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• 直冷（Refrigerant Direct Cooling）将空调制冷剂直接引入电池包内蒸发吸热，跳过冷却液中间环节，换热效率比传统液冷高出20%–50%。
• 其核心挑战在于多路并联蒸发管中气液两相制冷剂的分配均匀性，干度不均直接导致局部过冷或过热，进而影响电芯一致性与寿命。
• 比亚迪e平台3.0的冷媒直冷直热架构通过制冷剂分配器设计、电子膨胀阀精准控制与BMS深度融合，实现整包电芯温差±2℃的控温精度。
• 本文从热力学第一性原理出发，逐层拆解直冷系统的完整技术逻辑、工程实现难点与量产落地路径。

一、从"二次换热"到"一次换热"：直冷的热力学逻辑

1.1 液冷的"中间商"问题

当前绝大多数量产电动车采用液冷方案：冷却液（通常为50%乙二醇水溶液，导热系数约0.5 W/(m·K)）在电动水泵驱动下流过电池包内冷板，吸收电芯热量后前往Chiller（电池冷却器），在Chiller中与空调制冷剂进行二次换热，将热量传递给制冷循环，冷却液再回到电池包继续吸热[^1]。

这条路径可以简化为：

电芯发热 → 冷板（固-固导热）→ 冷却液（单相对流换热）→ Chiller（液-液/液-气换热）→ 制冷剂蒸发（相变换热）→ 压缩机 → 冷凝器 → 环境

中间经历了"电芯→冷板→冷却液→Chiller壁面→制冷剂"至少四级传热环节。每一个环节都有热阻，每一级温差都是不可逆损失。

1.2 直冷的"去中介化"

直冷系统把电池冷却系统与车载空调系统高度耦合——本质上相当于把空调的蒸发器直接放进了电池包。制冷剂（主流为R134a或R1234yf，相变潜热>200 kJ/kg）经电子膨胀阀节流后，以低温低压的气液两相态进入电池包内的直冷板，在冷板流道中直接蒸发吸热，带走电芯热量[^2]。

路径简化为：

电芯发热 → 冷板（固-固导热）→ 制冷剂蒸发（相变换热）→ 压缩机 → 冷凝器 → 环境

省掉了冷却液回路、水泵、Chiller和副水箱。系统核心部件从液冷的约12个缩减至约7个，体积和重量减少约30%[^3]。更关键的是，传热链路从四级缩短到三级，且最核心的换热环节从"液-液换热"升级为"相变换热"——制冷剂蒸发过程利用的是汽化潜热，单位质量制冷量远大于冷却液的显热换热。

二、直冷系统完整技术链路拆解

2.1 压缩机：系统的心脏

电动涡旋压缩机将低压气态制冷剂压缩为高温高压气体（典型排气压力12–16 bar，对应R134a冷凝温度约45–55℃）。压缩机转速直接决定系统制冷量——在直冷系统中，由于电池包与座舱空调共享压缩机，需要在两个蒸发器之间动态分配冷量。

比亚迪的方案采用变频压缩机，转速范围通常在1000–6000 rpm。在快充场景下，BMS检测到电池温度上升，会优先将制冷量分配给电池直冷回路，必要时降低甚至暂停座舱空调制冷[^4]。

2.2 冷凝器：向环境排热

高温高压气态制冷剂在冷凝器中与外界空气换热，逐步冷凝为高压液体。冷凝器通常布置在车头，与座舱空调冷凝器共用或集成。风侧换热能力受环境温度、风速和翅片洁净度影响——这也是为什么高温环境（如吐鲁番夏季地表温度70–80℃）下直冷系统面临更大散热压力。

2.3 电子膨胀阀（EEV）：精妙的节流控制

高压液态制冷剂经过电子膨胀阀（EEV）节流降压。这是整个直冷系统最关键的单点控制元件——EEV开度直接决定进入电池包直冷板的制冷剂流量和状态。

EEV的工作原理：步进电机驱动阀针位移，改变流通截面积。开度从全关（0步）到全开（通常500步），步进精度可达几百步。在实际控制中，EEV通常采用PID算法，以冷板出口过热度为控制目标，动态调节开度[^5]。

根据杜登高等人的实验研究（《电子膨胀阀开度对直冷系统电池冷却性能的影响》），当EEV开度从15%增大到45%时： - 系统高低压比持续减小 - 电池冷板出口制冷剂过热度明显减小 - 电池冷却速率从0.39℃/min提升到0.57℃/min，增幅达44.9% - 冷却结束时电池最大温差明显缩小[^6]

