行業(yè)技術(shù)專家宋兆普老師做了“動力電池冷媒直冷技術(shù)及設(shè)計要點”的主題分享。

　　

　　以下是演講內(nèi)容：

　　

　　冷媒的技術(shù)原理很簡單，剛才東風貝洱也講過，對于動力電池的系統(tǒng)，把冷媒進入一個蒸發(fā)器，然后通過蒸發(fā)器帶走熱量。這個系統(tǒng)很便宜，但是為什么用得很少？是因為有很多的難點有待解決。這個是它的零部件示意圖，就是一個雙蒸系統(tǒng)，有一個冷凝器、雙膨脹閥，然后還有一個儲液干燥器。

　　

　　下面是液冷系統(tǒng)與冷媒直冷系統(tǒng)的對比，這是液冷系統(tǒng)。液冷系統(tǒng)現(xiàn)在很成熟了。一個Chiller也就是空調(diào)的一個蒸發(fā)器，然后這是膨脹箱，然后是低溫散熱器，然后這是液冷板。然后還有一個高壓加熱器，還有水泵，三通閥，管路等，這就是一個傳統(tǒng)的液冷系統(tǒng)，它的原理就是這樣的。如果將來它變成這樣（冷媒直冷），那很多零件都砍掉，這樣的話就像是貝洱現(xiàn)在做的這些（chiller，冷板等等）就沒有了，不掙錢了。然后變成這樣，這樣就是冷媒直冷系統(tǒng)，我們把液冷系統(tǒng)基本所有零件都扔掉，只保留了一個蒸發(fā)器，重量、成本上都有很大的優(yōu)勢。這個降低的成本我不說具體的數(shù)字。

　　

　　減30%是什么概念？我的液冷系統(tǒng)，比如說成本是5000塊減30%就是1500。然后整車減重至少超過15公斤，但是目前問題是在這里，它的均溫性，這是第一個難點。均溫性很重要，現(xiàn)在很多人液冷系統(tǒng)的時候，均溫性都做的很爛，更不要說很多沒有考慮均溫性的系統(tǒng)。第二就是它的控制策略也很難，電子膨脹閥國內(nèi)就非常少，電子膨脹閥控制器就更少了。

　　

　　然后我們講第一個量產(chǎn)案例：最早的一個冷媒直冷電池系統(tǒng)。2009年奔馳S400款HEV。這是最早的一代，現(xiàn)在都到第三代的。它用的圓柱電芯是德國制定的規(guī)格，就是直徑37.6的圓柱電芯，為什么我們中國是第一大鋰電池制造大國，但是電芯尺寸規(guī)格還是德國人用VDA來規(guī)范我們該做什么尺寸的電芯和模組？憑什么德國人不做電芯，卻可以給我們定電芯尺寸規(guī)格？因為我們整個新能源行業(yè)不團結(jié)，不自信，這真是一個很悲哀的事情；除了S400HEV以外，寶馬的X3、X4、M3、5、6、7全都是冷媒直冷的HEV。這個是寶馬X5，這是PHEV冷媒直冷，寶馬的PHEV都有冷媒直冷。他用的電芯是21173，PHEV1的尺寸，還有一個是F30-35 Up  PHEV，也就是i3的增程版，還有奧迪的A3。

　　

　?。˙MW X5冷媒直冷）這個圖其實是錯的，這個圖是朱總和季工給我的。我用了誰的東西我都會標出來的。大家要注意一點，這個X5蒸發(fā)器它為了改善均溫性是冷熱交替的（流道設(shè)計）。然后可以看到，藍色的低溫進來以后回去，然后出去以后跨到最左邊然后走回來，然后回到后面，注意流道回到后面又變窄了，變窄了是為了提高氣速，包括這里都有回油彎的，還有彈性支撐等都是很關(guān)鍵的設(shè)計要點。這是i3，大家都見得比較多，可能以為i3是第一個冷媒直冷，不是的，i3出來還是很晚的。寶馬因為做冷媒直冷很有意思，我不否定，我做得最早的直冷項目也是寶馬的G38項目，寶馬有一個特點，它的包也很奇葩，寶馬就在直接進口一分為二，我們看X5，我把這個關(guān)鍵圖留下來的，這里是涉及一個很關(guān)鍵的東西就是分流器設(shè)計，就是兩相流流體的分流是非常困難的，它和單相是完全不同的，兩相流的分流根本不均勻。

