银杉蓄电池基于半串联制冷剂直冷架构的电池-座舱耦合CO2%EVTMS动态权衡优化与节能研究2电池-座舱耦合CO2%EVTMS通过半串联制冷剂直冷架构实现动态权衡与节能
发布时间：2026-04-01 22:35:28 点击： 次
随着电动汽车的快速普及，电动汽车热管理系统（EVTMS）在动力电池动态温度均匀性控制及与乘客舱耦合方面面临紧迫挑战。本研究基于整车热需求，开发并验证了采用制冷剂直冷式电池冷却的EVTMS瞬态模型。通过不同控制方案，对比分析了蒸发压力不均（UEP）与蒸发压力均等（EEP）两种系统架构的动态冷却性能及电芯间温度均匀性。随后对每种架构与控制方法的适用性进行了分析，阐明了固定约束条件下支路混联导致的性能衰减现象及其作用机制。此外，本研究量化了电池冷却与座舱热管理之间的Trade-off关系，并界定了相互影响的程度。针对支路混联引发的性能衰减以及电池均温性与座舱舒适性之间的权衡问题，创新性地提出了一种采用温度跟随Strategy的半串联直冷架构。Simulation结果表明，该方案可使电池最大温差降低60%，平均功耗减少3%，同时保持座舱舒适度。这些发现为架构与控制的Co-op优化提供了新的理论与方法指导。2工程应用中的直接冷却型电动汽车热管理系统
2020年全球碳排放总量中有16%来自交通运输领域，其中四分之一源于道路交通排放[4]。道路交通脱碳已成为国际社会共同面临的挑战[5]，多国已出台相关法规与战略以减少排放、缓解环境压力[6][7]。在此背景下，新能源汽车因其环境友好特性实现快速增长[8]，各国相继推出交通电气化推进计划。例如梅赛德斯-奔驰等企业已宣布将于2030年前实现全面电动化的战略目标[9]。22024年，电动汽车（EV）销量突破1700万辆，预计2025年将超过2000万辆，到2030年市场份额将超过40%[10]。在这场交通电气化浪潮中，锂离子电池因其高能量密度[11]、低自放电率和长循环寿命[12]成为电动汽车的主流动力来源。然而与传统车辆空调系统相比，电动汽车热管理系统必须兼顾乘员舱舒适性与电池温度控制[13]。2多模式热管理架构及其对续航里程的影响仍是电动汽车发展的关键瓶颈。
锂离子动力电池的性能和寿命受工作温度及温度均匀性的显著影响。该电池需在25-40°C范围内工作，以避免低温下阻抗增大和高温下热失控风险[14]。同时，单体电池间温差不得超过5°C，以防止电池间容量失衡[15]。现有多种电池热管理方法可供采用，例如空冷、相变材料（PCM）冷却、液冷以及直接制冷剂冷却[16]。然而，目前量产车型中仅广泛采用液冷与制冷剂直冷两种方案。相较于单相液冷，制冷剂两相沸腾传热能维持近乎恒定的温度，更有利于保证电芯间温度均匀性[17]。制冷剂直冷技术具备冷却效率高[18]、系统功耗低等优势，且无需额外热交换器或复杂管路系统，更符合车辆轻量化需求，具有显著发展潜力[17]。截至目前，采用制冷剂直冷的电池热管理技术已逐步被厂商采纳，并应用于宝马、奥迪、奔驰等品牌的部分车型中[19]。
液冷技术仍是车用电池热管理系统（BTMS）的主流解决方案。然而，制冷剂直冷因其效率与成本优势被广泛研究。BTMS的主要目标是将电池温度维持在安全范围内并保持温度均匀性。针对电池的制冷剂直冷研究通常分为两类：冷板设计与整体系统架构。冷板设计是基础环节：Zhou等学者[20]开发了一种用于圆柱电池的"半螺旋"流道，将温差限制在3.64°C。Mo等[21]采用拓扑优化方法设计冷板，使压降降低47.9%，最高电池温度下降2.3°C。Wang等[22]比较了八种不同冷板设计，确保在2C放电倍率下电池温度分布保持在5K以内。Shen等[23]评估了多种冷板结构，证明通过流道形状与布局优化可提升温度均匀性与传热性能。