基于流固熱耦合的中心回轉(zhuǎn)流道液冷板散熱性能研究

余劍武 胡仕港 范光輝 包有玉 陳亞玲

摘 ? 要：為研究不同流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)液冷板散熱性能、均溫性能以及能耗的影響，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)流固熱耦合數(shù)值計(jì)算方法分析了液冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電動(dòng)汽車某液冷單元散熱性能的影響. 結(jié)果表明：中心流道寬度由6 mm增加至31 mm，導(dǎo)熱墊表面最大溫差降低19.4%，流阻增加14.6%，當(dāng)采用流道寬度從中間到兩側(cè)遞減的設(shè)計(jì)方式，可以改善其散熱均溫性能且能耗在可接受范圍內(nèi). 流道深度由5 mm減小至2 mm，表面最大溫差降低36.7%，流阻增大了3.3倍，減小流道深度能顯著改善散熱均溫性能，同時(shí)會(huì)顯著增加能耗. 添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)和在某些工況下改變進(jìn)出水口位置能改善散熱均溫性能，同時(shí)也會(huì)增大流阻和能耗. 研究結(jié)果可為液冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，從而改善電池模組的散熱性能.

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng);液冷板;散熱;均溫性能;流道

中圖分類號(hào)：U469.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on Heat Dissipation Performance of Liquid-cooling Plate with Center

Revolving Flow Channel Based on Fluid-solid-heat Coupled Simulation

YU Jianwu1，HU Shigang1?，F(xiàn)AN Guanghui2，BAO Youyu1，CHEN Yaling1

（1. College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. Shenzhen International Graduate School，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China）

Abstract：In order to explore the influence of different flow channel designs on the heat dissipation performance， temperature uniformity and energy consumption of liquid-cooling plates， the Computational Fluid Dynamics（CFD） fluid-solid-heat coupled numerical simulation method is used for investigating the influences of their structural design parameters on the heat dissipation performance of a liquid cooling unit of electric vehicles. The results show that ?when the width of the central flow channel is increased from 6 mm to 31 mm， the maximum temperature difference on the surface of the thermal conductivty pad is reduced by 19.4%， and the flow resistance is increased by 14.6%，when the width of flow channels is reduced from the middle to both sides， the heat dissipation performance and temperature uniformity can be further improved， and the energy consumption can be controlled within an acceptable range. When the depth of flow channel is decreased from 5 mm to 2 mm， the maximum temperature difference is reduced by 36.7%， but the flow resistance is increased by 3.3 times， reducing the depth of the flow channel can significantly improve the heat dissipation performance and increase the ?energy consumption. Liquid-cooling plates with enhanced heat transfer structure channel or exchange of inlet and outlet in some cases can improve the heat dissipation and temperature uniformity， and also increase the flow resistance and energy consumption. It is concluded that the structure design of liquid-cooling plates can be supported by this research in order to improve the heat dissipation performance of battery module.

Key words：battery management systems; liquid-cooling plate; heat dissipation; temperature uniformity; flow channels

鋰離子電池以其能量密度、功率密度、使用壽命等方面的優(yōu)勢(shì)[1]，成為目前車用動(dòng)力源的研究熱點(diǎn). 動(dòng)力電池在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生一部分熱量，如果這部分熱量不能很好的控制，就會(huì)對(duì)汽車的安全性形成嚴(yán)重威脅[2-3].

為解決高溫問題，從綜合冷卻角度出發(fā)，Song等人[4]提出一種使用相變材料和液體冷卻技術(shù)的新型共軛冷卻配置，研究表明，與單一相變材料（Phase Change Material，PCM）或液體冷卻條件相比，共軛冷卻顯著降低了電池溫度上升速率和穩(wěn)態(tài)溫度. 施尚等人[5]設(shè)計(jì)了一種新型相變材料/風(fēng)冷綜合熱管理系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)綜合熱管理系統(tǒng)的冷卻性能優(yōu)于純風(fēng)冷熱管理系統(tǒng).

