電池包鋁型材冷板流道性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張萬良　徐丹　黃愛輝

摘 要：鋰離子動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿碓矗陔妱?dòng)車輛的設(shè)計(jì)開發(fā)中具有舉足輕重的作用，但其性能受溫度影響較大。本文提出一種鋁型材液冷式鋰電池散熱結(jié)構(gòu)，并用STAR-CCM+軟件通過正交實(shí)驗(yàn)的方法分析了液冷板流道開槽深度對流量均勻性的影響。結(jié)果表明，合理的開槽深度可以提高液冷板內(nèi)的流量均勻性，從而改善冷板的溫度均衡性。

關(guān)鍵詞：冷板;流道;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;STAR-CCM+

1 引言

電動(dòng)汽車由于其所具有的環(huán)境友好性，越來越受到人們的重視，其發(fā)展也呈現(xiàn)出蓬勃之勢。鋰電池由于其循環(huán)壽命長、安全性高等特點(diǎn)引起了越來越多人的青睞。然而，由于鋰離子電池的固有特性，溫度對其使用性能有著顯著的影響[1-3]。有文獻(xiàn)指出鋰離子電池的適宜工作溫度區(qū)間在10～30℃之間[4]。

因此，對鋰離子動(dòng)力電池的工作溫度進(jìn)行合理的控制，成為解決其性能、壽命與安全問題的關(guān)鍵。而相較于其他冷卻方式，液冷因其效率高，溫度響應(yīng)迅速[5]，成為冷卻系統(tǒng)首選冷卻方式（表1）。液冷方式的選擇，決定了冷板成為電池冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，冷板性能的差異在很大程度上決定了電池冷卻系統(tǒng)的差異。而流量均勻性作為衡量液冷板冷卻性能的一個(gè)重要指標(biāo)，其對最終鋰電池冷卻效果有著重要的影響[6]。本文采用數(shù)值模擬及正交試驗(yàn)的方法研究了液冷板開槽深度對流量均勻性的影響，以期為液冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可參考的模型。

2 研究對象

本文的研究對象為擠壓成型冷板（鋁合金型材），冷板整體厚度為10mm，內(nèi)部中空，流道擋板通過擠壓成型。本文通過調(diào)整鋁合金型材的流道擋板開槽的深度，尋找對各流道均勻性的關(guān)鍵性影響因素，從而為后續(xù)冷板開發(fā)提供參考。圖1為冷板結(jié)構(gòu)示意圖，圖2標(biāo)記了流道內(nèi)冷卻液流向。

3 研究方法

大多數(shù)工程產(chǎn)品的開發(fā)和改進(jìn)均基于對影響產(chǎn)品性能的參數(shù)的系統(tǒng)分析，在STAR-CCM+中，可以通過設(shè)計(jì)管理器（Design Manager）自動(dòng)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)探索過程。本文基于STAR-CCM+軟件平臺(tái)，完成了從CAD模型建立、網(wǎng)格劃分、物理模型選擇、邊界條件定義、運(yùn)算求解到設(shè)計(jì)優(yōu)化的多步驟模擬，最終得到最優(yōu)的冷板流道設(shè)計(jì)方案。

通過圖3可以看出，流道為S形結(jié)構(gòu)，在每個(gè)180°折彎處（共計(jì)五處）均需要開槽以保證流道連通，其中L1、L2、L3分別為開槽深度尺寸。本文將冷板流道的開槽深度尺寸L1、L2、L3定義為設(shè)計(jì)變量（圖5），并將其變化范圍（40mm～60mm）和變化步長（5mm）作為約束條件（表2），目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為流道橫截面（圖5虛線所示）流速的標(biāo)準(zhǔn)偏差（公式1）和統(tǒng)一性（公式2）。

本文之所以采用表2中的約束條件，是綜合考慮了冷板加工工藝的限制。同時(shí)，為避免計(jì)算過程過于冗長，在滿足設(shè)計(jì)需求的前提下，將設(shè)計(jì)變量的變化步長設(shè)定為5mm。

