一種用于動力電池?zé)峁芾淼木鶞匾豪浒?/h1>
2019-04-07 12:24:24李隆鍵李維平崔文智
汽車工程學(xué)報 2019年6期
李隆鍵，李維平，崔文智
（重慶大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，重慶 400030）
隨著動力電池能量密度的增大，風(fēng)冷已難于滿足電池?zé)峁芾硪蟆Ｒ豪浒逵捎谄浣Y(jié)構(gòu)緊湊，能夠?qū)⒁后w與電池分離，從而增強(qiáng)了電池系統(tǒng)的安全性，近年來已成為主動液體冷卻系統(tǒng)的一個重要組成部分[1]。在汽車電池組液冷板的設(shè)計中，不同的應(yīng)用場合可能需要不同的通道設(shè)計和幾何形狀，目前對液冷板的研究大多基于矩形通道幾何形狀[2-4]，以及液冷板布置和流量等參數(shù)對電池模組溫度分布的影響[5-6]，而忽略了冷卻液沿程溫度變化對模組溫度均勻性的影響。
眾所周知，隨著電池與液冷板之間的傳熱，冷卻液溫度沿程是逐漸升高的，為滿足動力電池?zé)峁芾硪?，一方面要采用足夠大的冷卻液流量，以便將電池生熱帶出，保證電池在合適的溫度范圍內(nèi)工作。另一方面，通過設(shè)計復(fù)雜的冷卻液流道結(jié)構(gòu)，以保證電池模組溫度的均勻性。流量增大不利于熱管理系統(tǒng)的輕量化設(shè)計要求，復(fù)雜的流道設(shè)計增加了系統(tǒng)的制造成本和運(yùn)行功耗。
本文提出了一種沿程非線性強(qiáng)化傳熱的液冷板結(jié)構(gòu)，從理論上分析了保證液冷板加熱側(cè)均溫性的可行性以及各個設(shè)計參數(shù)對非線性強(qiáng)化傳熱過程的影響關(guān)系，為液冷均溫板設(shè)計提供理論指導(dǎo)。此外，針對某一電池模組液冷散熱要求，設(shè)計了一種均溫液冷板，并運(yùn)用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法對其流動傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，以驗證均溫液冷板的可行性。
1 基本原理
動力電池液冷板本質(zhì)上可視為一間壁式換熱器，如圖1所示，厚度為t的壁面上電池組件所需的散熱熱流密度為qW，冷卻流道寬度為b，高度為l，冷卻液質(zhì)量流量為m(kg/s)，比熱容為Cp[J/(kg·K)]。則沿流向x方向任意dx微元段上應(yīng)遵循以下能量平衡關(guān)系式：
式中：K為加熱壁面與冷卻流體之間的傳熱系數(shù)，W/(K·m2)；Tw為壁面溫度，℃；Tf為流體溫度，℃。由式（1）可知，如果加熱壁面熱流qW為常數(shù)，qW=C，則有：
圖1 間壁式傳熱示意圖
式（2）表明，如果加熱壁面熱流qW恒定，則流體溫度Tf與壁面溫度Tw沿流動方向線性變化，且兩者之間溫差恒定。對式（1）從0～x積分，經(jīng)變換得到式（3）：
2 應(yīng)用實(shí)例
針對某電池模組液冷要求設(shè)計了一種可調(diào)換熱強(qiáng)度液冷板。一個電池模組液冷板尺寸為150 mm2×350 mm2。原有熱管理參數(shù)：實(shí)測液冷板散熱功率約為4 000 W/m2，冷卻液（50%水和50%乙二醇的混合物）原設(shè)計流量為2.5 L/min。本文采用的流量為1.25 L/min，入口溫度約為20 ℃。加熱壁面預(yù)期溫度Tw=28 ℃。基于以上結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)式（3）計算得到加熱壁與冷卻液之間的傳熱系數(shù)K的變化曲線，如圖2所示。
采用在液冷流道內(nèi)布置圓柱狀擴(kuò)展表面的方法逼近式（3）所要求的K值變化規(guī)律，如圖3所示。柱狀擴(kuò)展表面起強(qiáng)化傳熱的作用。實(shí)現(xiàn)傳熱系數(shù)K值沿程非線性變化的具體方法是：首先從流道入口開始，分段進(jìn)行基于流量和液冷板流通界面尺寸的熱設(shè)計計算，初步確定各段擾流圓柱的個數(shù)和布置方式。
圖2 傳熱系數(shù)沿程變化曲線
