張繼龍，陳江英，李翔晟

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙410004；2.眾泰控股集團(tuán)汽車工程研究院，浙江杭州310018)

動(dòng)力電池自身溫度高低和內(nèi)部溫度均勻性對其性能、安全和使用壽命影響很大。溫度過高，會(huì)加快電池副反應(yīng)的進(jìn)行和性能的衰減，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痣姵責(zé)崾Э貜亩l(fā)安全事故；內(nèi)部溫度均勻性失衡，會(huì)使容量衰降不均衡，引起單體電池過充或過放電，嚴(yán)重影響電池壽命。對于動(dòng)力電池的壽命和安全性而言，將其溫度控制在合理范圍內(nèi)，并保持均勻性至關(guān)重要，其中，冷卻板流道結(jié)構(gòu)對溫度控制和溫度均勻性具有關(guān)鍵性影響。因此，針對動(dòng)力電池液冷熱管理冷板流道變結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行研究具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

Chen F C 等[1-2]通過對冷卻板內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱的數(shù)值模擬，對幾種蛇形和平行流道設(shè)計(jì)的冷卻板性能進(jìn)行了評估，與平行流道冷卻板相比，具有蛇形流道的冷卻板在溫度、均勻性和最高溫度之間表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。Yu S H 等[3]基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，對六種蛇形流道的冷卻性能進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的蛇形流道相比，多流道蛇形流場設(shè)計(jì)在最高溫度和溫度均勻性方面具有更好的冷卻性能。Jarrett A，Kim I Y[4-5]以壓降、平均溫度、溫度均勻性為目標(biāo)函數(shù)對冷卻板流道的路線、寬度、長度進(jìn)行參數(shù)化建模和優(yōu)化并評價(jià)了優(yōu)化設(shè)計(jì)對邊界條件的敏感性。De Vita A 等[6]建立了一個(gè)考慮熵變的熱模型并將其應(yīng)用于空氣冷卻策略和液體冷卻策略，結(jié)果表明，一種應(yīng)用于液體冷卻策略的相對于兩外部流道的逆流流道設(shè)計(jì)能進(jìn)一步降低電池溫升。鄒曉輝等[7]研究了三種新型冷卻板熱管流道結(jié)構(gòu)對動(dòng)力電池模組溫度及一致性的影響，結(jié)果表明，90°S 型流道對動(dòng)力電池模組的散熱能力較強(qiáng)，光滑彎曲流道結(jié)構(gòu)對于提高動(dòng)力電池模組的溫度一致性較好。

本文將對五種多蛇形流道開展研究，以冷卻板最高板溫、平均板溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)差為評價(jià)指標(biāo)，分析流道面積、流道位置、液流流向?qū)ι咝瘟鞯离姵乩鋮s板散熱性能的影響。

1 冷卻板結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

冷卻板是動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的關(guān)鍵部件，板內(nèi)冷卻流道的結(jié)構(gòu)路徑對散熱性能有顯著影響。當(dāng)前冷卻板流道結(jié)構(gòu)可大致分為蛇形設(shè)計(jì)(單一的線性流道)、平行設(shè)計(jì)和多流道設(shè)計(jì)(有多個(gè)入口和出口位置)。本文研究的冷卻板是在傳統(tǒng)蛇形流道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，充分考慮多流道設(shè)計(jì)在最高溫度和溫度均勻性方面的優(yōu)越性，同時(shí)結(jié)合冷卻液流動(dòng)過程中溫升導(dǎo)致冷卻板上溫度分布不均勻,靠近冷卻液入口處的位置溫度較低，靠近冷卻液出口的位置溫度較高的現(xiàn)象所設(shè)計(jì)的沿冷卻液流動(dòng)方向流道尺寸增大變化的新型多蛇形變結(jié)構(gòu)流道冷卻板。

Fisher T S，Torrance K E[8-9]使用邊界元法評估了不同流道截面形狀(從矩形到橢圓再到菱形)對傳熱的影響，研究發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離矩形截面會(huì)降低傳熱速率。因此，本文所設(shè)計(jì)的冷卻板流道截面為矩形。根據(jù)安治國等[10]的研究結(jié)果，本文綜合考慮矩形流道截面長寬比對電池組最高溫度和電池組溫差的影響，在進(jìn)口長度為2 mm 時(shí)，取進(jìn)口寬度6 mm，出口寬度14 mm 作為新型流道的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)。考慮散熱溫度均勻分布，初始流道位置在冷卻板上的布置為：各流道中心線關(guān)于冷卻板左右對稱，第二條冷卻流道中心線上下端到冷卻板中心的距離等大，三條流道在垂直方向上的流道長度等大。冷卻流道初始位置及冷卻板在電池模組中的布置方式如圖1 所示。