從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，針對(duì)方形電池，主要采用帶有內(nèi)流通道的液冷板與電池表面緊密貼合進(jìn)行換熱，流道形狀通常有蛇形、U 形、平行一字形等[6-8]. Shang等人[9]設(shè)計(jì)的電池液冷系統(tǒng)接觸面積可變，采用三因素四水平正交優(yōu)化有效降低了電池最高溫并改善了溫度均勻性. 胡興軍等人[10]設(shè)計(jì)了8種液冷結(jié)構(gòu)，通過改變進(jìn)口位置、接觸面積等對(duì)比了它們的冷卻效果. 閔小滕等人[11]基于微小通道扁管設(shè)計(jì)了液冷電池系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)多通道和大接觸角更有利于電池散熱.

從新型冷卻劑角度出發(fā)，Yang等人[12]采用新型液態(tài)金屬作為冷卻劑對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行熱管理，采用數(shù)學(xué)分析對(duì)液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)的冷卻能力等進(jìn)行評(píng)估，并與水冷系統(tǒng)進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)能耗更低，冷卻效果更好.

為解決溫度一致性問題，文獻(xiàn)[13]分析了管道寬度、管道高度、管數(shù)、冷卻液流速對(duì)液冷電池?zé)峁芾砟Ｐ屠鋮s效果的影響，發(fā)現(xiàn)就溫度均勻性而言，管道數(shù)量和冷卻劑速度具有相似影響，兩者都是主要因素. 范光輝等人[14]研究了放電倍率、匯流排接觸面積等對(duì)電池模組溫度場(chǎng)的影響，結(jié)果表明，在高倍率工況下，匯流排的電熱效應(yīng)不可忽略. 干年妃等人[15]設(shè)計(jì)了一種在單體間隙中填充鋁柱的液冷熱管理系統(tǒng)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)變截面邊長(zhǎng)和高度梯度在溫度一致性方面更具優(yōu)勢(shì).

液冷散熱系統(tǒng)不僅要解決電池系統(tǒng)的高溫問題，還要解決溫度一致性問題，在保證散熱性能的前提下還要考慮系統(tǒng)能耗，目前電池散熱技術(shù)很難同時(shí)兼顧. 液冷散熱因其換熱能力強(qiáng)、體積小，工作效率高，成為當(dāng)下研發(fā)的焦點(diǎn). 因此，本文以中心回轉(zhuǎn)流道液冷板為研究對(duì)象，從流道設(shè)計(jì)、強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)等角度探究液冷板散熱、均溫、能耗性能的影響規(guī)律.

1 ? 工況設(shè)計(jì)

1.1 ? 液冷單元與流道結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車的電池系統(tǒng)由若干個(gè)電池模組組成，一般3～6個(gè)電池模組配有一個(gè)液冷單元，主要包括含有散熱結(jié)構(gòu)和流道的液冷板、導(dǎo)熱墊及附件. 如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的液冷板位于電池模組底部，同時(shí)對(duì)3 個(gè)VDA（Verband der Automobilindustrie）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電池模組進(jìn)行散熱.

液冷單元的散熱性能主要取決于液冷板的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文以一個(gè)液冷單元為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了如圖2所示的中心回轉(zhuǎn)流道液冷板并對(duì)其散熱性能進(jìn)行分析.

1.2   流道參數(shù)設(shè)計(jì)

由圖1可知，液冷板的總寬度是不變的. 如圖3所示，液冷板的截面共設(shè)計(jì)有9個(gè)散熱流道，采用關(guān)于中心回轉(zhuǎn)流道對(duì)稱的設(shè)計(jì)方式，一共設(shè)計(jì)了6種截面的液冷板，分別用B1～B6表示，流道寬度的參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示，B1～B4流道寬度從兩側(cè)到中心呈等差遞減分布，B5流道寬度是等寬流道，B6流道寬度呈等差遞增分布.

流道深度也是流道設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，為了分析對(duì)比方便，本文選取B5等寬流道為研究對(duì)象，流道深度D設(shè)計(jì)如表2所示.