圖3 均溫板液冷流道結(jié)構(gòu)
經(jīng)初步設(shè)計以后，采用CFD方法對液冷板的傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。經(jīng)若干次試算和局部調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)了液冷板加熱壁面的溫度均勻，整個液冷板加熱壁面上最大溫差不超過0.5 ℃。通過數(shù)值計算得到的動力電池液冷板加熱壁與冷卻液溫度沿程變化曲線，如圖4所示。
圖4 液冷板加熱壁與冷卻液溫度沿程變化曲線
由圖4可知，沿長度方向冷卻液溫升至2.6 ℃左右。而液冷流道內(nèi)通過沿程分段強(qiáng)化傳熱，加熱壁面溫升得到有效抑制，整個長度方向溫度波動不超過0.5 ℃。該工況下液冷流道阻力為43.8 Pa。這說明本文提出的非線性強(qiáng)化傳熱的方式實(shí)現(xiàn)均溫液冷板的理論和方法是可行的。
該均溫板同樣可應(yīng)用于高熱流密度下的電力電子設(shè)備散熱。假定電力電子器件（如IGBT）的散熱流密度為qw=40 000 W/m2，冷卻液進(jìn)口溫度Tf0=20 ℃，期望加熱壁面溫度85 ℃，冷卻液流量為 2.0 L/min。通過數(shù)值模擬得到IGBT的液冷板加熱壁與冷卻液溫度沿程變化曲線，如圖5所示。
圖5 液冷板加熱壁與冷卻液溫度沿程變化曲線
由模擬計算結(jié)果可知，該均溫液冷板用于電力電子功率器件散熱時，在較低冷卻液流量下，冷卻液溫升18.3 ℃，整個加熱壁面溫度波幅小于3 ℃，液冷流道阻力為71.3 Pa。
3 影響因素分析
在均溫液冷板熱設(shè)計中，影響傳熱K的因素較多。由式（3）可知，影響K值沿程變化的有壁面加熱熱流qW、冷卻液流量m、進(jìn)口溫度Tf0、冷卻液物性參數(shù)等。當(dāng)然，有些參數(shù)被組合為一個參數(shù)，譬如C′=(b?qW)/(m?CP)。本文主要討論加熱壁溫Tw與冷卻液進(jìn)口溫度Tf0差ΔT=T-Twf0，以及參數(shù)C′對傳熱系數(shù)K沿程變化規(guī)律的影響。
3.1 加熱壁溫度的影響
在給定液冷板結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，以及冷卻液進(jìn)口溫度的情況下，期望維持的加熱壁面溫度Tw影響均溫液冷板K值的設(shè)計?；谏瞎?jié)動力電池均溫液冷板的應(yīng)用實(shí)例，考察進(jìn)口冷卻液溫度不變、不同加熱壁面溫度，即不同壁溫和冷卻液進(jìn)口溫差ΔT所需要的傳熱系數(shù)K沿程變化規(guī)律，如圖6所示。
圖6 不同溫差下的傳熱系數(shù)沿程變化曲線
由圖6可知，加熱壁面與冷卻液進(jìn)口溫差越小，所需傳熱系數(shù)越大，且K值沿流動方向的非線性越強(qiáng)烈，即沿流動方向的傳熱系數(shù)所需強(qiáng)化比越高。當(dāng)然，對于采用圓柱裝擴(kuò)展表面方法強(qiáng)化傳熱方式，其所能達(dá)到的進(jìn)出口間的傳熱系數(shù)比除了受圓柱直徑的影響外，還受到液冷流道高度的限制。
3.2 參數(shù)C'的影響
C′是一個與加熱壁面熱流、冷卻液流量和物性有關(guān)的組合參數(shù)，其物理意義是沿冷卻液流動方向單位長度的溫升。不同參數(shù)C′所要求的傳熱系數(shù)K值沿程變化曲線如圖7所示。
圖7 不同參數(shù)C′下傳熱系數(shù)沿程變化曲線
由圖7可知，沿流動方向單位長度冷卻液溫升C′越大，所要求的傳熱系數(shù)K沿程非線性變化越強(qiáng)烈，進(jìn)出口傳熱系數(shù)比越大。由定義可見，影響其大小的變量主要是加熱熱流密度qW和冷卻液流量m。如果C′較大，導(dǎo)致K沿程非線性強(qiáng)化的難度加大，可以通過適當(dāng)增大流量的方法降低C′的值。
4 結(jié)論
（1）本文提出采用液冷流道非線性傳熱強(qiáng)化的均溫液冷板，并從理論上推導(dǎo)了給定液冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)時實(shí)現(xiàn)加熱壁面溫度均勻的條件。
