随着新能源汽车的推广应用，其对电池液冷系统的需求也越来越广泛。本期我们就一起来探讨研究下动力电池液冷系统的设计与试验。
因为应用在不同类型物流车上，需要实现对电池的冷却及加热功能。具体要求见下表。根据客户对机组的要求，确定机组方案如图1所示，该方案制冷功能通过制冷循环实现，制热功能通过PTC实现。压缩机出口的高温高压气态制冷剂流入冷凝器，通过风机散热在冷凝器中冷却为高压液态，再经H型热力膨胀阀节流变为低温低压气液两相后流入板式换热器，在板式换热器中吸收水侧（防冻液，乙二醇与水体积比为1：1）的热量蒸发为过热气态，最后流入压缩机，进行再次压缩。同时板式换热器中水的温度降低，其在水泵的作用下经过PTC后流入电池包对电池芯体进行冷却，再经水泵流入板式换热器。制冷剂回路的所有零部件皆停止工作，从电池包流出的低温水依次经过水泵、板式换热器后进入PTC，在PTC中加热为高温水后流入电池包，对电池芯体进行加热。电池管理系统（BMS）与动力电池热管理机组（TMS）通过CAN线进行交互。TMS一共有4种工作模式：制冷模式、制热模式、自循环模式及关机模式，工作逻辑如下图。针对技术要求及系统方案，对制冷循环进行热力计算，为零部件的选型提供依据。
- 蒸发温度5 ℃，过热度10 ℃，冷凝温度55 ℃，过冷度5 ℃；
因系统制冷量需求为7 kW，初步选定排量为50 mL/r的压缩机；设计计算时选定额定转速为5 000 r/min，按照表3中公式计算系统的制冷量、冷凝热负荷及COP，可以看出，系统设计满足技术要求。1）根据制冷量，选择2.0 Rt型号的热力膨胀阀。2）按照15 ℃的冷凝器进出风温差进行计算，可根据下面参数确定风机的风量及冷凝器的换热面积：按照Q=mcpΔt公式（m为空气质量流量；cp为空气定压比热容，取1.003 kJ/（kg·℃）；Δt为空气进出口温差），可以得到空气质量流量必须大于0.8 kg/s，在环境温度为35 ℃时，若冷凝温度55 ℃，冷凝器换热量须达到12 kW。4）对于板式换热器，蒸发温度为5 ℃，进水温度为20 ℃，水流量在32 L/min时，水侧换热量须大于7 kW。5）水泵选择水流量32 L/min时扬程大于15 m。基于以上方案及零部件的选型，进行样件设计及制作，并制订了试验方案在焓差实验室中对机组进行测试，主要测试项目包括：制冷剂充注量的标定，进水温度、环境温度、压缩机转速对换热量的影响，机组实际制热量与设定制热量的比较等。
- 在实验室中进行测试时，按照图1上的标识布置相应的传感器，在压缩机的排气口及吸气口分别布置高压压力传感器（P1）及低压压力传感器（P2）；
- 在机组进水口和出水口分别布置温度传感器（tin为电池包的进水温度，即机组的出水温度；
- 在冷凝器的进/出口、压缩机吸气口分别布置热电偶（T1，T2，T3）；
（1）在环境干/湿球温度为35 ℃/29 ℃，板式换热器水流量为32 L/min，压缩机转速为4 000 r/min时进行标定。（2）根据经验，制冷剂的初始充注量定为180 g。（3）测试结果如图5所示，该系统制冷剂最佳充注量约为320 g。系统制热模式时采用水暖电加热器（PTC）进行加热。环境温度为-10 ℃，加热器进水温度为0 ℃，水流量恒定为32 L/min时，改变加热器的设定功率，比较实际功率（见下图），PTC设定功率越低，设定值与实际值偏差越大，当PTC设定功率为2 kW时，偏差可达到20%。结论：要使PTC实际功率与设定功率偏差在10%以内，PTC的设定功率尽可能大于6 kW。如下图 所示，当环境温度不变时，机组制冷量随压缩机转速的增加而增加，当压缩机转速超过4 000 r/min以后，增加幅度变缓，压缩机转速超过6 000 r/min后，增加幅度基本为零，所以压缩机高转速运行时，制冷量并不会有较大提升，而且这时功耗很大。经测试：机组的最大制冷量在环境温度为15 ℃时，可达8.5 kW以上。机组运行时系统的高压压力、低压压力、压比是评估系统工作状态的重要参数，图8～图10所示分别为三者随压缩机转速及环境温度的变化情况。系统高压压力及低压压力的设定保护值分别为2 400 kPa和180 kPa。在环境温度为50 ℃时，压缩机转速超过5 000 r/min后机组因高压压力保护而关机。（1）在同一压缩机转速下，高压压力随环境温度的升高而增大，低压压力也随环境温度的升高而增大；（2）在同一环境温度下，高压压力随压缩机转速增大而增大，低压压力随压缩机转速增大而降低，压比增大，压缩机运行工况逐渐恶化；当环境温度高于30 ℃时，COP随压缩机转速的增大先增大而后降低；当低于环境温度在30 ℃时，COP随压缩机转速的增大而降低；压缩机高转速运行时，COP接近1甚至小于1，经济性较差；当压缩机转速不变时，COP随着环境温度的降低而增大。机组的降温特性是评估机组冷却电池包速度的关键参数。测试时取60 L的水作为循环水，初始温度为45 ℃，设置目标温度为5 ℃，每隔30 s记录一次进出水温度。如图13所示，出水温度在20 min内可以从45 ℃降低到5 ℃，平均降温速率约为2 ℃/min；出水温度与目标温度的差值越大，降温速率越大，出水温度与目标温度的差值越小，降温速率越小。通常情况下，从电池包流出的水温度不超过32 ℃，随着动力电池热管理机组对水的冷却，机组进水温度逐渐下降，直到接近目标温度。由图6可以看出，当水流量不变时，机组制冷量随着进水温度的升高而增大；当进水温度不变时，机组的制冷量随水流量的增大而增大，当水流量超过35 L/min后，制冷量基本不再增大；当水流量为40 L/min，进水温度为32 ℃时，系统的制冷量最高，可达9.5 kW。下图所示为系统COP随机组进水温度及流量的变化情况，可以看出，当流量不变时，进水温度越高，系统的COP越高；当进水温度一定时，系统COP随流量的增大而逐渐增大，相应的，当流量超过35 L/min后，系统的COP基本不再增大。
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