1.3 ? 流道強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在液冷單元中可以通過提高冷卻液流速和流量來提高其散熱性能，此外還可以增加強(qiáng)化對(duì)流傳熱結(jié)構(gòu)來提高換熱效率. 本文選取等寬流道B5，流道深度D為3 mm的液冷板為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)不同的強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，研究其對(duì)液冷系統(tǒng)散熱均溫及能耗的影響. 強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的位置如圖4所示的虛線方框部分，一共有5 種結(jié)構(gòu)，分別用S1～S5表示.

為確定進(jìn)出水口對(duì)同種流道散熱性能的影響，在進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）數(shù)值模擬分析時(shí)，均交換進(jìn)出水口. 冷卻液進(jìn)出口工況如表3所示.

2 ? 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 ? 液體傳熱控制方程

流-固-熱耦合計(jì)算，主要解決涉及液體流動(dòng)換熱與結(jié)構(gòu)變形需同時(shí)考慮的情況，其關(guān)鍵是流固邊界熱量的傳遞. 流固邊界面上的熱量傳遞過程可表示為：

-λ

= h（Tw - Tf） ? ? ? ?（1）

式中：λ為液冷板導(dǎo)熱系數(shù);Ts /n表示液冷板在流固交界面法向的溫度梯度;h為冷卻液對(duì)流換熱系數(shù);Tw為液冷板壁面溫度;Tf為冷卻液溫度.

基于三維熱傳導(dǎo)微分方程的固體間的熱傳導(dǎo)方程為：

λ[Δ]2Ts + Φ = 0 ? ? ? ?（2）

式中：Φ為內(nèi)部熱源的發(fā)熱功率.

如果把冷卻液看作不可壓縮流體，在流-固-熱耦合計(jì)算中，應(yīng)遵守質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，其三維流動(dòng)傳熱控制方程如下：

[Δ]v = 0 ? ? ? ? ? ? （3）

+ （v·[Δ]）v = f - [Δ]P + μ[Δ]2 v ? ? ? （4）

+ div（ρvT） = div

gradT ? ? ? （5）

式中：v為速度矢量;ρ、f、P、μ、cp、T、k分別表示冷卻液的密度、體積力、壓力、動(dòng)力黏度、比熱容、溫度、熱導(dǎo)率.

本文采用流固耦合傳熱模型，利用雙向耦合求解，其中流體域采用有限體積法，固體域采用有限元法.

2.2 ? 邊界參數(shù)設(shè)置

本文研究的電池模組包含4個(gè)電池單體，采用1并4串的連接方式，電池單體在1 C放電倍率下的發(fā)熱功率經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試為27 W，因此整個(gè)液冷單元以324 W作為計(jì)算輸入.

圖5為液冷單元傳熱的簡(jiǎn)化模型，將電池模組簡(jiǎn)化為發(fā)熱源，用導(dǎo)熱墊表面上的箭頭表示熱流邊界代替發(fā)熱源，假定液冷單元的外表面絕熱. 本文的CFD計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)求解，電池產(chǎn)生的熱量由導(dǎo)熱墊表面?zhèn)鬟f到液冷板內(nèi)表面，熱量通過液冷板流道內(nèi)表面與冷卻液的對(duì)流換熱被全部帶走. 邊界參數(shù)設(shè)置如表4所示，液冷單元主要的物性參數(shù)如表5所示，冷卻液使用體積比為1 ∶ 1的乙二醇水溶液，液冷板為3系鋁合金，導(dǎo)熱墊片采用有機(jī)硅復(fù)合材料.

2.3 ? CFD數(shù)值計(jì)算收斂性與準(zhǔn)確性判定

本文涉及多個(gè)不同模型工況的計(jì)算，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，流體域網(wǎng)格尺寸為2 mm，固體域網(wǎng)格尺寸為5 mm時(shí)，流體域網(wǎng)格數(shù)量為186.67萬，固體域網(wǎng)格數(shù)量為99.03萬，可保證計(jì)算精度. 流體區(qū)域邊界層為3層. 流體區(qū)域最大迭代步數(shù)為12 000步，固體域計(jì)算步數(shù)為2 400步. 本文以k-ε模型為湍流模型，經(jīng)驗(yàn)證，所有算例的殘差都在10-6以下. 圖6為本文所有算例流固交界面換熱功率、出口水溫升與一維計(jì)算（1D）的對(duì)比，所有算例的誤差均小于6‰，說明了本文數(shù)值計(jì)算的收斂性和準(zhǔn)確性.