通過以上設(shè)置，共可得到125組對應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)組合。SATR-CCM+軟件將自動(dòng)運(yùn)行這些設(shè)計(jì)參數(shù)組合所對應(yīng)的仿真模型，最終給出每組設(shè)計(jì)參數(shù)組合所對應(yīng)的流速標(biāo)準(zhǔn)偏差φ與統(tǒng)一性。

4 結(jié)果與討論

本文將冷板隔板開槽深度為可以調(diào)整的參數(shù)，通過為L1、L2、L3設(shè)定變化范圍，得到共計(jì)125組對應(yīng)尺寸（圖4）。進(jìn)一步通過分析計(jì)算，一共得到兩組最優(yōu)解，其設(shè)計(jì)參數(shù)分別為L1：45，L2：60，L3：45以及L1：55，L2：60，L3：45。此兩組設(shè)計(jì)參數(shù)對應(yīng)下的各流道流量具有最小的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即流道間的流量均勻性最佳。同時(shí)，也進(jìn)一步得出一組最差解，其設(shè)計(jì)參數(shù)為L1：50，L2：60，L3：50。

進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行控制變量法分析，我們可以發(fā)現(xiàn)：

① 當(dāng)設(shè)置L1為固定值時(shí)，隨著其尺寸的增大，最優(yōu)解的L2的尺寸為較大值（55、60），L3尺寸則表現(xiàn)為較小值（40、45）。

② 當(dāng)設(shè)置L2為固定值時(shí)，隨著L2數(shù)值的增大，最優(yōu)解的L1的尺寸較大（55、60），而其L3尺寸較?。?0、45）。

③ 當(dāng)設(shè)置L3為固定值時(shí)，隨著L3數(shù)值的增大，最優(yōu)解的L1和L2尺寸均為較大值（55、60）（圖5）（圖6）。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，L3尺寸較短時(shí)，各流道內(nèi)的流量分配更趨向于均勻。較短的L3代表最外側(cè)流道的擋板尺寸較長，能夠較有效的阻止冷卻液集中流入最外側(cè)流道。圖7、圖8為最優(yōu)解與最差解之間的對比。可以看出，冷板內(nèi)各流道之間的流速分布并不均勻。通過調(diào)整流道隔板的開槽深度，我們得到圖6的仿真結(jié)果，流道之間的流速分布趨于一致，并且渦流區(qū)域有所減小。這樣，對于電池溫度均衡將起到積極的作用。由此推斷，在流道寬度、高度尺寸保持不變的情況下，通過更改流道隔板的開槽深度，將影響流道內(nèi)流速分布均勻性。

5 結(jié)論

液冷冷板的性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是液體散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要研究方向。本文結(jié)合擠壓成型冷板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用STAR-CCM+中的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，通過設(shè)置變量與目標(biāo)函數(shù)的方式，以隔板開槽深度（三個(gè)尺寸）作為設(shè)計(jì)變量，以流道間流量均勻性作為目標(biāo)函數(shù)，最終獲得三個(gè)參數(shù)的最佳組合，并得出以下結(jié)論：

① 在隔板開槽深度的三個(gè)變量中，并不是某單一的變量起決定性作用，而是三者共同作用的結(jié)果。其中，L2為大尺寸時(shí)可以獲得較為優(yōu)良的效果。

② 針對本文中的冷板結(jié)構(gòu)，合理的隔板開槽深度（L1：45，L2：60，L3：45及L1：55，L2：60，L3：45）可以獲得良好的流量均勻性。

參考文獻(xiàn)：

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[2]梁金華，李建秋，盧蘭光，等. 純電動(dòng)車電池組散熱必要性的初步分析[J]. 汽車工程，2012（07）：25-27.

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[5]董鋒. 液冷冷板內(nèi)S型及S型加分流片流道仿真與優(yōu)化[D]. 西安電子科技大學(xué)，2011.

[6]Chaofeng Pan，Qiming Tang，Zhigang He，et al. Structure Optimization of Battery Module With a Parallel Multi-Channel Liquid Cooling Plate Based on Orthogonal Test. International Journal of Heat and Mass Transfer[J]，2020，17（2）.