板进口和出口分别接入了可主动调节输入直冷板制冷剂流量的电子膨胀阀和降压装置，并与蒸发器并联，对直冷板出口制冷剂进行二次节流，以实现直冷板蒸发温度的控制 ，优化模型如图2所示。直冷板出口的降压装置可以为固定开度或可变开度，通过在直冷板后分别接入固定节流孔和具备调节能力的电子膨胀阀两种方式，配合入口电子膨胀阀的调节，以分析其对直冷板温度的调节能力。
图 3 所示为实验系统原理图，该实验抽取电池一个模组进行冷却模拟。实验系统由压缩机、冷凝器、质量流量计、辅助蒸发系统装置和电池直冷系统装置组成。辅助蒸发系统包括质量流量计 1、电子膨胀阀 EXV1、蒸发器；电池直冷系 统装置与辅助蒸发装置并联，由质量流量计 2 、电子膨胀阀 EXV2 、直冷板、电加热膜、降压装置（压力调节阀 EXV3 或固定节流孔）组成。 EXV2 作为可主动调节输入直冷板制冷剂流量的电子膨胀阀安装于直冷板前，降压装置安装于直冷板后。 实验台架如图 4 （ a ）所示，直冷板直接与加热膜接触，利用制冷剂对加热膜进行直接冷却。在加热膜表面布置了温度传感器，传感器分布如图 4 （ b ）所示。为便于控制和测量，直冷系统中的电池用电加热膜模拟，即通过稳压源来调节电加热膜的功率模拟电池的发热。
本实验重点研究直冷板后降压装置对直冷板出口压力的调节作用，以及对直冷板均温性的改善效果。辅助蒸发系统稳定运行后，压缩机吸气压力稳定为 0.35 MPa。调节稳压源，设定不同的电加热膜热负荷工况， 当电加热膜温度超过38 ℃时，打开电池侧直冷系统，通过调节电子膨胀阀 EXV2 和降压装置开度使降压装置出口过热度达到预定目标值5 K 。 分析不同工况下直冷板出口压力以及直冷板出口的过热度变化趋势，以表明在直冷板后接入降压装置的控制方案的可行性 。实验主要测量参数为过热度和压力，过热度包括蒸发器出口过热度、直冷板出口过热度、降压装置出口过热度，压力包括直冷板出口压力、压缩机进出口压力、降压装置出口压力。其中，温度传感器测试精度为± 0.5 ℃，压力传感器的测试精度为2.5 级。电子膨胀阀EXV2 和压力调节阀EXV3 全开步数为576 步，实验工质为R134a。
实验通过调节直冷板前后的电子膨胀阀和降压装置来控制直冷板的蒸发温度，并改善直冷板的均温性。固定开度的直冷板出口降压装置可以是固定开度的压力调节阀或者是固定节流孔装置。本实验采用固定开度的压力调节阀 EXV3 和固定节流孔装置两种方案，对制冷剂直冷系统性能进行研究。在固定开度压力调节阀试验中，压力调节阀开度保持在31.3%。调节电加热膜功率为500 W、600 W、700 W、800 W。通过 PID控制方式调节 EXV2 以调整降压装置出口过热度为 5K。其中 EXV2 口径为1.0 mm，压力调节阀口径为2.5 mm。图 5 所示为直冷板制冷剂流量、直冷板系统焓差随电加热膜热负荷的变化趋势，以及电子膨胀阀 EXV2 开度对制冷剂流量和直冷板出口压力的影响。直冷板系统焓差为压力调节阀出口焓值与电子膨胀阀 EXV2 的出口焓值之差。
图 5 制冷剂流量、系统焓差随热负荷的变化以及 EXV2对不同热负荷下直冷板出口压力的影响随着电加热膜热负荷的增加，为保证直冷板出口过热度在合适范围内，因此通过调节电子膨胀阀 EXV2 的开度来增加直冷板的制冷剂流量，以满足系统换热量要求。 而系统焓差主要由降压装置出口和冷凝器出口状态参数决定，在不同电加热膜热负荷下最大波动不超过 3 kJ/kg。因此换热量的增加主要受制冷剂流量变化影响，由图5(a)可知， 制冷剂流量与热负荷呈线性关系变化。从实验结果看，增加电子膨胀阀 EXV2 开度会直接影响直冷板出口压力，直冷板内压力随着电子膨胀阀 EXV2 开度的增加而增加。 由于直冷板内是两相换热过程，直冷板蒸发温度随着冷板出口压力的增加而升高，蒸发温度的改变会直接影响电池温度。
在电池热管理系统中，电池温度需要控制在合适的范围内（一般为 20~30℃之间[21]），以保证汽车的安全行驶。图 6 所示为固定开度的节流阀和固定节流孔实验中直冷板表面温度和直冷板内压力随加热膜热负荷的变化。其中，Tavg为 电加热膜监测点平均温度； Pout 为直冷板出口压力； La&Db 为长度 amm ，内径 bmm 的固定节流孔； V31.3% 表示使用固定开度为 31.3% 的压力调节阀。由图可知， 直冷板出口压力随着电加热膜热负荷增加而增加，直冷板蒸发温度也随之增加，导致电加热膜平均温度在 700 W 时已达到 40 ℃。因此，直冷板后使用固定开度的降压装置对电加热膜温度（即直冷板表面温度）的控制能力有限。
图 6 直冷板出口压力和加热膜监测点平均温度随着电加热膜热负荷的变化表 1 为限制电加热膜平均温度小于40℃，直冷板蒸发温度大于15℃时，使用固定开度的降压装置可控制的热负荷范围。使用固定开度的降压装置可以控制的热负荷范围较小，而电池在不同工况运行时的热负荷变化范围较大。从直冷板温度控制的角度看，当负荷变化时，直冷板出口采用固定开度降压装置可以提高直冷板的蒸发温度， 但是在热负荷变化时不能很好地控制电池温度 。 热负荷过低时，直冷板蒸发温度会低于15℃，导致电池过冷却 。 热负荷过高时，直冷板蒸发温度偏高导致电池温度高于 40℃。电池温度过低、过高均会影响电池的循环寿命。
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