STECO蓄电池CO中温度不均匀性的机制与缓解2通过蒸发压力匹配实现快充过程中直冷电池组的热管理
快速充电技术的迅猛发展对电池热管理提出了重大挑战。直接冷却系统中制冷剂传热与电池热惯性的动态失配，导致快充高发热工况下温度均匀性恶化。为解决该问题，本研究开发并实验验证了CO2跨临界循环的多物理场耦合模拟模型2直接冷却式电池热管理系统。该模型特别关注快充条件下的电池温度均匀性，重点研究瞬态产热过程中的流-热耦合响应。研究发现，由于制冷剂传热与电池热惯性之间的动态失配，导致温度均匀性较差。为改善温度均匀性，研究了多种工况下的稳态温度分布特性，并提出一种多参数前馈蒸发压力控制策略。模拟结果表明，随着电池产热量增加，电池温度均匀性显著恶化，且温度梯度集中于冷板出口附近。此外，在1.5C充电工况下，EPC策略可将电池平均温度维持在30°C，同时使充电过程最大温差降低46.9%。该方法在不改变硬件结构的前提下改善温度均匀性，既提升了快充热安全裕度，又延长了车用电池循环寿命。
引言
随着全球对气候变化和环境污染问题的日益关注[1]，各国已出台严格的排放法规并实施多种激励政策[2]。作为化石燃料的最大消费领域之一，交通运输行业正在经历深刻变革[3]。电动汽车(EVs)凭借零尾气排放、更高能效以及相较于传统内燃机车辆更低的噪音水平，已成为未来交通的关键解决方案[4]。锂离子电池以其高能量密度和长循环寿命著称[5]，被广泛应用于电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)领域。快速充电技术作为电动汽车普及的关键环节[6]，会在充电过程中产生大量热量。若缺乏有效的热管理，这些热量将导致电池加速衰减[7]、容量下降、寿命缩短[8]，极端情况下还可能引发热失控或爆炸[9]。因此，开发可靠高效的电池热管理系统(BTMS)势在必行。
动力电池的性能受温度影响显著[10]，其最佳工作温度范围通常定义为25-40°C[11]。电池温度过高不仅会导致性能衰减和寿命缩短，更可能引发严重的热失控风险，威胁车辆安全[9]。保持电池温度均匀性同样至关重要，建议将温差控制在5°C以内[12]。电芯间的温度差异会导致容量失衡，从而降低电池包的整体效能[13]。此外，研究表明，显著的温度不均匀性可能导致严重的局部过热，进而引发热失控[14]。当前电池热管理方法包括相变材料（PCM）冷却、热管冷却、风冷、液冷以及制冷剂直冷[15]。相比之下，制冷剂直冷两相冷却展现出更优的冷却效率、更强的温度均匀性以及更高的系统效率，这使其成为未来发展的关键方向。
近年来，制冷剂直冷技术在电动汽车电池热管理系统（BTMS）研究中日益受到关注。其两相换热机制可实现比乙二醇-水溶液高近五倍的传热效率[16]。通过采用微通道冷板，制冷剂直冷可使冷却模块重量降低56%[17]。此外，研究表明与传统液冷系统相比，制冷剂直冷在电池老化过程中能多保留16.1%的容量，并使内阻降低15%[17]。冷板设计始终是直接制冷剂冷却研究的核心关注点。钱等[18]研究表明，在均匀分布冷板中将流道宽度从3 mm增至6 mm可使压降降低55%。魏等[19]探究了柔性微通道冷板系统，并提出最优设计方案。盛等[20]强调了进出口位置与流向对电池温度均匀性的显著影响。Dhamodharan等[21]评估了R1234yf在直接冷却中的应用潜力，发现该制冷剂在不同C倍率下均表现出卓越性能。该系统的设计对制冷剂直冷技术的应用至关重要。Hamut等人[22]对比了空气冷却、制冷剂直冷以及混合式制冷剂-液冷系统，发现混合系统展现出更优性能。Cen等人[23]与Wang等人[24]进一步论证了制冷剂直冷技术的可行性，并提出了相应的温度管理策略。先进控制策略亦被引入该领域，包括估计反馈控制[25]以及不同C倍率下多种控制方法的对比研究[26]。制冷剂直冷技术凭借其高传热效率和轻量化设计的特点，标志着电动汽车热管理领域的重大进步。随着快速充电技术的持续发展，探索优化系统架构、元件设计及控制策略的综合解决方案至关重要，以确保在快充条件下实现高效安全的电池热管理。
单体最高温度()与模组温差(Δmax)是衡量冷却性能的核心指标。较高的会加速电池老化。过大的Δ导致单体电池寿命不均衡[27]。实际应用中，目标是将电池温度控制在20-45°C范围内，并使单体间温差保持在5K以内[28]。实现这些目标取决于充电速率、冷板设计及电池热管理系统（BTMS）的控制策略。采用制冷剂直冷技术的快速充电研究表明，即使使用双层冷板，电池组的最大温差仍可能达到9.2°C，这凸显了抑制电池组整体ΔT的难度。在高倍率充放电与相变传热的耦合作用下，亟待开展深入研究[29]。针对制冷剂直接冷却过程中的温度均匀性问题，已有诸多优化方案被提出。最直接的改进集中于冷板结构与流场分布设计。实验与数值模拟对比表明，相比传统液冷方式，两相制冷剂直接冷却能显著降低电池温度并使温度场分布更均匀，但该优势取决于合理的流道布局（例如"G"形流道）[30]。黄等人指出，在两相直接冷却电池热管理系统中，冷板内制冷剂相变引起的对流换热系数变化是导致电芯间温差的直接原因[31]。洪等人[32]同样指出，当冷板出口处的制冷剂状态从0.85干度转变为10 K过热度时，电池单体间的温差将增大约15 K。此外，冷板内并联通道间的流量分配不均会加剧电池温差，这种现象在两相冷却工况下更为显著。冷板内的相分布机理以及歧管与分配元件的设计，同样是抑制Δ的关键因素。max在电池单体之间[33]。除冷板几何结构外，控制冷板内部制冷剂状态对电池温度均匀性同样至关重要。Van Gils等人[34]指出，两相冷板中的流态通常由干度设定，并对冷却性能产生显著影响。Wang等人[35]通过实验和数学模型证明，在电动汽车两相电池热管理系统中，电池包温差随干度升高而增大。Fang等人[36]研究表明，对于泵驱两相系统，将冷板出口干度设定为0时25将整体传热系数最大化，并使冷板壁温降低约10开尔文。此外，单个组件的优化必须在热管理系统（TMS）的框架内进行评估。部分针对电池的独立直接冷却研究可将单体温差控制在5开尔文以内[37]。然而在TMS中，需要通过系统匹配、架构设计和动态控制来降低系统层面的动态温差。Wang等学者[38]通过系统改进与四通阀的优化控制，使电池模组间温差下降7.4摄氏度。其他研究则通过设计电池支路与座舱支路间的蒸发压力控制策略，改善了电芯间的温度分布[39]。