圖1 流道初始位置及冷卻板布置示意圖

考慮冷卻板的對稱結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算開銷，本文將冷卻板半模型(圖2)用于CFD 計(jì)算。本文研究的五種多流道蛇形冷卻板尺寸為120 mm×180 mm×4 mm，每個(gè)冷卻板有三條冷卻流道，每條流道由五段直流道組成，如圖3 所示。其中(a)為固定截面長寬比的傳統(tǒng)蛇形流道，源于實(shí)際應(yīng)用于軟包電池液冷熱管理中的冷卻板流道設(shè)計(jì)[6]，流道進(jìn)出口通道寬度為6 mm；(b)～(e)為可變截面長寬比蛇形流道，流道進(jìn)口寬度均為6 mm，出口寬度均為14 mm。其中，(b)為等差漸變的可變截面長寬比蛇形流道，公差為2 mm；(c)～(e)為非等差漸變的可變截面長寬比蛇形流道，各直流段寬度尺寸如表1 所示。

圖2 冷卻板半模型

圖3 五種多蛇形流道冷卻板幾何模型

表1 五種多蛇形流道冷卻板 各直流段寬度尺寸 mm

2 理論分析與計(jì)算

2.1 CFD 控制方程

通道寬度的變化會(huì)改變?nèi)肟诹黧w速度，為保持流體輸入和輸出相關(guān)的熱平衡，選擇固定質(zhì)量流量作為流體入口條件。固定質(zhì)量流量、雷諾數(shù)因通道尺寸的不同而改變，根據(jù)雷諾數(shù)工程應(yīng)用計(jì)算公式，它的值約在217(通道寬度為14 mm)和236(通道寬度為6 mm)之間，最大雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)2 300，因此本文數(shù)值模擬所涉及的流動(dòng)模型均為層流模型。

對于不可壓縮牛頓流體的層流，無內(nèi)熱源的流體系統(tǒng)，其密度為常數(shù)，本文只考慮穩(wěn)態(tài)條件，其控制方程可簡化為：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：u 和x 分別為笛卡爾坐標(biāo)系下的速度向量和向量算子；ρ為流體密度(kg/m3)；μ 為流體動(dòng)力粘度(Pa·s)；cp為流體比熱容[J/(kg·K)]；k 為流體導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]。

2.2 有限元模型

網(wǎng)格劃分是CFD 計(jì)算的前提，模型的網(wǎng)格數(shù)量及質(zhì)量決定了仿真的時(shí)間與精度。本文在Ansys mesh 軟件中采用網(wǎng)格質(zhì)量高、計(jì)算精度高、占用內(nèi)存小的六面體網(wǎng)格對冷卻板幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中，冷卻板實(shí)體部分網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5 mm，流體部分采用掃掠方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸0.5 mm，掃掠層數(shù)3 層，整體模型網(wǎng)格總數(shù)為432 000，網(wǎng)格平均質(zhì)量0.94(1 為最好)，網(wǎng)格劃分后的模型如圖4 所示，右圖為局部放大圖。

圖4 冷卻板模型網(wǎng)格劃分

2.3 材料屬性與邊界條件

根據(jù)計(jì)算域中所涉及的介質(zhì)不同，將計(jì)算域分為冷卻液流體域和冷卻板固體域，將模型導(dǎo)入FLUENT 中進(jìn)行求解。冷卻板中冷卻液與管道壁面為流固耦合換熱邊界條件，固體域和流體域耦合面的邊界條件設(shè)置為couple。在本研究中，在均勻入口溫度為300 K 時(shí)，冷卻液質(zhì)量流量保持恒定，為1×10?3kg/s，定義冷卻板底面加載均勻的熱通量500 W/m2，其他4 個(gè)側(cè)面為空氣對流冷卻，對流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)，忽略輻射換熱。出口邊界條件為壓力出口，其值設(shè)為0 Pa。冷卻板的材料為鋁合金，冷卻液為乙二醇的水溶液。各相關(guān)屬性分析參數(shù)如表2 所示。

表2 冷卻板相關(guān)屬性分析參數(shù)

3 仿真結(jié)果與討論

通過FLUENT 軟件進(jìn)行熱仿真分析，對五種多流道結(jié)構(gòu)冷卻板對稱面的最高板溫、平均板溫、溫度標(biāo)準(zhǔn)差的仿真結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，得出了流道面積、液流流向、流道位置對冷卻板散熱性能的影響規(guī)律。