2.4 直冷板：相变换热的战场

直冷板是制冷剂与电芯之间的物理界面。常见结构有两种：

• 口琴管式：多根扁平铝管并排焊接成板，制冷剂在管内的微通道中流动蒸发。结构简单，但流道一致性要求高。
• 吹胀式/冲压式：铝板内部冲压出蛇形或仿生流道，制冷剂在流道中流动。流道设计灵活，但耐压和密封要求更高。

直冷板与液冷冷板的核心差异在于：液冷板内是单相流动，温度沿流动方向缓慢上升；而直冷板内是两相流动，制冷剂在蒸发过程中温度近似恒定（饱和温度对应蒸发压力），直到完全蒸发后进入过热段[^7]。

这一特性既是优势也是挑战： -优势：蒸发段温度几乎恒定，理论上有利于均温 -挑战：一旦制冷剂在某个支路中提前蒸干（干度过高），该支路进入纯过热段，换热系数急剧下降，导致局部过热

2.5 气液分离器：保护压缩机的最后一道防线

从电池包直冷板流出的制冷剂应处于完全蒸发但不过热的状态。实际上，为确保压缩机安全（防止液态制冷剂回流造成液击），通常要求出口制冷剂维持一定过热度（典型值3–8℃）。气液分离器确保只有气态制冷剂回到压缩机吸气口[^8]。

三、一次换热为什么更高效：传热学视角

3.1 热阻链条的缩短

传热过程的驱动力是温差，阻力是热阻。液冷系统的总热阻可以简化为各级热阻之和：

R_total(液冷) = R_电芯-冷板 + R_冷板-冷却液 + R_Chiller壁面 + R_Chiller冷却液侧 + R_Chiller制冷剂侧

直冷系统的总热阻：

R_total(直冷) = R_电芯-冷板 + R_冷板-制冷剂(相变)

直冷系统直接省掉了冷却液侧和Chiller壁面的热阻。根据行业仿真与台架测试数据，直冷系统的热阻比液冷降低约40%[^3]。

3.2 相变换热 vs 单相对流换热

冷却液在冷板内是单相对流换热，换热系数通常在300–500 W/(m²·K)量级。而制冷剂在蒸发过程中的两相流沸腾换热系数可达800–1500 W/(m²·K)甚至更高，取决于制冷剂类型、流速、干度和流道几何[^9]。

换热效率的差距体现在实际降温效果上：

数据来源：综合多份仿真与台架测试，具体数值随工况变化[^3][^10]

3.3 寄生功耗的节省

液冷系统需要电动水泵持续驱动冷却液循环，典型功率30–80W。直冷系统取消了电池侧的水泵，制冷剂循环由空调压缩机统一驱动，省去了这部分寄生功耗。行业仿真估算，同等工况下百公里电耗可降低约0.8 kWh（单车型仿真，实际随路况、环境温度浮动）[^3]。

四、工程实现的核心难点

4.1 难点一：多路蒸发管的制冷剂分配均匀性

这是直冷系统的头号工程难题。

当电池包较大时，直冷板通常设计为多路并联流道（例如6–12条支路）。制冷剂经膨胀阀节流后进入分配器，再分流到各条支路。问题在于：进入分配器的制冷剂是气液两相混合物，气相和液相的流速、密度、惯性差异巨大，在分流过程中极易出现分配不均[^11]。

分配不均的后果： - 某些支路液态制冷剂偏多（干度低）→ 制冷剂在支路中未完全蒸发 → 出口含液 → 该区域温度偏低 - 某些支路气态制冷剂偏多（干度高）→ 制冷剂过早蒸干 → 进入纯过热段，换热系数骤降 → 该区域温度偏高

长江奥特佳2026年4月公开的一项专利（CN122129815A）专门描述了这一问题：气液两相制冷剂在分流时，受重力、外部加速度（车辆加减速、转弯）影响，不同朝向支路的流量偏差可达50%以上[^12]。

该专利提出了"一次分流+二次分流"的差分混合布局方案——二次分液并非简单重新分配，而是在一次分液基础上的再收集与均衡，通过跨方位汇集的方式补偿一次分液的偏差。

比亚迪的解决思路则侧重于"过量供液"策略：系统设计时使冷媒流量处于过量状态，即使各并联支路间存在较大的流量分配不均匀（最大可支持50%以上不均匀度），也能确保实际流量最小的支路所获得的冷媒流量仍满足最低换热需求[^13]。

