针对锂离子电池的优化交变流直接制冷剂冷却技术：在极端运行条件下减轻局部干燥现象

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Optimized alternating-flow direct refrigerant cooling for lithium-ion batteries: Mitigating localized dry-out under extreme operational boundaries

　　摘要：在极端操作边界下对锂离子（Li-ion）电池进行热管理仍然是高功率电动汽车面临的一个关键挑战。尽管直接制冷剂冷却（DRC）提供了优越的潜热吸收能力，但标准单向静态流（S-Flow）架构在动态热负荷下常常会遭受严重的下游干燥和冷凝器饱和问题。尽管最近的一些进展引入了流动反转机制来缓解这些问题，但其有效性仅限于标称操作范围，因此在实际极端条件下的关键热力学故障机制仍然完全未被量化。为了填补这一知识空白，本研究开发了一个强大的瞬态一维数值框架，用于评估一种集成的热管理系统（ITMS），该系统采用了智能的优化交替流（Opt-A-Flow）逻辑，在以前未探索的极端边界条件下进行测试。在50.0°C的严重环境浸没条件下，S-Flow架构的热性能显著下降；对流热传递系数降低了57.6%，系统的性能系数（COP）降至不可持续的0.94。同样，在5.0°C的低温环境下进行4C快速充电时，未缓解的内部欧姆加热超过了单向流动，导致不安全的最大温差（ΔT）达到18.5°C。目标Opt-A-Flow缓解机制成功解决了这些多物理故障问题。通过动态注入两相制冷剂来打破冷凝器饱和限制，优化逻辑将电池最高温度（Tmax）严格控制在34.8°C，并将空间ΔT压缩到高度均匀的3.8°C。此外，通过防止压缩机停转，该架构实现了完全恢复的终端COP为1.65，展示了Opt-A-Flow框架在极端操作条件下的能量和热优势。