　　

　　接下來再說說冷媒直冷的難點，為什么它這么便宜沒人做。第一個均溫性不好做。膨脹閥正常工作要過熱，什么是過熱？出口溫度減進口溫度就是膨脹閥的過熱度，但是過熱度和蒸發(fā)器的溫差是不是對應(yīng)的？不是！舉例：如果進口是零度，出口是8度左右，那么我蒸發(fā)器的表面溫差是不是8度？不是，可能是10度或更高。因為蒸發(fā)器進口的冷媒不是最冷的，隨著流動進行，它有流阻導致飽和壓力降低，所以飽和溫度降低，因此冷媒直冷最冷的地方是在蒸發(fā)器中間某個位置，不是進口；這是冷媒直冷和單相液冷的一個不同；冷媒直冷的溫差是很大的。同時，蒸發(fā)器出口是不是最熱的？是，但是蒸發(fā)器的壁面溫度上升并不是燒干開始的，而是干度到一定的程度，環(huán)狀流變成霧狀流以后，壁面?zhèn)鳠釔夯舭l(fā)器的壁面溫度就開始上升了，兩相流傳熱和單相液冷完全不一樣。

　　

　　第二個比較難的問題是雙蒸系統(tǒng)的控制，因為我們的電池包的熱負荷很小。我們的HVAC熱負荷是5.5kW，但是電池包熱負荷很小，因此兩個蒸發(fā)器和膨脹閥的選擇是不同的。整體系統(tǒng)要求雙并聯(lián)蒸發(fā)器之間實現(xiàn)精確控制，系統(tǒng)控制策略難度大，舉個例子：目前液冷系統(tǒng)就存在空調(diào)最大制冷不足、舒適性差的問題，就是因為chiller和HVAC之間冷媒流量分配控制不好。為了實現(xiàn)蒸發(fā)器的精確控制，最好采用電子膨脹閥，而成熟的電子膨脹閥控制策略需要重新開發(fā)。最后一個難點是加熱，我們液體還好加熱，但是冷媒直冷只能是直接式加熱，而且直接式加熱有很多坑。

　　

　　下一個是冷媒直冷部分測試結(jié)果，因為我們現(xiàn)在做的不能告訴你，我可以告訴你我四年前做的一些東西。因為我2011年就做電池液冷，這塊還是有些積累；這是當初我們做了冷媒直冷測試臺架，從壓縮機出口開始，高壓蒸汽到油分然后到粗調(diào)，然后到主冷凝器，然后到精調(diào)到過冷度，然后有一個儲液器，然后是視鏡，精密流量計，主要是純液態(tài)冷媒質(zhì)量流量可以測得準。然后到電子膨脹閥，然后通過閥之后的初始干度我們測不了，只能通過人為的預(yù)估，我們假設(shè)閥出口干度0.3，設(shè)計時計算冷媒流量時沒辦法用純液態(tài)流量計算，因為經(jīng)過閥之后就有一定的干度了，我們只能假設(shè)一個入口干度，然后剩下的液態(tài)冷媒全部燒干，計算具有的氣化潛熱，保證這個氣化潛熱能夠覆蓋電池的發(fā)熱，這個主要是能量守恒。然后很多個管內(nèi)管外放置了壓力和溫度傳感器采集數(shù)據(jù)。在蒸發(fā)器上面，我們做了全串聯(lián)的蒸發(fā)器，這個蒸發(fā)器肯定是有很大過熱而且是不好的設(shè)計，但是我們是故意設(shè)計成這樣的，我們需要驗證一些東西，我們布了12個接口，然后每個冷板具有兩個鋁擠口琴管，實際蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖是這樣的。

　　