3 ? 結(jié)果分析與討論

3.1 ? 流道寬度對(duì)散熱性能的影響分析

圖7為不同流道寬度下導(dǎo)熱墊的表面溫度的變化. 表面平均溫度和最大溫差均與中心流道W5寬度成反比，B6與B1相比，表面平均溫度下降1.7%，最大溫差下降19.4%. 雖然繼續(xù)增大中心流道寬度，表面平均溫度和最大溫差還可能進(jìn)一步降低，但中心流道W5過寬時(shí)，液冷板在液體壓力作用下產(chǎn)生變形，出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象.

圖8為流道寬度對(duì)冷卻液流阻、傳熱系數(shù)、熱阻的影響. 由圖8可知，隨著中心流道W5寬度的增加，對(duì)流傳熱系數(shù)逐漸升高，熱阻逐漸下降，液冷單元流阻先降后升，B6與B1相比，流阻增加14.6%，當(dāng)W5流道寬度在6 ～ 15 mm內(nèi)，流阻和散熱性能會(huì)隨W5的增加同時(shí)得到改善.

圖9為不同中心流道寬度下的溫度分布云圖. 當(dāng)W5寬度為6 mm時(shí)，液冷板中心區(qū)域?yàn)榈蜏貐^(qū)，兩側(cè)為高溫區(qū). 這是由于中間區(qū)域冷卻液溫度低，且中間區(qū)域流道窄、流速高，進(jìn)一步提升了中心區(qū)域的散熱能力，但是從液冷板全局來看，其均溫性效果不太理想.

當(dāng)W5寬度增加到31 mm時(shí)，低溫區(qū)域位于進(jìn)水口附近，液冷板中部為高溫區(qū). 此時(shí)，液冷板中間流道寬度大，流速低，對(duì)流換熱能力弱，入口處的低溫冷卻液則從傳熱溫差角度增大了換熱量，以此達(dá)到散熱均衡. 最后冷卻液從液冷板兩側(cè)流出，兩側(cè)冷卻液溫度高，但是兩側(cè)流速高帶來的強(qiáng)對(duì)流換熱使得該區(qū)域散熱相對(duì)均衡.

3.2 ? 流道深度對(duì)散熱性能的影響分析

圖10為不同流道深度下導(dǎo)熱墊表面溫度變化.表面平均溫度和最大溫差與流道深度成正比. 流道深度為2 mm時(shí)與5 mm時(shí)相比，導(dǎo)熱墊表面平均溫度下降了36.7%，最大溫差降低了9.4%. 在冷卻液進(jìn)口流量不變的情況下，流道深度小意味著冷卻液流速高，有利于散熱.

圖11為流道深度對(duì)冷卻液流阻、傳熱系數(shù)、熱阻的影響. 由圖11可知，以流道深度為5 mm時(shí)的散熱性能為基準(zhǔn)，2 mm流道深度的熱阻減小了32.1%，對(duì)流傳熱系數(shù)增加了91.7%，流阻增加了3.3倍. ?隨著流道深度的減少，盡管系統(tǒng)散熱性能得到改善，但導(dǎo)致了能耗顯著增加.

圖12是流道深度分別為2 mm、5 mm時(shí)的溫度分布云圖. 當(dāng)D為2 mm時(shí)，液冷板兩側(cè)為高溫區(qū)，中心區(qū)域?yàn)榈蜏貐^(qū). 這是因?yàn)閯傔M(jìn)入液冷板的冷卻液溫度較低，加之流道深度越小，流速越高，對(duì)流換熱能力越強(qiáng)，導(dǎo)致液冷板中部溫度比兩側(cè)低. 當(dāng)D為5 mm時(shí)，液冷板中游兩側(cè)為高溫區(qū)，中間流道部分為低溫區(qū).