Song等[24]设计了两组平行蛇形冷却板通道，并与传统冷却板进行对比，有效降低了电池单体温度和最大温差。高等人[25]基于两相流特性设计了制冷剂冷却板，并提出一种关联通道几何形状与流体行为的新指标以指导设计。连等人[26]通过划分过热区与非过热区优化冷却板水力直径，使单体最高温度降低11℃。综合来看，这些冷却板研究表明：精细化通道几何结构与拓扑优化能有效降低单体最高温度并改善温度均匀性。然而，这些发现仍停留在部件层面，且多数基于稳态或简化条件，未能体现与整车级制冷剂循环及车厢热负荷的动态相互作用。
由于冷板对电池的冷却特性取决于制冷剂循环，许多学者在零部件层面研究进展的基础上，对整车BTMS层面的制冷剂直冷技术进行了研究。相较于单相液冷，双相制冷剂冷却可将传热效率提升近五倍[18]，而更优的冷却性能能够延缓电池老化[27]。2018年，Cen等[28]验证了一种与乘员舱分支并联运行的电池直冷系统。Karimi等[29]针对快充工况研究了该系统的性能，发现其冷却效率提升了28%。Jin等[30]提出了一种结合制冷剂相变冷却与强制液体对流的BTMS方案，该系统能根据工况选择最优工作模式，使能耗降低36.5%。Cen等[31]通过调节比例-积分-微分（PID）控制参数，在1.5C充电倍率下将电池模组温差维持在2.5°C以内。总体而言，这些电池热管理系统（BTMS）层面的研究主要针对特定工况下的单体冷板、系统架构或控制器进行优化，却鲜少评估瞬态车辆运行或耦合座舱负载条件下的电池温度均匀性。电池冷却与座舱制冷存在联动关系，但探究整车级交互作用的研究仍属稀缺。Shen等[32]分析了等蒸发压力冷板与暖通空调（HVAC）蒸发器的串并联布局方案，发现串联布局可降低座舱制冷延迟。随后，他们分析了传统EEP架构在高温高速工况下的表现，并通过旁通阀对其进行了优化[33]。Dai等[34]评估了快速充电与高速行驶条件下的电池冷却性能。Guo等[35]提出了一种用于电池直冷的不等蒸发压力架构，并在新欧洲驾驶循环(NEDC)工况下进行测试，实现了有效冷却。Gao等[36]为并联蒸发器系统开发了估计反馈控制，显著降低了温度波动。这些系统层面的研究开始考虑电池支路与乘员舱支路的交互作用，但多数基于R134a制冷系统，且局限于特定驾驶场景，未能定量描述电池支路与乘员舱支路之间的流动与传热耦合特性。因此，这些研究未能完全解决如何同时保障热舒适性与电池动态温度均匀性的问题。
尽管现有研究主要集中于传统制冷剂R134a，但基于制冷剂的直接冷却技术研究仍显不足。鉴于制冷剂替代的迫切需求，探究新一代制冷剂在电池冷却性能中的应用已成为一个重要却尚未充分探索的研究前沿。Dhamodharan等人[37]评估了R1234yf在不同电池热负荷条件下的直接冷却潜力，Wang等人[38]则针对CO2制冷系统比较了多种蒸发温度控制策略。2电池直冷系统。然而，这些研究主要关注组件或电池端行为，并未考虑整车架构或实际瞬态工况下的座舱-电池耦合效应。特别是同时集成二氧化碳跨临界循环特性、动态控制策略及整车EVTMS层面制冷剂直冷技术的研究仍然匮乏，这极大限制了制冷剂直冷技术在量产车型中的实际应用。 %%2 transcritical cycle characteristics, dynamic control strategies, and refrigerant direct cooling at the vehicle EVTMS level is still lacking, which significantly limits the practical application of refrigerant direct cooling technologies in production vehicles.