引言：全球电气化的快速转变使电动汽车（EVs）成为减少对化石燃料依赖和遏制温室气体排放的主要技术解决方案[1]、[2]、[3]。这一范式转变的核心是锂离子（Li-ion）电池组，它们因其高比能量、坚固的循环寿命和低自放电率而被普遍认为是首选的储能介质[4]、[5]、[6]。例如，当代的长叶片锂离子电池单元的比能量密度可达到152.0 Wh/kg，标称容量可达138.5 Ah[7]、[8]。尽管具有这些优势，锂离子电池的电化学稳定性、操作安全性和整体寿命对温度波动非常敏感。大量文献表明，锂离子电池的最佳工作温度严格介于20.0°C和40.0°C之间，同时要求保持电池模块内的最大温差（ΔT）低于严格的设计控制目标5.0°C，而10.0°C代表了关键的安全阈值。超过这些温度边界会急剧加速容量衰减。特别是，如果局部内部温度超过80.0°C至90.0°C，电池极易发生热失控，这是一种严重的连锁反应，导致隔膜熔化、电解液剧烈分解以及随后的火灾或爆炸[9]、[10]、[11]、[12]。因此，设计一个高效且响应迅速的电池热管理系统（BTMS）对于高功率电动汽车的商业可行性和安全性至关重要。锂离子电池在动态驾驶和快速充电循环中的热生成是一个复杂的多物理现象，主要由Bernardi方程控制，该方程综合了不可逆的焦耳加热（欧姆电阻）和可逆的熵变电化学反应热[13]、[14]。由于内部电阻与充电状态（SOC）和操作温度动态耦合，热生成率可能会大幅波动。实验诊断显示，标准棱柱形电池单元的内部欧姆电阻在90% SOC时为0.81 mΩ，在10% SOC时增加到2.5 mΩ[15]、[16]。在激进的快速充电协议下（例如2C至4C），体积热生成呈指数级增长，在持续2C放电过程中峰值约为58,254.0 W/m3[17]、[18]、[19]。为了对抗这些显著的热负荷，传统的BTMS架构历来依赖于被动空气冷却、泵送液体冷却和相变材料（PCM）集成[20]、[21]。虽然空气冷却在机械上简单且成本效益高，但由于其对流热传递系数极低（基于标准空气动力学模型估计为10.0 W/m2·K到50.0 W/m2·K），对于高于1C速率的高容量电池组来说完全不足[15]。相反，液体冷却使用水-甘醇混合物（密度为998.2 kg/m3，比热容为4182.0 J/kg·K）来提供优越的显热传递[17]。然而，液体系统引入了大量的寄生质量，需要复杂的泵送基础设施，并且如果冷却剂泄漏则存在持续的短路风险[19]。同时，PCM冷却利用潜热吸收，但其本质上是受限于极低的固态热导率（范围从0.33 W/m·K到1.48 W/m·K），并且在材料完全转变为液态时会发生完全热饱和[20]。为了超越传统显热传递的局限性，直接制冷剂冷却（DRC）作为一种高度集成和颠覆性的现代BTMS替代方案应运而生[22]、[23]、[24]。通过将两相制冷剂（如R134a）直接循环通过铝制冷却板，DRC利用了在电池界面处的显著潜热蒸发[25]。在蒸发过程中，R134a的焓从液相的200.9 kJ/kg转变为气相的399.1 kJ/kg，提供了无与伦比的198.2 kJ/kg的热吸收能力[26]。这种两相机制完全绕过了中间液体冷却回路，显著降低了系统热阻，减少了整体车辆质量，并大幅提高了瞬态热响应速度[27]、[28]。最近的数值和实证研究广泛记录了DRC在各种配置下的优越冷却能力。例如，最近的研究验证了双蒸发器蒸汽压缩制冷系统，表明DRC可以在散热负载在80.0 W到320.0 W之间时成功将电池温度控制在35.0°C以下，实验验证误差仅为2.9%到7.2%[25]。进一步的研究在1C放电场景下优化了多通道冷却板，成功将模块最高温度从34.23°C降低到28.91°C，将空间ΔT从5.7°C缩小到卓越的2.4°C，并同时将流动压降从65.0 Pa降低到45.8 Pa[29]、[30]。先进的混合设计结合直接浸入冷却和脉动热管也展示了强大的潜力；然而，这些被动机制在持续2C放电和较高环境温度（例如20.0°C）下通常难以独立将峰值温度控制在40.0°C以下，除非有扩展的散热片[31]、[32]。此外，应用复杂的控制算法（如非线性模型预测控制（NMPC），结合结构改进（如1.0 mm厚的石墨导热肋），已被证明能够将电池单元最大温度抑制在18.25°C，并在1C负载下实现ΔT为3.57°C[30]。尽管有这些结构和算法上的进步，标准单向DRC系统仍存在一个根本性限制：沿流动通道的纵向轴，两相热传递系数的空间衰减[33]、[34]。随着两相制冷剂沿冷却板不断吸收热量，其广义干燥分数（x）增加。一旦蒸发完成且x > 1.0，流体进入单相过热蒸汽状态[35]、[36]、[37]。在这一过热区域内，对流热传递系数急剧下降，最多可下降73.6%（从大约600.0 W/m2·K的稳定两相区域降至大约150.0 W/m2·K[30]）。这种局部热吸收能力的丧失引发了严重的热分布不均，经常导致下游电池单元经历剧烈的温度峰值，达到12.0°C至14.0°C。因此，下游电池单元经常被推远超过5.0°C的ΔT设计控制目标，加速了局部老化并产生了严重的热失控风险[38]。为了直接对抗这种过热恶化，而不依赖于增加全局质量流量的能量密集型措施，最近的进展在DRC循环中引入了动态往复流动机制。通过集成四通换向阀，这些先进的集成热管理系统（ITMS）定期改变制冷剂的流动方向[38]、[39]。在特定控制逻辑的触发下，例如当头部温度降至≤34.0°C而尾部温度超过35.0°C时，往复循环确保将最大冷却能力系统地重新分配到模块的最热区域[40]、[41]、[42]、[43]。在40.0°C的环境条件和2C放电率下对这种往复逻辑进行基准验证，显示出显著的改进：电池最高温度降低了7.5°C（最低降至34.0°C），模块ΔT相比传统单向基准降低了7.3°C[44]、[45]。此外，这种卓越的热均匀性是在不牺牲能量效率的情况下实现的；在压缩机速度为4000 rpm的情况下运行时，往复系统的性能系数（COP）为1.9，明显优于更高速度配置（例如6000 rpm时的1.45 COP）。使用无量纲评估因子（ω）来平衡热调节和能量消耗，优化后的往复循环得分达到2.44，远高于单向静态流（S-Flow）架构的1.31[46]、[47]。然而，正如最近对先进BTMS架构的全面评估所强调的，包括复合蒸汽室和集成电池模块，现有文献中仍存在一个关键缺陷：虽然基础的周期性交替流（A-Flow）模型在标称条件下显示出高效率，但它们在极端和高动态操作边界下的适应性和瞬态稳定性仍然严重不足。通过明确解决这一组织混乱的差距，我们优化交替流（Opt-A-Flow）框架的主要创新得以确立。与传统系统不同，我们的架构专门设计用于动态映射和缓解以前未探索的环境极端条件下的局部干燥风险[48]、[49]。首先，现有的往复循环验证严格限制在40.0°C的环境条件下。在当代现实世界的沙漠气候中，环境极限经常达到50.0°C，这可能会引发早期冷却能力饱和的严重风险，但目前尚未对此进行建模。其次，低环境温度（例如5.0°C至10.0°C）与极高C率快速充电（例如3C或4C）之间的复杂相互作用，导致了独特的相变不稳定性、粘度引起的压降异常和不可预测的过热波动，这些在现有的ITMS框架中尚未得到量化[50]、[51]、[52]。最后，尚未进行严格的定量“干燥”风险评估，以精确识别在哪些热和电负荷限制下，过早的完全制冷剂蒸发（x > 1.0）会主导往复通道并破坏反转逻辑。