T causes unequal cell lifetime [27]. In practice, the target is a battery temperature of 20–45 °C and a temperature difference between cells within 5 K [28]. Meeting these targets depends on the charging rate, the cold plate design, and the control strategy of the BTMS. Studies on fast charging with refrigerant direct cooling report that even with dual-layer cold plates, the pack's maximum temperature difference can still reach 9.2 °C. This highlights the difficulty of suppressing pack-wide ΔT under the coupling of high C-rates and phase change heat transfer, and the need for further research [29]. To address temperature uniformity during refrigerant direct cooling, many optimization approaches have been proposed. The most direct improvements focus on the cold-plate structure and the flow distribution. Experimental and numerical comparisons show that two-phase refrigerant direct cooling can significantly lower battery temperature and make the temperature field more uniform than conventional liquid cooling, but the benefit depends on proper channel layout (for example, a “G”-shaped channel) [30]. Huang et al. pointed out that, in a two-phase direct-cooled BTMS, changes in the convective heat-transfer coefficient caused by refrigerant phase change inside the cold plate are a direct cause of temperature differences between cells [31]. Hong et al. [32] also reported that when the refrigerant state at the cold plate outlet changes from a vapor quality of 0.85 to a superheat of 10 K, the temperature difference between cells increases by about 15 K. In addition, flow maldistribution among parallel channels in the cold plate amplifies cell temperature differences, which is more severe under two-phase cooling. The phase-distribution mechanism in the cold plate and the design of manifolds and distribution components are also key to suppressing ΔT between cells [33]. Beyond cold-plate geometry, controlling the refrigerant state inside the cold plate is also essential for battery temperature uniformity. Van Gils et al. [34] reported that the flow regime in two-phase cold plates is often set by vapor quality and has a strong impact on cooling performance. Wang et al. [35] used experiments and a mathematical model to show that, in an EV two-phase BTMS, the pack temperature spread increases as vapor quality rises. Fang et al. [36] indicated that, for pump-driven two-phase systems, setting the cold-plate outlet quality to 0.25 maximizes the overall heat-transfer coefficient and lowers the cold-plate wall temperature by about 10 K. Additionally, the optimization of a single component must be evaluated within the context of the TMS. Some standalone direct-cooling studies for batteries can maintain a cell temperature difference of below 5 K [37]. However, within the TMS, system matching, architecture design, and dynamic control are needed to reduce the dynamic temperature difference at the system level. Wang et al. [38] improved the system and optimized the control, with a four-way valve, the temperature difference between battery modules fell by 7.4 °C. Other studies designed control of evaporating pressures between the battery branch and the cabin branch to improve the temperature distribution among cells [39].