3.1 流道面積對冷卻板散熱性能的影響

冷卻板各直流段寬度尺寸的變化會(huì)導(dǎo)致各冷卻板流道面積的差異，本節(jié)研究了流道面積對冷卻板散熱性能的影響，圖5 為表2 所示邊界條件下五種多流道結(jié)構(gòu)冷卻板對稱面的溫度分布圖，圖5 中的(a)～(e)分別對應(yīng)圖3 中五種多蛇形流道冷卻板(a)～(e)。五種多蛇形流道冷卻板對稱面的最高板溫、平均板溫、溫度標(biāo)準(zhǔn)差、流道壓降、流道面積如表3 所示。

圖5 冷卻板溫度分布圖

表3 溫度、壓降、流道面積結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表3 可知：當(dāng)流道面積從3 600 mm2變化到6 000 mm2時(shí)，流體壓降減小了203.4 Pa，平均板溫降低了0.28 K，溫度標(biāo)準(zhǔn)差升高了0.14 K。因此，增大流道面積會(huì)降低流體流動(dòng)過程中的壓力損失，表面積越大，壓降損失越小，平均板溫越低，但是，增大流道面積會(huì)使冷卻板溫度分布差異更明顯，使溫度標(biāo)準(zhǔn)差增大，不利于提升冷卻板的溫度均勻性。恒定的熱流和冷卻劑溫度下，平均板溫是一個(gè)很好的傳熱效率指標(biāo)，恒定的質(zhì)量流量下，總壓降可以用作功耗的表現(xiàn)，因此，增大流道面積有利于提升冷卻板傳熱效率，降低功耗。

3.2 液流流向?qū)鋮s板散熱性能的影響

針對冷卻液流動(dòng)過程中溫升導(dǎo)致靠近冷卻液入口處的位置溫度較低，靠近冷卻液出口的位置溫度較高的現(xiàn)象，本節(jié)研究了設(shè)置逆流流道對冷卻板散熱性能的影響。如圖6(a)所示，對于固定尺寸流道結(jié)構(gòu)的冷卻板，第二條流道冷卻液流動(dòng)方向與另外兩條流道流向相反；如圖6(b)所示，對于可變尺寸流道結(jié)構(gòu)的冷卻板(以b 模型為例)，第二條流道相對于兩外部流道為逆流流道且其流道漸變方向反向，其中，箭頭方向?yàn)槔鋮s液流動(dòng)方向。

圖6 液流流向示意圖

3.2.1 逆流流道對固定尺寸流道結(jié)構(gòu)冷卻板散熱性能的影響

圖7 為當(dāng)流道截面寬度為2 mm，截面長度分別為2、4、6、8、10、12、14 mm，即流道截面長寬比為1～7 時(shí)，固定尺寸流道結(jié)構(gòu)冷卻板最高板溫、平均板溫、溫度標(biāo)準(zhǔn)差的變化曲線圖。

由圖7(a)、圖7(b)可知，流道截面長寬比從1 變化到7 時(shí)，無逆流流道的冷卻板最高板溫和平均板溫分別降低了1.00、1.61 K，有逆流流道的冷卻板最高板溫和平均板溫分別降低了0.89、1.54 K，具有相同流道截面長寬比的有逆流流道冷卻板與無逆流流道的冷卻板相比，其最高板溫和平均板溫均會(huì)有一定程度的升高，且溫差隨流道截面長寬比的增大而增大，因此，設(shè)置逆流流道不利于降低最高板溫和平均板溫。

由圖7(c)可知，在流道截面長寬比從1 變化到3 時(shí)，有逆流流道的冷卻板溫度標(biāo)準(zhǔn)差低于無逆流流道的冷卻板溫度標(biāo)準(zhǔn)差，但流道截面長寬比大于3 時(shí)，有逆流流道的冷卻板溫度標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)高于無逆流流道的冷卻板。因此，當(dāng)流道截面長寬比不大于3 時(shí)，設(shè)置逆流流道能夠降低冷卻板的溫度標(biāo)準(zhǔn)差，使冷卻板溫度分布更均勻；當(dāng)流道截面長寬比大于3 時(shí)，設(shè)置逆流流道不利于溫度均勻性的改善。

圖7 固定尺寸流道結(jié)構(gòu)冷卻板溫度參數(shù)變化圖

3.2.2 逆流流道對可變尺寸流道結(jié)構(gòu)冷卻板散熱性能的影響

表4 溫度、壓降、流道面積結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4 為圖3 所示(b)～(e)冷卻板模型設(shè)置逆流流道后，冷卻板最高板溫、平均板溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)差的仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果。設(shè)置逆流流道后，(b)～(e)冷卻板模型最高板溫分別為304.62、304.60、304.61、304.60 K，平均 板溫分別 為302.54、302.57、302.60、302.59 K，溫度標(biāo)準(zhǔn) 差分別為1.466、1.438、1.422、1.427 K。與表3 所示無逆流流道的冷卻板溫度參數(shù)相比，其最高板溫、平均板溫、溫度標(biāo)準(zhǔn)差均有一定升高，因此，對于可變尺寸流道結(jié)構(gòu)冷卻板，設(shè)置逆流流道不利于散熱性能的提升。

