液冷板分配流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱性能影響研究

章嘉晶 張?zhí)m春

摘要：建立漸變的冷卻液分配流道，利用計算流體力學(xué)的方法，分析進出水口布置方式、分配流道面積、分配流道上底與下底比例對液冷板散熱性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：異側(cè)布置方式比同側(cè)布置方式的液冷板具有更低的電池最高溫度和溫差;4種分配流道面積中，1 455 mm²分配流道的液冷板下電池的最高溫度最低，溫差略高，整體冷卻表現(xiàn)最好;隨著分配流道面積從1 455 mm²增大至2 425 mm²，電池的最高溫度上升，溫差稍有下降;隨著分配流道上底與下底比例的增加，電池最高溫度先下降后上升，溫差逐漸增大，上底與下底比例為3：7的液冷板下電池最高溫度為304.346 K，溫差為3.302 K，綜合冷卻性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;液冷散熱;液冷板;分配流道

中圖分類號：TM 912.9文獻標識碼：A文章編號：2095-7394（2021）06-0079-10

隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源危機日趨嚴重。目前，各國都致力于推動與發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，開發(fā)電動汽車被公認為是一種替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機技術(shù)的可持續(xù)解決方案[1-2]。作為電動汽車的關(guān)鍵部件之一，鋰離子電池其成本和性能在很大程度上決定了電動汽車的成本和可靠性。鋰離子電池具有重量輕、儲能大、功率大、無污染等特點，但其高倍率放電時，生熱迅速，需采用合適的冷卻方式來保證電池的工作性能和使用壽命[3-5];而液冷散熱系統(tǒng)的傳熱效率高，液流可控性強，是主流的散熱方案[6-7]。當前，方形電池的液冷散熱方式主要有液冷板和直接浸入冷卻液兩種[8]，其中，平行流道液冷板結(jié)構(gòu)簡單、實用性強，因此，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了多項研究。

Wang等人[9]研究對比了平行流道液冷板的四種串并聯(lián)排布方式，發(fā)現(xiàn)3塊液冷板并聯(lián)的排布方式散熱效果最優(yōu);Tang等人[10]提出了三種不同的冷卻結(jié)構(gòu)，通過實驗和仿真發(fā)現(xiàn)，電池模塊的底部和兩側(cè)都有冷卻板的結(jié)構(gòu)具有最佳的冷卻性能，而增加散熱面積能有效降低電池的最高溫度和溫差;Bladimir Ramos-Alvarado等人[11]提出了四種平行流道結(jié)構(gòu)，并研究了加入橫向流道后四種結(jié)構(gòu)的冷卻性能;安治國等人[12]研究了不同流道數(shù)量、不同流道截面形狀以及不同截面長寬比的平行流道液冷板模型;T. Amalesh等人[13]研究了平行流道的七種變形結(jié)構(gòu)（矩形槽流道、方波流道、波紋管流道、正弦波流道、弧形流道、圓形槽流道、鋸齒形流道）的散熱性能;Liu等人[14]在平行流道間加入傾斜的分岔流道，使之變形為樹狀流道結(jié)構(gòu)，采用仿真模擬和實驗驗證的方法測試該結(jié)構(gòu)的散熱性能，通過與傳統(tǒng)平行流道比較，表明樹狀流道液冷板具有更好的散熱性能和溫度均勻性。

然而，上述研究方向往往集中于液冷板的排布方式、數(shù)量，散熱流道的幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等問題，而鮮有文獻討論冷卻液分配流道對液冷板冷卻效果的影響。本文建立漸變的分配流道，將進水口、出水口兩側(cè)的冷卻液分配流道設(shè)為直角梯形，用來調(diào)整散熱流道內(nèi)冷卻液的分布及流速，從而提高液冷板的散熱效果;針對直角梯形分配流道，從進出水口布置方式、分配流道面積、分配流道上底與下底的比例三個方面，研究分配流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱性能的影響規(guī)律。

1模型與數(shù)值計算

1.1模型建立

本文的研究對象為38 Ah三元功率型方殼鋰電池，鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，在建模過程中將電池簡化為單一實體，其基本尺寸為148.2 mm×97 mm×27 mm。如圖1所不，單體電池由貼合的兩塊液冷板進行冷卻，液冷板流道分為豎直的矩形散熱流道和直角梯形的冷卻液分配流道兩個部分。矩形散熱流道等間距分布;直角梯形分配流道a為上底長度，b為下底長度;進出水口居中設(shè)于下底處。

1.2電池生熱機理及熱物性參數(shù)

鋰離子電池產(chǎn)熱的主要來源有四種方式[15]：正負電極間的電化學(xué)反應(yīng)熱Q_r;電解液發(fā)生分解反應(yīng)等產(chǎn)生的副反應(yīng)熱Q_s;電池內(nèi)部歐姆電阻產(chǎn)生的焦耳熱Q_j;容差極化內(nèi)阻生成的極化熱Q_p。電池的總產(chǎn)熱量為Q，可表示為：