　　我們用sinda/Fluint做了一些仿真，但是這個仿真不是我做的，這個仿真是勝利哥做的哈；另外糾正一下剛才蔣委員長講的東西，冷媒直冷原理不是對流換熱的，它是沸騰傳熱；看看這個仿真結(jié)果：這里是進口，這是出口，最冷的在中間某個位置。右上角是仿真出來的電芯溫差，可以看到溫差超過了多少？超過了10度，這是不可以接受的，我們測很多點的溫度數(shù)據(jù)，溫差確實不是那么好。然后這是相變流動換熱的溫度不均勻性原理說明，三種不同結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器我們都做了仿真，包括同濟大學張春路教授也幫我們做過類似的仿真；上面的是我們蒸發(fā)器的溫度曲線，下面的是冷媒溫度曲線，干度1.0以后代表燒干，可以看到蒸發(fā)器的溫度和冷媒的溫度并不是對應(yīng)的，這是相變換熱的特點和特殊性。重復(fù)一遍：兩相流換熱和單向的液冷原理完全不一樣。

　　

　　冷媒直冷最大的難點和最困難的就是蒸發(fā)器系統(tǒng)不好做，其實雙蒸發(fā)器控制應(yīng)該是好做的，比如MPV很多是雙蒸的，商業(yè)領(lǐng)域也有很多多蒸發(fā)器并聯(lián)的案例；

　　

　　這是2015年1月份的測試結(jié)果，我們做了仿真和測試結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果比較有意思，我們把仿真分析結(jié)果與實際測試對比一下，發(fā)現(xiàn)仿真值與實測的差別保持比較穩(wěn)定，一直在17~18%之間，然后這個仿真就可以用來指導我們的設(shè)計，它能保持一個穩(wěn)定的誤差就OK了。

　　

　　這是我們做的一些測試，我們做了不同的工況。因為汽車在個運動過程中負荷在變。我們做了一些測試結(jié)果，當時我們還找了一下它的壓焓圖各個狀態(tài)點，當時這個測試還是比較理想的，因為這個設(shè)備可以調(diào)得很準的很穩(wěn)的質(zhì)量流量，實際上車載空調(diào)系統(tǒng)肯定不是這樣的。

　　

　　然后簡單說一下膨脹閥選型與策略， 冷媒直冷最好選電子膨脹閥。因為系統(tǒng)控制要求特別高，電子膨脹閥的控制策略我不懂，只能說和電控壓縮機同時調(diào)，你要慢點調(diào)，不要太快。當然你可能有不同的車因為壓縮機控制器的不同，電子膨脹閥控制的策略可能也會不一樣，我們的建議是考慮你壓縮機的特性曲線。

　　

　　雙蒸發(fā)器系統(tǒng)兩個熱力膨脹閥可以嗎？非常不推薦，因為熱力閥的穩(wěn)定大概需要5分鐘，從它變化開度到達到穩(wěn)定，當它穩(wěn)定的時候熱負荷和過熱又變了，然后你膨脹閥是一個永遠動態(tài)調(diào)節(jié)的過程。你系統(tǒng)永遠達不到穩(wěn)定。那雙蒸系統(tǒng)一個電子膨脹閥，一個熱力膨脹閥可以嗎？也不好；因為電子膨脹閥反應(yīng)很快，6秒達到設(shè)定開度。假設(shè)壓縮機轉(zhuǎn)速不變，電子膨脹閥調(diào)好了以后，你熱力膨脹閥這邊冷媒流量是有變化的，然而熱力膨脹閥它反應(yīng)慢，它感應(yīng)到自己的出口過熱度變化后，它會自發(fā)變化開度，然后電子膨脹閥又會根據(jù)熱力膨脹閥的動作而變化開度。所以雙蒸系統(tǒng)用單個電子膨脹閥加熱力閥還是有一點問題，有一點遲鈍。系統(tǒng)魯棒性不好。

　　

　　做冷媒直冷，很多人擔心冷凝水的問題。在座的很多人都學過工程熱力學，里面有一個飽和濕空氣物性表。哪怕我們不控制裝配環(huán)境，哪怕我在35度，100%飽和濕度裝一個包，那這包里面空氣大概有幾十升，幾十升飽和濕空氣的含濕量多少？大概只有幾克，幾克冷凝的時候會有問題嗎？說我有防控透氣膜，第一點我冷卻不是一直進行的，然后包內(nèi)水蒸氣透的容差過快，做個實驗找個干燥的密閉箱裝空氣放進去，看一下你的透氣量達到水蒸氣平衡，這是可以測出來的。然后冷凝在我看來從來不會出現(xiàn)這個問題，因為光的含量非常少，根本不用那么多的水導致你出現(xiàn)絕緣問題不會的。