3.3 流道位置對冷卻板散熱性能的影響

具有相同流道結(jié)構(gòu)的冷卻板，不同的流道位置會(huì)引起散熱性能的差異。本節(jié)以設(shè)置逆流流道的a 模型冷卻板[圖6(a)]和b 模型冷卻板[圖6(b)]為研究對象，通過平移三條流道在冷卻板上的位置(定義流道初始位置為0 mm 處)，統(tǒng)計(jì)分析冷卻板最高板溫、平均板溫、溫度標(biāo)準(zhǔn)差的仿真結(jié)果，得到了流道位置對冷卻板散熱性能的影響規(guī)律。

圖8 流道位置對有逆流流道的a模型冷卻板散熱性能的影響

圖9 流道位置對有逆流流道的b模型冷卻板散熱性能的影響

如圖8、圖9 所示，設(shè)有逆流流道的a 模型冷卻板和b 模型冷卻板，流道位置沿+Y 方向平移過程中，冷卻板最高板溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)差均先減小后增大，平均板溫在平移距離為0～5 mm 時(shí)基本保持不變，超過5 mm 則呈一種線性增大的趨勢；流道位置沿-Y 方向平移過程中，冷卻板最高板溫、平均板溫、溫度標(biāo)準(zhǔn)差均隨平移距離的增大而增大。a 模型冷卻板在平移距離為+2 mm 時(shí)，最高板溫、平均板溫、溫度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到極小值，其值分別為304.45、302.79、1.309 K；b 模型冷卻板在平移距離為+3 mm 時(shí)，最高板溫、平均板溫、溫度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到極小值，其值分別為304.39、302.53、1.452 K。因此，不同流道形狀的冷卻板，其最佳流道布置位置不同。通過研究流道平移過程中冷卻板各溫度指標(biāo)的變化情況，從而設(shè)置合理的流道位置，能更好地發(fā)揮冷卻流道的散熱能力，進(jìn)一步提升冷卻板的散熱性能。

由圖8、圖9 可知，同一冷卻板，同一平移距離條件下，沿+Y 方向平移的各項(xiàng)溫度指標(biāo)均低于-Y 方向，冷卻板散熱性能更優(yōu)。對圖6 所示冷卻板，每個(gè)冷卻板的三條冷卻流道均有相同的流道面積，但第一條流道與第三條流道相比，其空間分布更規(guī)則，相同的流道面積能輻射更大的冷卻范圍。因此，流道位置的最佳布置跟冷卻流道的形狀和空間分布有關(guān)。

4 結(jié)論

本文以冷卻板最高板溫、平均板溫、溫度標(biāo)準(zhǔn)差為評價(jià)指標(biāo)，研究了流道面積、逆流流道、流道位置對五種多流道結(jié)構(gòu)冷卻板散熱性能的影響，旨在為工程實(shí)際中電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻板流道設(shè)計(jì)給予一定的指導(dǎo)和啟示。通過仿真分析，得出以下結(jié)論：

(1)增大流道面積有利于減小流體流動(dòng)過程中的壓降損失，降低功耗。流道面積越大，溫度標(biāo)準(zhǔn)差越大，平均板溫越低。因此，增大流道面積有利于降低功耗和平均板溫，但以犧牲溫度均勻性為一定代價(jià)，三者間需要綜合平衡。

(2)對可變尺寸流道結(jié)構(gòu)冷卻板，設(shè)置逆流流道后冷卻板最高板溫、平均板溫、溫度標(biāo)準(zhǔn)差均有所升高，冷卻板散熱效果變差。對固定尺寸流道結(jié)構(gòu)冷卻板，矩形流道截面長寬比不大于3 時(shí)，設(shè)置逆流流道能降低冷卻板溫度標(biāo)準(zhǔn)差，有利于提升溫度分布均勻性，但最高板溫和平均板溫會(huì)略微升高；流道截面長寬比大于3 時(shí)，設(shè)置逆流流道后冷卻板最高板溫、平均板溫、溫度標(biāo)準(zhǔn)差均有所升高，冷卻板散熱能力有所下降。

(3)冷卻板的散熱性能因冷卻流道在冷卻板上的位置不同而產(chǎn)生較大差異。流道位置的最佳布置跟冷卻流道的形狀及空間分布有關(guān)，不同流道形狀的冷卻板，其最佳流道布置位置不同，但遵循沿冷卻板水平中心線向流道空間分布更均勻一側(cè)偏移的趨勢。