Q=Q_r+Q_s+Q_j+Q_p。（1）

對電池表面進行隔熱處理和充放電實驗測試，認為電池在工作中產(chǎn)生的熱量全部被自身吸收并轉(zhuǎn)化為電池表面溫度升高，則電池總產(chǎn)熱量由以下公式計算：

Q=c_pmΔT。（2）

式中：Q為鋰離子電池總產(chǎn)熱量;c_p為電池定壓比熱容;m為電池質(zhì)量;ΔT為電池在實驗過程中的溫升。

由式（2）得到生熱功率的計算公式為：

式中：P為電池生熱功率;t為電池溫升所對應(yīng)的工作時間。

參考傅家麒[16]的實驗數(shù)據(jù)，電池在3 C倍率下放電1 200 s的生熱功率為21.86 W，則單體電池體熱源可表示為：

其中：q為電池體熱源即單位體積的生熱率;V為單體電池體積。電池、液冷板和液體的熱物性參數(shù)如表1所示。

1.3網(wǎng)格無關(guān)性及邊界條件

使用ICEM軟件對液冷模型進行非結(jié)構(gòu)性四面體網(wǎng)格劃分，并對流體區(qū)域的網(wǎng)格加密得到1 087 587、2 077 712、3 475 400、4 889 382、5 853 239、6 834 242、10 266 768 七種不同數(shù)量的網(wǎng)格模型。以溫差、壓降的計算結(jié)果作為衡量網(wǎng)格無關(guān)性的依據(jù)，結(jié)果如圖2所示。對比488萬數(shù)量與585萬數(shù)量網(wǎng)格模型的計算結(jié)果，溫差和壓降的計算精度均低于1.5%，通過綜合考慮仿真準確性和計算資源，最終選擇488萬數(shù)量的網(wǎng)格模型。具體網(wǎng)格劃分如圖3所示。

采用Fluent作為模擬仿真工具，選擇層流模型計算;設(shè)置環(huán)境溫度為300 K;冷卻液進口設(shè)為速度入口，速度為0.03 m/s;出口設(shè)為壓力出口，壓力為0。由于電池布置在電池箱中，密封性好而換熱能力較差，故對流換熱系數(shù)取1 W/（m²·K）。

2液冷板散熱特性仿真及分析

2.1進出水口布置方式對散熱性能的影響

如圖4（a）所示，進、出水口均布置在液冷板的右側(cè)，稱為同側(cè)布置方式;如圖4（b）所示，進、出水口布置在液冷板的左右兩側(cè)，稱為異側(cè)布置方式。為對比兩種布置方式散熱性能的優(yōu)劣，選取分配流道面積1 445 mm²，上底與下底比例為3：7，對不同散熱流道數(shù)量下兩種布置方式的液冷模組進行研究。

如圖5所示，為不同流道數(shù)量下兩種布置方式電池的最高溫度和溫差。（1）隨著散熱流道數(shù)量的增加，在同側(cè)布置方式下，電池的最高溫度和溫差均有明顯升高。（2）隨著散熱流道數(shù)量的增加，在異側(cè)布置方式下，電池的最高溫度逐漸降低，溫差逐漸增大;當散熱流道數(shù)量從7增加到9時，電池最高溫度趨于穩(wěn)定，溫差增大得十分有限。（3）不同散熱流道數(shù)量中，異側(cè)布置方式下電池的最高溫度和溫差均低于同側(cè)布置方式。

如圖6所示，為兩種布置方式下電池的溫度分布圖。由圖6可知：同側(cè)布置方式下電池的最高溫度明顯高于異側(cè)布置方式，且溫度分布不均，說明異側(cè)布置方式的液冷板具有更優(yōu)的散熱性能。

如圖7所示，為兩種布置方式下液冷板流速圖。分析圖7可知：在同側(cè)布置方式下，冷卻液集中分布在靠近進出水口的3條散熱流道，而其余散熱流道內(nèi)冷卻液分布少、流速低、接近斷流;在異側(cè)布置方式下，散熱流道內(nèi)冷卻液分布均勻，流速較快?？梢?，異側(cè)布置方式的液冷板具有更好的冷卻性能及溫均性;故選擇異側(cè)布置方式的液冷板為研究對象，探究分配流道結(jié)構(gòu)因素對散熱性能的影響。

2.2分配流道面積對散熱性能的影響

以異側(cè)布置方式、分配流道上底與下底之比為3：7的液冷板為前提條件，對比分析不同散熱流道數(shù)量下，4種分配流道面積（單個直角梯形分配流道面積分別為970 mm²、1 455 mm²、1 940 mm²、2 425 mm²）的液冷板散熱性能。

如圖8所示，為不同分配流道面積的液冷板下電池最高溫度和溫差。由圖8可知：970mm²的分配流道液冷板下電池的最高溫度和溫差最高;當分配流道面積從1 455 mm²增大至2 425 mm²時，電池的最高溫度上升，溫差略有下降。