　　

　　回過來講講均溫性的設(shè)計。剛才我們也看到，假設(shè)我蒸發(fā)器一個串聯(lián)的模式，從頭流到尾會有一個很大的溫差，前面的非常熱，中間的非常冷，那怎么辦？寶馬是把一冷一熱流到同一個電芯底下來解決這個問題的，把一冷一熱流道都放到同一個電芯底下就可以了。目前為止，無論液冷還是冷媒直冷，口琴管形式的冷板或蒸發(fā)器我都是不推薦的，用口琴管結(jié)構(gòu)型式冷板的，目前只有福建的一家電芯公司。有的人說寶馬用口琴管結(jié)構(gòu)冷板，不是的??！寶馬所有的模組，包括大眾的模組，他們的模組設(shè)計底部都有一個鋁金屬板做導熱板，寶馬其實是把沖壓式冷板的冷板上表面挪到了模組的底部！寶馬的電芯，冷卻面積是非常大的，和沖壓式冷板冷卻面積一樣；盡可能充分地利用所有的冷卻面積才能滿足未來快充的要求！因為我們目前的國內(nèi)的方殼電芯模組，底部基本都是電芯冷卻面，沒有那層鋁導熱板的；所以我推薦大家設(shè)計液冷板時，盡量做成沖壓式平板型的冷板；然后兩相流的流量分配也是比較困難的，如何均勻分配冷媒流量是挺難的，目前我們也在探索中；

　　

　　最后還要講一下彈性支撐的。我們設(shè)計的冷板或蒸發(fā)器，在XY方向有定位片，但是Z向是沒有的，Z向是自由的，冷板的底部是有一層彈性元件托起冷板的，這種設(shè)計可以保證在整個壽命使用過程中可以永久保持一個很好地接觸，甚至能夠降低接觸熱阻！原因是什么？我不告訴你。我認為現(xiàn)在動力電池熱管理的同行們，我們現(xiàn)在很多的人做了很多很蠢的設(shè)計，舉個例子：有一個PACK，他把模組固定在箱體一個凸起橫梁上面，冷板固定在箱體底部，冷卻板和模組之間的間隙本來設(shè)計0.5，但是因為公差存在，它這個間隙范圍實際是負0.5—3之間，那么導熱材料的厚度你就很難選了，你是選3.5還是多厚呢？當你選3.5的時候，可能實際模組和冷板之間間隙是0，你要把導熱墊壓到很薄很薄，需要很大的力不說，模組都會有嚴重的變形；若你選擇1.0厚度的導熱墊，但是模組與冷板之間間隙是有可能超過1.0，你發(fā)現(xiàn)你的模組壓根沒有辦法冷卻！所以這種沒有彈性支撐的設(shè)計，想要保證有效的冷卻存在很多困難的地方；但是將冷板變成彈性支撐的就不一樣了；你固定好模組就可以，不用管冷板的固定，不用管，彈性支撐自己會把冷板頂上來，而且彈簧選型很容易的。所以我們用彈性支撐，我們比較推崇彈性支撐的設(shè)計理念；而且，彈性支撐可以選用發(fā)泡硅橡膠，可以顯著的降低冷板的總高度，可以實現(xiàn)良好的直接式加熱；可以保證整個壽命期內(nèi)的彈性支撐可靠性等等；

　　