基于上述已识别的局限性，图1以示意图形式概括了本研究的主要目标与方法论。通过采用高精度的舱体-电池-热管理系统耦合模拟模型，本研究旨在探究一种CO2采用电池直接制冷剂冷却的EVTMS架构。首先，在启停控制模式和连续控制模式下，分别比较传统等蒸发压力与不等蒸发压力架构的性能表现。其次，深入分析传统架构与控制策略的固有缺陷。基于此分析，揭示传统方法存在的两个根本性不足：支路混合导致的固定约束下性能衰减，以及座舱舒适性与电池温度均匀性之间的策略性权衡。通过揭示这些潜在机理，该架构与控制策略得到进一步优化。本文提出了一种新型半串联并联不等蒸发压力架构，并实现并验证了电池温度跟踪控制策略。这项工作阐明了CO2热泵系统中车厢与电池间的动态耦合关系。2采用直接电池冷却方案的EVTMS可识别系统固有缺陷并提出改进方案，该研究成果为CO的迭代开发提供指导。2EVTMS设计工作支持低碳化、智能化的EVTMS解决方案开发。
引言
锂离子动力电池的性能和寿命受工作温度及温度均匀性的显著影响。该电池需在25-40°C范围内工作，以避免低温下阻抗增大和高温下热失控风险[14]。同时，单体电池间温差不得超过5°C，以防止电池间容量失衡[15]。现有多种电池热管理方法可供采用，例如空冷、相变材料（PCM）冷却、液冷以及直接制冷剂冷却[16]。然而，目前量产车型中仅广泛采用液冷与制冷剂直冷两种方案。相较于单相液冷，制冷剂两相沸腾传热能维持近乎恒定的温度，更有利于保证电芯间温度均匀性[17]。制冷剂直冷技术具备冷却效率高[18]、系统功耗低等优势，且无需额外热交换器或复杂管路系统，更符合车辆轻量化需求，具有显著发展潜力[17]。截至目前，采用制冷剂直冷的电池热管理技术已逐步被厂商采纳，并应用于宝马、奥迪、奔驰等品牌的部分车型中[19]。
液冷技术仍是车用电池热管理系统（BTMS）的主流解决方案。然而，制冷剂直冷因其效率与成本优势被广泛研究。BTMS的主要目标是将电池温度维持在安全范围内并保持温度均匀性。针对电池的制冷剂直冷研究通常分为两类：冷板设计与整体系统架构。冷板设计是基础环节：Zhou等学者[20]开发了一种用于圆柱电池的"半螺旋"流道，将温差限制在3.64°C。Mo等[21]采用拓扑优化方法设计冷板，使压降降低47.9%，最高电池温度下降2.3°C。Wang等[22]比较了八种不同冷板设计，确保在2C放电倍率下电池温度分布保持在5K以内。Shen等[23]评估了多种冷板结构，证明通过流道形状与布局优化可提升温度均匀性与传热性能。Song等[24]设计了两组平行蛇形冷却板通道，并与传统冷却板进行对比，有效降低了电池单体温度和最大温差。高等人[25]基于两相流特性设计了制冷剂冷却板，并提出一种关联通道几何形状与流体行为的新指标以指导设计。连等人[26]通过划分过热区与非过热区优化冷却板水力直径，使单体最高温度降低11℃。综合来看，这些冷却板研究表明：精细化通道几何结构与拓扑优化能有效降低单体最高温度并改善温度均匀性。然而，这些发现仍停留在部件层面，且多数基于稳态或简化条件，未能体现与整车级制冷剂循环及车厢热负荷的动态相互作用。