4.2 难点二：过热度控制——在效率与安全之间走钢丝

过热度是指制冷剂实际温度高出其对应压力下饱和温度的差值。直冷系统中，过热度控制是一个精密的平衡问题：

• 过热度过小（<2℃）：存在液态制冷剂回流压缩机的风险，造成液击损坏
• 过热度过大（>10℃）：直冷板内过热段占比过大，有效蒸发换热面积减少，均温性下降

研究表明，电池冷板出口过热度是控制电池温度均匀性的关键参数。增加EEV开度可降低过热度，减小冷板内过热区面积，从而改善电芯温度均匀性[^6]。

但过热度控制还面临动态工况的挑战：快充过程中电池发热功率急剧变化，压缩机转速和EEV开度需要实时协调响应。林必超等人的研究采用PID算法控制EEV，在1C放电下将电池模组最大温差控制在4℃以内、最高温度低于36℃[^14]。

4.3 难点三：压缩机变工况响应

直冷系统中，压缩机同时服务座舱空调和电池直冷两个蒸发器。当电池从低负荷突然切换到快充（例如从巡航状态驶入充电站），电池侧热负荷可能在几秒内从几十瓦飙升到数千瓦。压缩机需要快速提升转速以匹配制冷需求，同时保证座舱空调不被完全切断。

这种变工况响应对压缩机的调速范围、控制算法的响应速度以及制冷剂的动态分配策略都提出了极高要求。据公开资料，比亚迪BMS系统每秒处理2000+电芯数据，可提前10分钟预判温度变化趋势，动态调节压缩机转速与EEV开度[^4]。

4.4 难点四：直冷板的耐压与密封

常规乙二醇液冷回路的工作表压多为1.5–2.5 bar；而冷媒直冷工况下蒸发侧表压约3–4 bar，高压侧可达15 bar以上。工程开发中，不少车企要求直冷板爆破压力达到工作压力的4倍以上，对板材焊接工艺和密封性要求远高于液冷板[^3]。

此外，制冷剂泄漏会直接污染电池模组，且高度集成的系统使得维修多为整体更换，费用较高。

五、案例分析：比亚迪e平台3.0冷媒直冷直热架构

5.1 架构概览

比亚迪e平台3.0的核心创新之一是将电池热管理系统与车载空调系统深度耦合，形成了"冷媒直冷直热"一体化架构[^15]。其基本特征是：

• 直冷模式：制冷剂经膨胀阀节流后直接进入电池包内的直冷板蒸发吸热，冷却电池
• 直热模式：制冷剂在电池包内冷凝放热，加热电池（本质是热泵制热循环的逆向应用）
• 双模一体：同一套制冷剂管路既能在夏天给电池制冷，也能在冬天给电池加热

据比亚迪专利CN111251812A描述，该系统通过换向阀组实现制冷/制热回路的切换，冷媒冷却支路可选择地与座舱室内换热器并联，实现电池与座舱同时制冷或同时制热[^16]。

5.2 均温控制：如何做到±2℃温差

比亚迪宣称其直冷系统可将整包电芯温差控制在±2℃以内[^4]。从公开专利和技术分析来看，其实现路径包括：

（1）双面冷媒流道设计

刀片电池采用扁平长条形结构（典型尺寸约900mm×100mm×15mm），比亚迪在电芯上下两个大面各设置一块直冷板，形成双面换热。相比底部单面液冷板，换热面积几乎翻倍，热流路径更短[^3]。

（2）制冷剂分配器设计

比亚迪的核心专利之一（CN202410798896.6，2026年5月授权）聚焦多并联换热管路的冷媒均匀分配——通过精心设计的分配器结构，结合冷媒压力和流量的智能调节，解决大Pack的均温难题[^17]。

另一项专利（CN202211352187.2）描述了双向流道设计：冷却和加热时冷媒流向反转，优先处理热点或冷点区域，模组温差可控制在<3℃[^17]。

（3）电子膨胀阀精准控制

BMS实时采集96个温度传感器的数据（覆盖每一节刀片电芯），通过PID+模糊控制算法动态调节压缩机转速与EEV开度，实现温控精度±1℃（部分资料表述为±2℃）[^4][^13]。

（4）均温控制模式

比亚迪首创了一种均温控制模式：将冷媒蒸发温度设定在电池最低温与最高温之间，而非传统地追求最低温度。这样既保证所有电芯都在冷却，又避免入口端过冷导致的温差扩大[^17]。

5.3 与液冷方案的量化对比

注：上述对比中"比液冷高20%–50%"指的是换热环节的热阻降低，并非整车能效必然同等提升。不同来源的数据存在差异[^3]。

六、触类旁通：与家用空调多联机的同源难题

直冷系统的制冷剂分配均匀性问题，并非动力电池领域独有。家用和商用空调中的VRF（Variable Refrigerant Flow，变频多联机）系统面对的是同一个工程难题——只是规模不同。