3.3 ? 強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)對(duì)散熱性能的影響分析

圖13為5種添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案（S1～S5）與不添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案（B5）導(dǎo)熱墊表面溫度對(duì)比. 與B5相比，S1～S5導(dǎo)熱墊表面的平均溫度與最大溫差均有明顯下降，其中S1的最大溫差下降15.4%，平均溫度下降12.5%，可以看出其改善效果最顯著. S2、S3、S4的散熱均溫性能改善明顯，但略遜于S1;S5則會(huì)引起散熱均溫性能明顯下降. 由此可見，在兩側(cè)布置強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的液冷板的散熱性能及溫度一致性得到了明顯的改善.

圖14為不同強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻液流阻、傳熱系數(shù)、熱阻的影響. 與B5相比，S1～S5液冷單元的對(duì)流傳熱系數(shù)顯著增加，熱阻略微降低，且流阻增加幅度小. S1的改變最為明顯，流動(dòng)阻力增加11.9%，對(duì)流傳熱系數(shù)增加25.9%，熱阻下降47%.

3.4 ? 交換進(jìn)出水口對(duì)散熱性能的影響分析

圖15為S1～S5交換進(jìn)出水口后導(dǎo)熱墊表面溫度的變化對(duì)比，可以看出交換進(jìn)出水口對(duì)導(dǎo)熱墊表面平均溫度影響較小，但對(duì)最大溫差影響較為明顯.

圖16為交換進(jìn)出水口對(duì)冷卻液流阻、傳熱系數(shù)的影響;圖17為交換進(jìn)出水口對(duì)冷卻液熱阻的影響. 工況B與工況A相比，S1～S5的流動(dòng)阻力均有一定程度下降，對(duì)傳熱系數(shù)幾乎無變化，熱阻略微降低，且S4在交換進(jìn)出水口前后導(dǎo)熱墊表面最大溫差變化顯著.

圖18為S4液冷板交換進(jìn)出水口后導(dǎo)熱墊表面、液冷板流固交界面的溫度對(duì)比. 工況B與工況A相比，在液冷板中心靠近出口位置的局部區(qū)域出現(xiàn)了高溫區(qū)，這是由于該區(qū)域?yàn)槔鋮s液流通路徑最后一段，冷卻液溫度高，致使液冷單元溫度一致性較差. 在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)進(jìn)出口不對(duì)稱的液冷板，進(jìn)出水口位置也是重點(diǎn)考察對(duì)象之一.

（a）工況A導(dǎo)熱墊表面

（b）工況A流固交界面

（c）工況B導(dǎo)熱墊表面

4 ? 結(jié) ? 論

本文從流道設(shè)計(jì)參數(shù)、強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)幾個(gè)方面針對(duì)中心回轉(zhuǎn)流道液冷板的散熱性能進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

1）針對(duì)中心回轉(zhuǎn)流道，中間流道寬兩側(cè)流道窄的設(shè)計(jì)方案可以獲得較好的散熱性能及均溫性能. 流道深度越小，越有利于液冷單元散熱均溫性能的提升，流道深度過小、會(huì)增加制造工藝難度，引起流動(dòng)阻力和系統(tǒng)能耗的大幅增加.

2）添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)能改變冷卻液的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而大幅改善液冷單元的散熱性能及均溫性能. 在局部高溫區(qū)域添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)可以在改善液冷單元的散熱均溫性能的同時(shí)不引起流阻的顯著增加，實(shí)現(xiàn)液冷單元散熱、均溫、能耗的兼顧.

3）交換進(jìn)出水口雖然對(duì)散熱性能影響較小，但在液冷單元均溫性能方面有很大影響. 在設(shè)計(jì)液冷單元時(shí)，需要考慮進(jìn)出水口位置對(duì)其散熱均溫性能及系統(tǒng)能耗的影響.

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收稿日期：2020-10-30

基金項(xiàng)目：湖南省交通科技項(xiàng)目（201834），Hunan Transportation Science and Technology Project（201834）;湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2020JJ4205），Natural Science Foundation of Hunan Province（2020JJ4205）

作者簡(jiǎn)介：余劍武（1968—），男，湖南冷水江人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

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