为了系统地解决这些技术差距，对现有文献进行了全面回顾，并对电池热管理架构进行了差距分析，如表1中系统总结的那样。因此，为了填补这些关键知识空白，本研究引入了一个新颖而全面的数值框架，旨在定量评估和优化在以前未探索的极端操作条件下的往复DRC网络。主要目标是系统地映射所提出系统的热-液压性能、能源效率和操作阈值，这些阈值与现实世界的极端环境明确对齐。（1）场景A研究了在极端高温环境（50.0°C）下的系统行为。为了模拟类似沙漠的真实操作环境，额外加入了500.0 W/m2的外部环境热通量——代表强烈的太阳辐射。这一场景严格测试了往复冷却架构的热限制，同时评估了冷却能力饱和和冷板出口处的制冷剂质量分布。（2）场景B评估了在5.0°C至10.0°C的低温环境下结合高C率充电条件（3C和4C）下的系统稳定性。特别强调了分析相变稳定性、粘度引起的压降特性以及在快速内部热生成期间的空间温度均匀性。（3）场景C进行了全面的干燥风险评估，以确定制冷剂在到达出口通道之前完全蒸发的精确临界温度和热负荷阈值。这种过早的蒸发会导致局部热点，这是两相往复冷却系统特有的关键故障机制。通过系统地定义这些操作边界并提出有针对性的优化策略（如调节制冷剂质量流量和调整膨胀阀过热设置），本研究为开发下一代能够可靠运行在极端天气和充电条件下的电池热管理系统（BTMS）架构提供了具体的定量设计指南。

方法论：在Simcenter Amesim中进行系统建模为了准确评估ITMS在极端边界下的热-液压限制，需要一个强大且计算效率高的数值框架。虽然三维计算流体动力学（CFD）可以提供高分辨率的空间数据，但它需要大量的计算资源来进行完整的循环瞬态模拟。相比之下，单节点集中参数模型无法捕捉对DRC至关重要的局部空间温度梯度和相变现象。

模型验证和热力学基准校准在将ITMS暴露于场景A、B和C中提出的新极端环境边界和激进快速充电协议之前，必须严格校准一维数值框架的预测准确性。此次校准确保了锂离子电池组的瞬态电热动态以及DRC循环的机械工作的高保真度复现。为了量化实验参考测量值（Valueexp）与基线性能之间的偏差以及空间热差异，在严格验证了瞬态电热动态和机械工作矩阵之后，对DRC架构的基本冷却特性进行了评估。为了建立比较基准，系统最初在标准环境条件下（初始环境温度25.0°C）使用传统的单向路由策略进行了模拟，这里严格定义为S-Flow。S-Flow架构的一个主要固有局限性是其冷却效果随着时间的推移而逐渐减弱。

本研究成功建立了一个高度稳健的一维数值框架，用于评估基于往复式DRC的ITMS的热水力限制。虽然现有文献在标准名义条件下验证了动态流动的缓解效果，但本研究通过将架构扩展到未缓解的、极端的工作环境中，填补了这一关键空白。通过在高环境温度（50.0°C）和低环境温度下的极端快速充电条件下对系统进行评估，进一步深入研究了其性能表现。

**CRediT作者贡献声明**
Abdullatif Hakami：概念构思、数据整理、形式化分析、资金申请、实验设计、方法论研究、项目管理、资源调配、软件开发、监督工作、验证过程、初稿撰写及修订与编辑。

**资金情况**
本研究未获得任何外部资助。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务冲突或个人关系可能会影响本文报告的工作内容。

**致谢**
作者感谢比沙大学研究生院与科研部门通过快速研究支持计划对本项工作的支持。