　　冷媒直冷只解決冷卻的問題，沒有解決加熱的問題，那我們再聊聊直接式加熱。這是寶馬i3的加熱，它是加熱絲加熱，它把加熱放到一個泡棉上，泡面的壓縮限位高是2毫米，然后這個彈性結(jié)構(gòu)件兩側(cè)的兩個齒是卡住蒸發(fā)器口琴管的，然后底下人字形的腳就是產(chǎn)生彈性力的結(jié)構(gòu)；標準的彈性支撐設(shè)計理念哈！它的優(yōu)點就是這種加熱速度非?？?，比液冷快很多，液冷加熱需要先把你七、八公斤的冷卻液加熱起來然后再循環(huán)，冷卻液的熱容很大，會浪費能量。而這種直接加熱是通過蒸發(fā)器直接傳熱給模組，才會更直接、更迅速。I3的加熱系統(tǒng)缺點就是可維修性不好，當你東西壞了，包里面所有的東西都要拆掉才能更換。缺點二就是直接式加熱一定要用彈性支撐，這里面的關(guān)鍵設(shè)計就是彈性支撐，不然加熱絲或加熱膜很容易局部過熱，要有一個平面的東西永久托著加熱膜，保證它與你被加熱的表面永遠接觸好，這樣就不會出現(xiàn)局部過熱的問題，局部過熱大巴上面出現(xiàn)過很多次的問題。

　　

　　大巴早期方案是在模板的側(cè)面加熱，早期都是這樣干的，早期的是貼在電芯的側(cè)面。后面發(fā)現(xiàn)電芯左右其實是不一致的，就是說一個大巴方殼模組9個電芯，其中一個電芯可能某一側(cè)是凹進去的，這樣導致8個電芯側(cè)面都貼好了加熱膜，這個凹進去的電芯加熱不到，這邊加熱不到，所以這個電芯過冷了，但是你BMS很可能不知道這個電芯是冷的！你到了一定溫度你就會充電，這就存在很大的安全風險了；

　　

　　這是Prius的直接式加熱，加熱膜的話里面的加熱絲走向你是可以客制化和定制的，電池在自然冷卻降溫時一定是有溫差的，這個解決不了怎么辦？，豐田故意地把加熱膜設(shè)計成不一樣的，然后人為地彌補了加熱初始存在的溫差。豐田他們都出產(chǎn)品了。本來電池自然降溫就會有溫度不一致性，存在溫差，為了降低加熱溫差，加熱膜就故意做成不一樣的。

　　

　　接下來聊聊直接式加熱系統(tǒng)的風險點：第一個是過熱，第二個是電芯的受熱面過熱，你在做設(shè)計方案時，在應(yīng)用前必須要做大量的實驗來做，要保證電芯底部的受熱面也不要過熱，因為那個過熱你的BMS是很可能不知道的。第二個局部過熱，局部過熱導致干燒導致加熱膜燒斷掉，所以要保證你的加熱膜跟被加熱件有良好的接觸，所以一個良好的彈性支撐是非常有必要的；加熱系統(tǒng)故障反饋，第一個是加熱器過熱，需要監(jiān)測加熱器的熱度。第二個是加熱器斷路，需要檢測加熱器電阻和高壓互鎖。

　　

　　最后講點題外話:其實我們中國人做pack的經(jīng)驗是非常豐富的，因為我們做過的pack是全世界最多的，遇到的坑也是最多的，所以我們在pack設(shè)計領(lǐng)域完全不用盲目迷信國外的設(shè)計公司比如麥格納之類的，為什么呢？因為那些老外并沒有做過pack，他們才不懂pack設(shè)計過程會遇到什么問題，他們很多其實連電芯也不懂！以前內(nèi)燃機時代的那些有名的咨詢公司并不見得可以幫大家設(shè)計pack，甚至他們現(xiàn)在和你談的時候，他們明確說不做design，只愿意做review，為什么呢？因為review可以從你這里偷師啊，他們是想從你這里學到pack設(shè)計的問題和經(jīng)驗教訓呢，所以大家找國外設(shè)計咨詢公司合作的話，應(yīng)該向他們收錢.而不是給錢，因為他們更不會設(shè)計，他們需要向我們學習啊！大家要有這個自信！前幾天和電裝交流時就發(fā)現(xiàn)電裝完全不懂電芯，也沒有做過電池熱管理系統(tǒng)，可以說在電池熱管理這塊它啥都不懂～電裝都如此，其它咨詢類公司都更是嚴重缺乏經(jīng)驗的，謝謝大家。