王暉

摘要：隨著全球?qū)ζ囄矚馕廴舅鶐淼臍夂蜃兓牟粩嘀匾?，以電力為唯一?qū)動(dòng)能源的純電動(dòng)汽車開始受到了關(guān)注。其中續(xù)航里程是電動(dòng)汽車是否可以完全取代傳統(tǒng)燃油汽車的關(guān)鍵所在，為了能夠提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程以及延長(zhǎng)電池的使用壽命，一個(gè)高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)就顯得至關(guān)重要。本文通過對(duì)冷板內(nèi)冷卻通道的排布方式進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，冷卻液流量、流向以及不同的通道數(shù)目，都會(huì)顯著的提高冷板的散熱效果。

關(guān)鍵詞：冷板;散熱;通道排列方式

0 ?引言

隨著全球變暖的不斷加重，以二氧化碳為代表的溫室氣體排放開始受到了各國(guó)的重視[1，2]。于是不以傳統(tǒng)石油作為直接能源的純電動(dòng)汽車（EV）來替代傳統(tǒng)燃油汽車成為當(dāng)今的主流趨勢(shì)。考慮到當(dāng)前電動(dòng)汽車較多采用方形鋰電池作為動(dòng)力來源，本文提出了一種針對(duì)方形電池的冷板散熱方式。

關(guān)于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，一般分為傳統(tǒng)空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻三種。Pesaran[3]等人通過對(duì)液冷和空氣冷卻的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相同條件下的電池組，采用空氣冷卻的溫度要遠(yuǎn)高于液體冷卻。而相變材料冷卻又存在成本高、加工難度大。于是液體冷卻開始受到了更多學(xué)者的關(guān)注和研究。

Yan[4]等人研究了方形電池之間有無冷卻板對(duì)電池溫度的影響發(fā)現(xiàn)，冷卻板可以有效的降低電池的溫度。Xun[5]等人研究了方形電池和圓柱形電池的冷卻效果比較發(fā)現(xiàn)，相同電池比和冷卻通道比的情況下，方形電池的冷卻效果更好。Kambiz Vafai[6]等人，提出了一種將冷板分為上下兩層的布置形式，通過對(duì)兩層通道結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，雙層通道的壓力損失更低。在此基礎(chǔ)上，Zhai[7]等人研究了雙層通道的流向與不同布置形式對(duì)冷板的溫度的影響，發(fā)現(xiàn)雙層通道結(jié)構(gòu)較單層效果要好。

雖然，當(dāng)前有大量學(xué)者對(duì)液冷板的散熱進(jìn)行了研究，但是對(duì)與冷板的流向、流量和單層雙層的綜合性比較的文章較少，故本文從這些角度出發(fā)，研究其對(duì)冷板的綜合影響。

1 ?數(shù)學(xué)物理模型

1.1 冷板模型

本文的研究對(duì)象為長(zhǎng)寬高分別為118mm、63mm和3mm的冷卻板，其中冷板內(nèi)部擁有五個(gè)通道，冷板采用底部發(fā)熱的形式。冷板材料為硅，冷卻液為水，硅材料參數(shù)如表1所示。冷板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 CFD評(píng)價(jià)公式

為了對(duì)冷板的冷卻效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文引入最高溫度、溫度標(biāo)準(zhǔn)差和壓力損失三種參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，Pin、Pout分別代表進(jìn)出口的壓力，壓力損失ΔP為：

其中，溫度標(biāo)準(zhǔn)差值為越小越好。

2 ?結(jié)果和討論

2.1 CFD網(wǎng)格獨(dú)立性分析

如圖2所示，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，最高溫度呈先下降后升高的趨勢(shì)。而溫度標(biāo)準(zhǔn)差在超過75096后開始變得平緩。故本文認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量為103020為最優(yōu)方案。

2.2 流量對(duì)冷板溫度的影響

本節(jié)首先對(duì)冷板內(nèi)部通道的流量進(jìn)行模擬研究。

通過圖3可以看出，隨著流量的增加，最高溫度和溫度的標(biāo)準(zhǔn)差都呈下降的趨勢(shì)。

結(jié)合圖3與圖4可以看出，流量在1.2g/s時(shí)即有良好的最高溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差，又有較低的壓力損失。故本文認(rèn)為當(dāng)流量為1.2g/s時(shí)效果最好。

2.3 流向?qū)浒宓挠绊?/p>

通過對(duì)圖5（b）觀察發(fā)現(xiàn)，相同流向下，液冷板后部由于冷卻液溫度已經(jīng)提升，故溫度較高。在此基礎(chǔ)上，本文考慮采用相鄰?fù)ǖ老喾戳飨虻姆桨浮?/p>

通過圖5可以發(fā)現(xiàn)，流向的不同不僅使冷板的溫度標(biāo)準(zhǔn)差有所降低，同時(shí)也對(duì)最高溫度有所降低。其中，最高溫度降低值為1.7554K，溫度的標(biāo)準(zhǔn)差降低了2.105K。溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低值約為52.66%，效果顯著。故本文認(rèn)為，流向的改變會(huì)對(duì)冷板溫度的降低帶來較好的改善。

2.4 通道布置形式對(duì)冷板溫度的影響

通過圖6可以看出，隨著通道數(shù)量的增加，冷板的最高溫度降低了4.8917K，溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低了0.664K。

考慮到冷板中間部分溫度較高，本文在此基礎(chǔ)上考慮將冷板內(nèi)通道分為如圖7（b）所示的上下兩層的方式進(jìn)行散熱。采用兩層的散熱雖然降低了單體通道內(nèi)的流量的減少，但是由于采用了上下分層，使冷板兩側(cè)貼靠的電池都能得到良好的散熱。故采用上下兩層通道的布置方式較之前采用單層十通道的布置方式最高溫度下降值1.271K。

3 ?結(jié)論

通過對(duì)上述不同工況下的熱板進(jìn)行CFD模擬發(fā)現(xiàn)：①流量的增加對(duì)最高溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差有所改善，但是對(duì)壓力損失的增加也較為顯著;②相鄰?fù)ǖ纼?nèi)的流向不同時(shí)，冷板的均溫性和最高溫度都要更好;③增加通道數(shù)量和將單層通道改為雙層通道，都可以對(duì)冷板的溫度有一定的改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]Sergio Manzetti，F(xiàn)lorin Mariasiu. Electric vehicle battery technologies： From present state to future systems[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2015， 51.

[2]Jiateng Zhao，Zhonghao Rao，Yimin Li. Corrigendum to “Thermal performance of mini-channel liquid cooled cylinder based battery thermal management for cylindrical lithium-ion power battery” [Energy Convers. Manage. 103 （2015） 157-165][J]. Energy Conversion and Management，2018，155.

[3]A.A. Pesaran， Battery thermal models for hybrid vehicle simulations， J. Power Sources 110 （2） （2002） 377-382.

[4]Jiajia Yan，Qingsong Wang，Ke Li，Jinhua Sun. Numerical study on the thermal performance of a composite board in battery thermal management system[J]. Applied Thermal Engineering，2016，106.

[5]Jingzhi Xun，Rui Liu，Kui Jiao. Numerical and analytical modeling of lithium ion battery thermal behaviors with different cooling designs[J]. Journal of Power Sources，2013，233.

[6]Kambiz Vafai Lu Zhu.Analysis of two！layered micro！channel heat sink concept in electronic cooling[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer 42 （1999）2287-2297.

[7]Yuling Zhai，Guodong Xia，Zhouhang Li，Hua Wang. A novel flow arrangement of staggered flow in double-layered microchannel heat sinks for microelectronic cooling[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，2016，79.