（2）基于某電池模組散熱參數(shù)，采用柱狀擴(kuò)展表面分段強(qiáng)化傳熱方式設(shè)計了一種均溫板流道結(jié)構(gòu)，并采用CFD方法對其流動傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明，其具有較好的加熱壁面均溫性能，證明本文提出的均溫液冷板是可行的。
（3）討論了設(shè)計參數(shù)對非線性傳熱系數(shù)沿程變化的影響規(guī)律，為均溫液冷板設(shè)計提供理論指導(dǎo)。
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眾所周知，隨著電池與液冷板之間的傳熱，冷卻液溫度沿程是逐漸升高的，為滿足動力電池?zé)峁芾硪?，一方面要采用足夠大的冷卻液流量，以便將電池生熱帶出，保證電池在合適的溫度范圍內(nèi)工作。另一方面，通過設(shè)計復(fù)雜的冷卻液流道結(jié)構(gòu)，以保證電池模組溫度的均勻性。流量增大不利于熱管理系統(tǒng)的輕量化設(shè)計要求，復(fù)雜的流道設(shè)計增加了系統(tǒng)的制造成本和運(yùn)行功耗。
本文提出了一種沿程非線性強(qiáng)化傳熱的液冷板結(jié)構(gòu)，從理論上分析了保證液冷板加熱側(cè)均溫性的可行性以及各個設(shè)計參數(shù)對非線性強(qiáng)化傳熱過程的影響關(guān)系，為液冷均溫板設(shè)計提供理論指導(dǎo)。此外，針對某一電池模組液冷散熱要求，設(shè)計了一種均溫液冷板，并運(yùn)用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法對其流動傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，以驗證均溫液冷板的可行性。
1 基本原理
動力電池液冷板本質(zhì)上可視為一間壁式換熱器，如圖1所示，厚度為t的壁面上電池組件所需的散熱熱流密度為qW，冷卻流道寬度為b，高度為l，冷卻液質(zhì)量流量為m(kg/s)，比熱容為Cp[J/(kg·K)]。則沿流向x方向任意dx微元段上應(yīng)遵循以下能量平衡關(guān)系式：
式中：K為加熱壁面與冷卻流體之間的傳熱系數(shù)，W/(K·m2)；Tw為壁面溫度，℃；Tf為流體溫度，℃。由式（1）可知，如果加熱壁面熱流qW為常數(shù)，qW=C，則有：
圖1 間壁式傳熱示意圖
式（2）表明，如果加熱壁面熱流qW恒定，則流體溫度Tf與壁面溫度Tw沿流動方向線性變化，且兩者之間溫差恒定。對式（1）從0～x積分，經(jīng)變換得到式（3）：
2 應(yīng)用實(shí)例
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采用在液冷流道內(nèi)布置圓柱狀擴(kuò)展表面的方法逼近式（3）所要求的K值變化規(guī)律，如圖3所示。柱狀擴(kuò)展表面起強(qiáng)化傳熱的作用。實(shí)現(xiàn)傳熱系數(shù)K值沿程非線性變化的具體方法是：首先從流道入口開始，分段進(jìn)行基于流量和液冷板流通界面尺寸的熱設(shè)計計算，初步確定各段擾流圓柱的個數(shù)和布置方式。
圖2 傳熱系數(shù)沿程變化曲線
圖3 均溫板液冷流道結(jié)構(gòu)
經(jīng)初步設(shè)計以后，采用CFD方法對液冷板的傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。經(jīng)若干次試算和局部調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)了液冷板加熱壁面的溫度均勻，整個液冷板加熱壁面上最大溫差不超過0.5 ℃。通過數(shù)值計算得到的動力電池液冷板加熱壁與冷卻液溫度沿程變化曲線，如圖4所示。
圖4 液冷板加熱壁與冷卻液溫度沿程變化曲線
