SSB蓄电池采用丙烷的热泵辅助电池冷却系统性能评估：实验研究与动态模拟
2026-02-28 09:33:02
摘要
丙烷作为一种天然制冷剂，是电动汽车间接制冷剂冷却电池热管理系统（IRC-BTMS）中氢氟烃类物质的可持续替代方案。尽管现有研究大多聚焦于部件级性能，但系统级的综合分析仍然有限。本研究基于两相电池冷却器（板式换热器）的实验数据，构建了IRC-BTMS系统级电-热耦合模型。该电池冷却器与电池模块及冷板在MATLAB Simscape环境中集成，形成了电-热耦合网络。所开发的电池冷却器模型与实验结果相比偏差在±10–15%范围内，而电池模型在文献数据验证下温度偏差保持在10%以内。针对不同放电倍率、流动工况和环境温度，我们开展了系统层面的参数化分析与敏感性分析。在被动工况（电池冷却器关闭）下，电池模块在1C、2C和3C放电倍率下分别达到36°C、52.5°C和67.5°C的峰值温度。在制冷剂温度15℃、质量流量10g/s、干度0.4、冷却液流量20L/min工况下激活电池冷却器，可将最高电池温度分别降至23.9℃、38.3℃和54.3℃，实现泵功降低的同时强化冷却效果。尽管提高冷却液流量至30L/min能增强散热，但压降与能耗将显著增加。当环境温度升至45℃时，由于热梯度增大，1C倍率下电池模组温度会在28℃至45℃区间波动。所提出的系统级分析方法为设计新一代电动汽车高能效集成式制冷剂冷却-电池热管理系统（IRC-BTMS）提供了重要指导。
引言
随着对化石燃料枯竭的日益关注以及环境法规影响力的不断增强，可充电能源已成为可持续能源存储的关键要素。因此，电动汽车（EV）正逐步取代传统内燃机车辆，标志着向更清洁、更可持续交通方式的重大转型[1]。在现有电动汽车技术中，锂离子电池作为储能系统的核心组件，对汽车工业的发展进步作出了显著贡献[2]。然而，电动汽车的广泛普及带来了与电池热管理相关的挑战，因为将电池温度维持在15℃至35℃的最佳范围内，对于确保安全性、延长循环寿命以及在不同环境和运行条件下保持稳定性能至关重要[3]。为解决这些挑战，目前已开发出先进的电池热管理系统（BTMS），其整合了热管系统、基于制冷剂的冷却、浸没式冷却以及混合方法等技术[4]。相较于传统的空气或液体冷却方法，这些系统已展现出更优异的热管理性能。为阐明这些热管理策略的分类与适用范围，图1对现有BTMS策略进行了概述，包括主动式、被动式、混合式及先进冷却方法，并说明其在维持电池处于理想热工作范围中的作用。
在各种冷却技术中，间接制冷剂冷却（IRC）系统展现出高冷却能力和快速热响应特性，尤其在电池高倍率放电时仍能保持较低的泵送功率需求[5]。相较于热管和相变材料（PCM）系统，IRC系统具有更快的热量移除速度、持续运行能力以及更有效的低温电池控制优势。尽管直接制冷剂系统具备相似的热性能，但其通常伴随更高成本和更复杂的系统结构[6]。从实施角度来看，IRC系统仅需增加有限数量的组件（如冷却器、膨胀阀和循环回路），这些组件可轻松集成至现有热泵系统中。
开发独立的电池冷却系统通常涉及高成本、系统复杂性增加以及在实现最佳冷却性能方面面临重大挑战。解决这些问题的一个可行方案是将BTMS与电动汽车现有的热泵系统进行集成。热泵作为一种已广泛应用于电动汽车座舱气候控制的装置，具有高能效特性，能够同时提供制热和制冷功能。通过采用单一系统调控电池温度，集成式热管理设计可精简系统架构、降低整体能耗，并借助电池舱、乘员舱与电子元件的高效热耦合提升车辆能效[7]。近年来，大量系统级研究聚焦于将热泵系统与BTMS（电池热管理系统）集成以优化电动汽车性能。Zhao等[8]开发了一种基于热泵的新型BTMS，该系统利用燃料电池余热，使氢耗降低达16%。