先前的研究已成功展示了快充条件下的性能提升与有效冷却设计方案，但这些研究主要集中于以R134a为基础的系统。由于R134a的全球变暖潜能值(GWP)高达1430，制冷剂替代势在必行[40]。当前主要替代方案包括氢氟烯烃类制冷剂(HFOs)、R290以及二氧化碳2[41]。二氧化碳2具备优异的制热性能，可缓解电动汽车冬季续航焦虑，因此成为电动汽车热管理系统(EVTMS)研究的重点方向[42]。然而针对二氧化碳2直接冷却系统仍存在局限性。Kritzer等[43]提出了一种基于CO₂的电池热管理系统，通过CO₂脉冲扩展包证明了在5C充电过程中对热失控的抑制效果。2Wang等[44]研究表明，对于CO₂制冷剂直接冷却系统，在400W电池热负荷下蒸发温度应限制在约11°C，且冷板出口干度需控制在0.95左右。2Fang等[45]通过系统架构优化表明，半串联耦合的CO₂2与乘员舱蒸发器相连的直接冷却电池支路能提供更好的稳定性，并维持更小的电池单体间温差。在整车层面，Wang等[39]与Pan等[46]对CO2直接冷却系统进行了仿真，并针对热管理系统的功能实现与运行控制开展了系统级优化。除两相CO2冷却外，Wang等[47]进一步指出超临界CO2可在冷却过程中实现高传热系数与低压降，从而为电池提供强大的散热能力。总体而言，这些研究证实了CO2冷却技术的可行性与应用潜力。2电池直接冷却技术[48]。然而现有研究主要集中于性能评估、制冷剂状态影响、架构优化及控制实施等方面，对于快充过程中单体电池层面温度不均匀性的动态调控机制仍缺乏深入理解。特别是电池热响应与热管理系统流体系统响应之间的动态失配问题尚未得到系统性阐明，该问题对于CO（此处原文不完整）2在超临界区域运行的系统，其排放压力调节会显著影响系统性能和热管理性能。因此，仍需进一步研究以阐明动态温度不均匀性的起源，并为快速充电CO2直接冷却电池系统制定相应的缓解策略。 %%2 systems operating in the transcritical region, where discharge pressure regulation strongly affects system performance and thermal management performance. Therefore, further study is still needed to clarify the origin of dynamic temperature non-uniformity and to develop a corresponding mitigation strategy for fast-charging CO2 direct cooling battery systems.
为应对CO2直冷系统中电池温度分布不均的挑战，2本研究系统探究了稳态与动态快充条件下电池温度均匀性，着重分析其内在机理及缓解策略。首先，通过实验验证的CO2开发了采用制冷剂直冷电池的EVTMS模型，并在宽工况范围内评估了BTMS的稳态性能，以表征系统运行条件与电池温度分布之间的耦合关系。基于该分析，针对不同电池生热率，确定了温度均匀性和平均温度约束下的可行工作区间。更重要的是，本研究阐明了电池热响应与TMS流体系统响应之间的动态失配是导致快充过程中温度不均匀的关键机制。最后，探究了恒流-恒压（CC-CV）动态充电过程中的电池温度均匀性，并提出了一种控制策略以缓解所识别的失配问题。本研究的创新性不仅在于对直接冷却进行了动态研究，更在于揭示了导致快充温度不均匀性的动态失配机制，并基于该机制推导出相应的缓解策略。
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