VRF系统是一台室外机连接多台室内机，制冷剂通过分支管路分配到各个房间。由于气液两相流在分叉处的分配不均，距室外机最远的室内机往往制冷/制热效果最差。大金、格力等厂商通过专用的分歧管（Branch Pipe）设计来解决这一问题——本质上就是制冷剂分配器的变体[^18]。

两者的共性在于： 1.气液两相流的分配难题：无论是电池包的多路直冷板还是VRF的多台室内机，核心挑战都是如何让气液混合物在分叉处均匀分配 2.管长/阻力差异：不同支路的管路长度、弯头数量、局部阻力不同，进一步加剧分配不均 3.动态负荷变化：电池包不同区域的发热量不同（类似不同房间的制冷需求不同），需要动态调节

两者的差异在于： 1.空间约束：电池包内的空间极为紧凑，直冷板流道尺寸通常在毫米级，远小于VRF管路 2.均温精度要求：电池要求±2℃温差，远高于空调的±3–5℃舒适度要求 3.安全约束：制冷剂在密闭电池包内泄漏的风险和后果远比在房间中严重

长江奥特佳的专利方案（一次分流+二次分流的差分混合布局）和VRF系统中采用的分歧管技术，本质上都是在解决气液两相流的均匀分配问题。这个跨越电池热管理和暖通空调两个领域的共同挑战，也说明了工程创新的"触类旁通"价值。

七、技术展望与局限性

7.1 直冷的适用边界

直冷并非万能方案。其优势场景主要集中在： -高频快充场景：4C以上倍率快充时，热负荷急剧增加，直冷的相变换热能力更具优势 -对重量/空间敏感的车型：省去水泵和冷却液回路，对底盘紧凑车型有利 -需要冬季加热电池的场景：直热模式利用热泵原理加热电池，效率高于PTC电加热

其局限在于： -大电池包的均温难度：电池容量越大、并联支路越多，制冷剂分配均匀性越难保证 -维修经济性：直冷系统高度集成，一旦损坏多为整体更换 -制冷剂泄漏风险：虽然R134a/R1234yf不可燃，但泄漏仍会污染电池模组 -技术成熟度：供应链尚不如液冷完善，控制策略开发门槛高

7.2 未来演进方向

• 直冷+液冷双通道复合架构：部分车企正在探索在电池包内同时设置直冷和液冷回路，根据工况动态切换或并行运行
• CO₂（R744）制冷剂直冷：CO₂在跨临界循环中具有更高的排气温度和更好的低温性能，2026年已有CO₂直冷EVTMS的研究论文发表，仿真显示最大温差可降低60%[^19]
• AI预测性热管理：结合导航信息和驾驶习惯预测未来热负荷，提前调整压缩机和EEV状态

FAQ

Q1：直冷和液冷哪个更好？

没有绝对答案。直冷换热效率高、系统简单、重量轻，适合高频快充和轻量化车型；液冷均温性好、技术成熟、维修友好，适合大多数日常使用场景。两者的核心差异在于换热路径——直冷是"一次换热"（制冷剂直接蒸发），液冷是"二次换热"（冷却液→Chiller→制冷剂）。选择取决于使用场景和工程取舍，而非简单的优劣之分。

Q2：直冷系统的制冷剂会不会泄漏到电池包里？

存在这种风险，但概率较低。直冷板的工作压力（蒸发侧约3–4 bar表压）高于液冷板（1.5–2.5 bar），对焊接工艺和密封设计要求更高。主流方案采用铝合金钎焊或激光焊接，出厂前进行氦检漏。R134a和R1234yf制冷剂本身不可燃、绝缘性较好，即使微量泄漏也不会像乙二醇那样造成严重绝缘故障，但仍需BMS配合压力传感器进行实时监测。

Q3：为什么直冷能做到±2℃温差？蒸发过程不是温度恒定吗？

制冷剂在蒸发段确实近似恒温（饱和温度），但直冷板内沿流动方向存在三个区域：入口段的过冷液态区、中段的蒸发两相区、出口端的过热蒸汽区。出口过热段换热系数远低于蒸发段，如果过热段过长或各支路过热段不一致，就会产生温差。比亚迪通过"均温控制模式"（将蒸发温度设定在电芯最高温与最低温之间）和双面直冷板设计，压缩过热段的不利影响，配合96个温度监测点和PID控制实现均温。