9%的能耗降低与续航里程提升，同时改善了燃料电池汽车的能源效率与座舱加热性能。Yang等[9]开发了基于制冷剂喷射热泵的集成式电池热管理系统，实现了最高30%的能耗下降，并拓宽了电动汽车在不同气候条件下的工作温度区间。Choi等[10]研究了采用双压缩机和独立制冷剂循环的梯级热泵系统，实验表明该系统最高可降低50%的能耗。在电池充电过程中提升2%，相较于单压缩机系统展现出显著的经济与环境优势。Lee等学者[11]评估了三种结合次级热泵的电池热管理策略，研究表明主动加热技术可使电动汽车续航里程最高提升18.8%，而基于热泵的预热系统能以比电加热器减少38.4%的能耗有效提升电池温度，从而支持低温环境下的续航性能扩展。
制冷剂的选择对于决定电动汽车热泵系统的效率和环境可持续性起着关键作用。在热泵应用中使用的各种制冷剂中，丙烷（R290）已成为电动汽车电池热管理系统[12]的一种高效且环保的选择，相较于R134a和CO等传统制冷剂具有明显优势。2尽管R134a具有较高的全球变暖潜能值（GWP = 1430），但丙烷的GWP几乎可以忽略不计（GWP = 5）且臭氧消耗潜能为零[13]。与CO相比2该系统在高压条件下运行且在温热环境下效率降低，而丙烷则在中等压力下运行，具有更优异的热物理特性，包括更高的潜热和更强的传热性能[14]。此外，许多电动汽车采用基于制冷剂的冷却系统进行电池热管理，这种系统可与热泵系统有效集成，从而提高整体热效率并降低能耗。郭和江[15]提出了一种基于R134a制冷剂的电池热管理系统(BTMS)，该系统无需辅助设备即可直接调控乘员舱热舒适性与电池安全性，实现了夏季(35°C)与冬季(0°C)工况下的独立制冷/制热运行。类似地，Hong等[16]通过全尺寸实验验证，直接两相R134a制冷剂冷却技术可使电池内阻降低15%、容量提升16.1%，且在严苛工况下仍能将电芯温度控制在45°C以下，显著提升了电池性能。此外，Jena等人[17]采用ANSYS Fluent软件对螺旋毛细管中R290与R1270（丙烯）制冷剂进行了计算流体动力学对比分析。其研究结果表明，在相同工况下R290具有更高的质量流量和更优异的热传递性能，凸显了其作为电动汽车电池热管理系统中高效制冷剂的潜力。Li等人[18]进一步证实，基于丙烷的二次回路BTMS在制冷剂充注量大幅减少（较同等R134a系统降低约63%）的情况下，仍能安全高效运行，并在实际工况下保持卓越的热性能。最新研究还开发出基于R290的电动汽车集成热管理系统（ITMS），该系统采用间接式架构协调空调系统、电池组与电动机之间的热交换。与采用R134a的间接热管理系统相比，丙烷系统在制热模式下实现了更高的COP值和更优的传热性能，同时保持相当的制冷能力且所需制冷剂充注量更少，这充分展现了其在电动汽车热管理中高效环保的应用潜力[19]。因此，本研究采用丙烷作为制冷剂实施间接制冷循环（IRC），通过探究不同电池工况与制冷剂运行参数下的冷却性能，旨在将该系统整合至电动汽车热泵架构中，从而开发出先进的电动汽车电池热管理解决方案。
电池冷却器作为二次换热器，是基于逆流换热器（IRC）的电动汽车电池热管理系统（EV-BTMS）热泵设计中的关键部件，其能高效移除电池冷却回路中的热量并提升整体热管理效率[20]。在典型的IRC集成热泵系统中，微通道式、翅片管式及板式换热器等多种类型换热器常被用作电池冷却器[21][22]。在本研究中，采用偏置翅片结构的板式换热器作为二次换热器集成至电池冷却回路，并在一系列制冷剂与冷却液工况条件下评估其热性能。该结构的选择基于其经实证的紧凑性、轻量化及优异的热工水力性能优势，正如我们先前研究[23]所确立的结论。在基于红外控制的电池热管理系统（IRC-based BTMS）中，所供给的制冷剂参数（如温度、质量流量及入口干度x）对系统性能具有决定性影响。r这些参数在决定冷水机组性能以及电池冷却速率方面起着关键作用[24]。其中，参数xr具有特别显著的影响，因为它控制着相态分布，并通过潜热传递直接影响制冷剂的吸热能力。因此，对电池冷却器进行详细的实验研究对于理解IRC运行特性及其冷却性能至关重要。