由圖4可知，沿長度方向冷卻液溫升至2.6 ℃左右。而液冷流道內(nèi)通過沿程分段強(qiáng)化傳熱，加熱壁面溫升得到有效抑制，整個長度方向溫度波動不超過0.5 ℃。該工況下液冷流道阻力為43.8 Pa。這說明本文提出的非線性強(qiáng)化傳熱的方式實(shí)現(xiàn)均溫液冷板的理論和方法是可行的。
該均溫板同樣可應(yīng)用于高熱流密度下的電力電子設(shè)備散熱。假定電力電子器件（如IGBT）的散熱流密度為qw=40 000 W/m2，冷卻液進(jìn)口溫度Tf0=20 ℃，期望加熱壁面溫度85 ℃，冷卻液流量為 2.0 L/min。通過數(shù)值模擬得到IGBT的液冷板加熱壁與冷卻液溫度沿程變化曲線，如圖5所示。
圖5 液冷板加熱壁與冷卻液溫度沿程變化曲線
由模擬計算結(jié)果可知，該均溫液冷板用于電力電子功率器件散熱時，在較低冷卻液流量下，冷卻液溫升18.3 ℃，整個加熱壁面溫度波幅小于3 ℃，液冷流道阻力為71.3 Pa。
3 影響因素分析
在均溫液冷板熱設(shè)計中，影響傳熱K的因素較多。由式（3）可知，影響K值沿程變化的有壁面加熱熱流qW、冷卻液流量m、進(jìn)口溫度Tf0、冷卻液物性參數(shù)等。當(dāng)然，有些參數(shù)被組合為一個參數(shù)，譬如C′=(b?qW)/(m?CP)。本文主要討論加熱壁溫Tw與冷卻液進(jìn)口溫度Tf0差ΔT=T-Twf0，以及參數(shù)C′對傳熱系數(shù)K沿程變化規(guī)律的影響。
3.1 加熱壁溫度的影響
在給定液冷板結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，以及冷卻液進(jìn)口溫度的情況下，期望維持的加熱壁面溫度Tw影響均溫液冷板K值的設(shè)計?；谏瞎?jié)動力電池均溫液冷板的應(yīng)用實(shí)例，考察進(jìn)口冷卻液溫度不變、不同加熱壁面溫度，即不同壁溫和冷卻液進(jìn)口溫差ΔT所需要的傳熱系數(shù)K沿程變化規(guī)律，如圖6所示。
圖6 不同溫差下的傳熱系數(shù)沿程變化曲線
由圖6可知，加熱壁面與冷卻液進(jìn)口溫差越小，所需傳熱系數(shù)越大，且K值沿流動方向的非線性越強(qiáng)烈，即沿流動方向的傳熱系數(shù)所需強(qiáng)化比越高。當(dāng)然，對于采用圓柱裝擴(kuò)展表面方法強(qiáng)化傳熱方式，其所能達(dá)到的進(jìn)出口間的傳熱系數(shù)比除了受圓柱直徑的影響外，還受到液冷流道高度的限制。
3.2 參數(shù)C'的影響
C′是一個與加熱壁面熱流、冷卻液流量和物性有關(guān)的組合參數(shù)，其物理意義是沿冷卻液流動方向單位長度的溫升。不同參數(shù)C′所要求的傳熱系數(shù)K值沿程變化曲線如圖7所示。
圖7 不同參數(shù)C′下傳熱系數(shù)沿程變化曲線
由圖7可知，沿流動方向單位長度冷卻液溫升C′越大，所要求的傳熱系數(shù)K沿程非線性變化越強(qiáng)烈，進(jìn)出口傳熱系數(shù)比越大。由定義可見，影響其大小的變量主要是加熱熱流密度qW和冷卻液流量m。如果C′較大，導(dǎo)致K沿程非線性強(qiáng)化的難度加大，可以通過適當(dāng)增大流量的方法降低C′的值。
4 結(jié)論
（1）本文提出采用液冷流道非線性傳熱強(qiáng)化的均溫液冷板，并從理論上推導(dǎo)了給定液冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)時實(shí)現(xiàn)加熱壁面溫度均勻的條件。
（2）基于某電池模組散熱參數(shù)，采用柱狀擴(kuò)展表面分段強(qiáng)化傳熱方式設(shè)計了一種均溫板流道結(jié)構(gòu)，并采用CFD方法對其流動傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明，其具有較好的加熱壁面均溫性能，證明本文提出的均溫液冷板是可行的。
（3）討論了設(shè)計參數(shù)對非線性傳熱系數(shù)沿程變化的影響規(guī)律，為均溫液冷板設(shè)計提供理論指導(dǎo)。
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