Q4：直冷系统冬天怎么给电池加热？

直冷直热系统的直热模式本质上是将制冷循环"反向运行"：通过换向阀切换，让高温高压的制冷剂进入电池包内的冷板，制冷剂在冷板中冷凝放热，加热电池。这相当于把电池包变成了热泵系统的"冷凝器"。由于利用了热泵原理（消耗1份电能搬运2–3份热量），其加热效率远高于PTC电加热（COP≈1）。

Q5：直冷技术只适用于比亚迪吗？其他车企有类似方案吗？

直冷技术并非比亚迪独有。宝马初代i3（2013年）曾采用直冷方案；奥迪、奔驰的部分车型也有应用。近年来，随着超快充需求的升级，保时捷Taycan、理想MEGA、乐道L90等车型也开始引入直冷或"直冷+液冷"混合方案。不过，比亚迪是目前在量产规模和系统集成度上走得最远的车企，其核心专利矩阵超过50项[^17]。

参考文献

[^1]: 新能源汽车电池包「直冷」VS「液冷」：原理、优缺点与主流车企方案. 今日头条/汽车工坊, 2026-07-30. 链接

[^2]: L Cattani, M Malavasi, F Bozzoli and C Sciancalepore. Two-phase cooling system for electric vehicles’ battery. Journal of Physics: Conference Series， 2766, 012011

[^3]: 新能源汽车电池包「直冷」VS「液冷」：六大维度对比. 今日头条/汽车工坊, 2026-07-30. 链接

[^4]: 比亚迪第二代刀片闪充电池四大维度重构热管理系统. 仿真秀, 2026-03-18. 链接

[^5]: 杨忠宇. 新能源汽车电子膨胀阀结构创新与性能优化研究. 《科技信息与研究》, 2026年第5期, 181-183.

[^6]: 杜登高, 童立贤, 刘义强, 徐煜铨, 徐林涛, & 王晓飞. (2025). 电子膨胀阀开度对直冷系统电池冷却性能的影响.小型内燃机与车辆技术,54(1), 60-64.

[^7]: Jamsawang S., Chanthanumataporn S., Sutthivirode K., Thongtip T. Investigation on the Performance of Battery Thermal Management Based Direct Refrigerant Cooling: Simulation, Validation of Results and Parametric Studies.Energies, 2024, 17(2), 543.

[^8]: Jialiang Wang and Yimin Zhang. Research on Cooling Characteristics of Power Battery Fast-charging of Refrigerant-based Direct Cooling System. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2021, 696 012007

[^9]: S. Panneerselvam and M. R. Sindhu, "Performance Analysis of Direct Refrigerant Cooling Systems for EV Battery Pack,"2025 Fourth International Conference on Power, Control and Computing Technologies (ICPC2T), Raipur, India, 2025, pp. 1-6

[^10]: 汽车测试网. 电动汽车电池组冷媒直冷系统工作特性的试验. 2024-07-03. 链接

[^11]: 窦泽春, 何凯, 李华, 唐文冰, 杨杰, & 谢永清等. (2025). 一种冷媒直冷直热电池系统及控制方法.CN121238077A.

[^12]: 曾凯, 吕伟业, & 穆景阳. 一种混合分流装置及换热器组件.CN122129815A.

[^13]: 窦泽春, 何凯, 李华, 唐文冰, 杨杰, & 谢永清等. (2026). 一种冷媒直冷直热电池系统及控制方法.CN121238077B.

[^14]: 林必超, 岑继文, & 蒋方明. (2020). 汽车空调制冷剂直冷动力电池热管理系统的pid控制研究.新能源进展,8(2), 8.

[^15]: 新能源热管理系统深度解析：2026年技术拐点已至. 新浪汽车, 2026-07-15.

[^16]: 比亚迪. 车辆的热管理系统及车辆. 中国专利CN111251812A, 2020-06-09.

[^17]: 硬核科普：比亚迪电池直冷到底多牛？东方财富网, 2026-05-08. 链接

[^18]: Joshi S. Role of Refrigerant Branch Pipes in VRF Systems. 227 Enterprise, 2026-02. 链接

[^19]: 通过半串联制冷剂直冷架构，在电池-驾驶室耦合的CO₂电真空热管理系统中实现动态权衡平衡与节能. 生物通, 2026-01-08. 链接

关键词：直冷系统, 制冷剂蒸发冷却, 动力电池热管理, 冷媒直冷直热, 电子膨胀阀, 过热度控制, 制冷剂分配均匀性, VRF多联机, 相变换热

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