由于冷板对电池的冷却特性取决于制冷剂循环，许多学者在零部件层面研究进展的基础上，对整车BTMS层面的制冷剂直冷技术进行了研究。相较于单相液冷，双相制冷剂冷却可将传热效率提升近五倍[18]，而更优的冷却性能能够延缓电池老化[27]。2018年，Cen等[28]验证了一种与乘员舱分支并联运行的电池直冷系统。Karimi等[29]针对快充工况研究了该系统的性能，发现其冷却效率提升了28%。Jin等[30]提出了一种结合制冷剂相变冷却与强制液体对流的BTMS方案，该系统能根据工况选择最优工作模式，使能耗降低36.5%。Cen等[31]通过调节比例-积分-微分（PID）控制参数，在1.5C充电倍率下将电池模组温差维持在2.5°C以内。总体而言，这些电池热管理系统（BTMS）层面的研究主要针对特定工况下的单体冷板、系统架构或控制器进行优化，却鲜少评估瞬态车辆运行或耦合座舱负载条件下的电池温度均匀性。电池冷却与座舱制冷存在联动关系，但探究整车级交互作用的研究仍属稀缺。Shen等[32]分析了等蒸发压力冷板与暖通空调（HVAC）蒸发器的串并联布局方案，发现串联布局可降低座舱制冷延迟。随后，他们分析了传统EEP架构在高温高速工况下的表现，并通过旁通阀对其进行了优化[33]。Dai等[34]评估了快速充电与高速行驶条件下的电池冷却性能。Guo等[35]提出了一种用于电池直冷的不等蒸发压力架构，并在新欧洲驾驶循环(NEDC)工况下进行测试，实现了有效冷却。Gao等[36]为并联蒸发器系统开发了估计反馈控制，显著降低了温度波动。这些系统层面的研究开始考虑电池支路与乘员舱支路的交互作用，但多数基于R134a制冷系统，且局限于特定驾驶场景，未能定量描述电池支路与乘员舱支路之间的流动与传热耦合特性。因此，这些研究未能完全解决如何同时保障热舒适性与电池动态温度均匀性的问题。
尽管现有研究主要集中于传统制冷剂R134a，但基于制冷剂的直接冷却技术研究仍显不足。鉴于制冷剂替代的迫切需求，探究新一代制冷剂在电池冷却性能中的应用已成为一个重要却尚未充分探索的研究前沿。Dhamodharan等人[37]评估了R1234yf在不同电池热负荷条件下的直接冷却潜力，Wang等人[38]则针对CO2制冷系统比较了多种蒸发温度控制策略。2电池直冷系统。然而，这些研究主要关注组件或电池端行为，并未考虑整车架构或实际瞬态工况下的座舱-电池耦合效应。特别是同时集成二氧化碳跨临界循环特性、动态控制策略及整车EVTMS层面制冷剂直冷技术的研究仍然匮乏，这极大限制了制冷剂直冷技术在量产车型中的实际应用。 %%2 transcritical cycle characteristics, dynamic control strategies, and refrigerant direct cooling at the vehicle EVTMS level is still lacking, which significantly limits the practical application of refrigerant direct cooling technologies in production vehicles.
基于上述已识别的局限性，图1以示意图形式概括了本研究的主要目标与方法论。通过采用高精度的舱体-电池-热管理系统耦合模拟模型，本研究旨在探究一种CO2采用电池直接制冷剂冷却的EVTMS架构。首先，在启停控制模式和连续控制模式下，分别比较传统等蒸发压力与不等蒸发压力架构的性能表现。其次，深入分析传统架构与控制策略的固有缺陷。基于此分析，揭示传统方法存在的两个根本性不足：支路混合导致的固定约束下性能衰减，以及座舱舒适性与电池温度均匀性之间的策略性权衡。通过揭示这些潜在机理，该架构与控制策略得到进一步优化。本文提出了一种新型半串联并联不等蒸发压力架构，并实现并验证了电池温度跟踪控制策略。这项工作阐明了CO2热泵系统中车厢与电池间的动态耦合关系。2采用直接电池冷却方案的EVTMS可识别系统固有缺陷并提出改进方案，该研究成果为CO的迭代开发提供指导。2EVTMS设计工作支持低碳化、智能化的EVTMS解决方案开发。