此外，对电池冷却器开展数值计算与计算模拟研究，可更深入地揭示制冷剂与冷却液参数的协同作用机制。MATLAB作为广泛应用的数值分析与数据处理计算平台，配备了多种专用工具箱。其内置的图形化编程环境Simulink通过区块图建模方式，支持多领域动态系统的建模、模拟与分析[25]。为进一步增强物理系统建模能力，MATLAB扩展模块Simscape提供了通过领域专用区块模拟物理组件的框架。该框架支持跨热力学、流体、机械与电气系统等多物理域的快速模型开发[26]。多项研究采用MATLAB/Simulink平台对不同应用场景中的热力学与能源系统进行模拟。Kim等[26]通过实验测试与MATLAB/Simulink模拟相结合的方式评估了电池组的冷却性能。Alegre等[27]开发了一种基于MATLAB/Simulink的电动与并联式混合动力汽车模型，用于分析发动机功率、电池类型与容量、整车质量等参数对综合性能与续航里程的影响。最近，Kiss等人[28]提出了一种基于MATLAB/Simulink的建模框架来研究区域供热子站的性能，特别关注降低一次回水温度以提升与可再生能源的兼容性。然而，尽管已有大量基于MATLAB/Simscape的数值研究被报道，但多数仅局限于部件级分析，未能扩展到系统级的综合性研究。因此，本研究采用Simscape开发并模拟了间接式制冷剂冷却系统，精确表征冷却剂与制冷剂之间的热流体相互作用，从而支持系统级性能分析与优化。
尽管已有大量研究针对板式换热器中丙烷制冷剂的两相换热现象展开探讨，但多数局限于部件层面的评估，较少涉及系统级应用的整合，例如基于热泵的电池热管理系统（BTMS）。本研究通过采用综合多模型方法，将电池热模型与两相传热模型耦合，评估了作为电池冷却器使用的错位翅片板式换热器的热工水力性能，从而填补了这一空白。基于这些研究成果，本研究进一步将分析扩展至采用MATLAB Simulink/Simscape的热泵集成BTMS系统级模拟，通过参数化分析优化制冷剂与冷却液运行工况。在既往研究中，蒸汽干度通常仅在组件层面进行分析，或仅被视为制冷剂的最终状态参数，而非完全集成化BTMS中的可控变量。输出：本研究与现有研究不同，将蒸汽干度作为关键运行参数纳入完整的系统级模型，该模型耦合了电动汽车运行工况下的电池产热、冷板冷却与电池冷却器系统。该建模方法有助于确定最佳制冷剂运行工况。基于实验测定参数，后续开展系统级模拟，以评估基于IRC的电池热管理系统在实际运行场景下的整体热性能。本研究的核心目标可概括如下：
- 1. 研究采用偏置条形翅片的板式电池冷却器在不同制冷剂质量流量、温度及入口干度条件下的传热与流动特性，以确定在间接双相电池热管理系统回路中具有最佳冷却性能的运行工况。
- 2. 通过整合电池模块、冷板和冷却器的电-热耦合网络模型，利用MATLAB Simscape/Simulink开发并模拟一维电池冷却循环系统，以进行系统级热性能分析。
- 3. 通过参数化与敏感性分析模拟电池模块在不同工况下的热行为，包括放电倍率、制冷剂类型和冷却液流动参数的变化。
- 4. 对集成于电动汽车热泵的基于IRC的电池热管理系统进行系统级评估，重点研究：(i) 电池最高温度随冷却液流量及制冷剂参数的变化，(ii) 冷却液泵、制冷剂泵与冷却板压降的总能耗，(iii) 环境温度对动态电池温升特性的影响。