如圖9所示，為970 mm²、1 455 mm²、2 425 mm²三種分配流道面積液冷板下電池的溫度分布圖。由圖9可知：970 mm²分配流道液冷板下電池的溫度最高，且高溫區(qū)域分布最多;1 455 mm²分配流道液冷板下電池的溫度分布與2 425 mm²液冷板下電池的溫度分布基本一致;2 425 mm²液冷板下電池的溫度云圖中出現(xiàn)一個明顯的高溫點。上述3 種分配流道面積液冷板下，電池的溫度分布與圖8 所示的最高溫度、溫差規(guī)律相符。

如圖10所示，為三種分配流道面積的液冷板流速圖。分析圖10可知：冷卻液從進水口流入，流經(jīng)分配流道，并沿途流入散熱流道;970mm²的分配流道上底與下底長度短，分配流道內(nèi)冷卻液流速較快，阻礙了其順利流入中間的5條散熱流道，造成冷卻液整體分布不均，中間3條散熱流道內(nèi)冷卻液流速慢，散熱效果不佳;在2 425 mm²的分配流道中，下底長度長，冷卻液從靠近下底側(cè)的進水口流入后，流速稍慢，從而能更均勻地分流至各條散熱流道，則2 425 mm²的分配流道下電池的溫差小，7條散熱流道內(nèi)冷卻液流速相對較慢，電池的最高溫度較高;1 455 mm²分配流道的上底與下底長度適中，中間3條散熱流道內(nèi)冷卻液流速稍慢，其余流道內(nèi)流速較快，冷卻液整體分布均勻，則該方案下電池的最高溫度最低，溫差略高。

進一步分析圖8、圖9可知：1 455 mm²分配流道液冷板下電池的溫度分布與2 425 mm²液冷板下電池的溫度分布基本一致，溫差小，且均在5℃以內(nèi)，說明兩者溫均性相近;但2 425 mm²分配流道液冷板下電池的溫度云圖中有明顯的高溫點，即電池的最高溫度高于1 455 mm²的方案，可見1 455 mm²的分配流道液冷板散熱性能更優(yōu)。綜合上述因素，1 455 mm²分配流道液冷板的綜合冷卻性能在4種分配流道面積中最優(yōu)。隨著散熱流道數(shù)量的增加，4種不同分配流道面積的電池最高溫度均下降，當散熱流道數(shù)量從7增加到9時，最高溫度趨于穩(wěn)定;當散熱流道數(shù)量為3時，溫差較高，而散熱流道數(shù)量增加到4時，溫差有較大幅度下降;當散熱流道數(shù)量繼續(xù)增加，溫差緩慢上升。因此，綜合考慮最高溫度和溫差，選取1 455 mm²、7條散熱流道的液冷板進行后續(xù)研究。

2.3分配流道上底與下底的比例對散熱性能的影響

在異側(cè)布置方式、分配流道面積1 455 mm²、7 條散熱流道的液冷板條件下，研究分配流道上底與下底的比例對散熱性能的影響。如圖11所示，為分配流道上底與下底不同比例的液冷板下電池最高溫度和溫差。由圖11可見：隨著上底與下底比例的增加，電池最高溫度先下降，后上升;當比例為3：7時，電池最高溫度最低，最高溫度為304.346 K，溫差為3.302 K;隨著上底與下底比例的增加，溫差逐漸增大。

如圖12所示，為3種不同上底與下底比例液冷板下電池的溫度分布圖。由圖12可知：比例為1：9的液冷板下電池溫度分布均勻，高溫區(qū)域集中;比例為3：7的液冷板下電池溫度分布均勻，高溫區(qū)域狹長;比例為7：8液冷板下電池的高溫區(qū)域大，高溫區(qū)域與其余部分對比明顯，溫度分布不均。

如圖13所示為不同上底與下底比例的液冷板流速圖。分析圖13可知：（1）當比例為1：9時，下底長度較長，導(dǎo)致從靠近下底一側(cè)流入散熱流道的冷卻液流速較低;上底較短，致使冷卻液不能充分流入靠近上底的散熱流道中，則靠近上底的散熱流道內(nèi)冷卻液流速略低，從而有利于冷卻液在散熱流道內(nèi)均勻分布，電池的溫差小;散熱流道內(nèi)冷卻液流速稍慢，故該比例液冷板下電池最高溫度較高。（2）當比例為7：8時，下底的長度較短，冷卻液從進水口流入分配流道后流速快，致使較少的冷卻液能流入中間散熱流道;冷卻液流速慢，特別是中間三條散熱流道內(nèi)冷卻液分布少，接近斷流，故該比例下電池的最高溫度和溫差最高。（3）當比例為3：7時，分配流道上底與下底的比例適中，靠近上底與下底的散熱流道內(nèi)冷卻液流速稍快，中間流道內(nèi)流速略慢，在保證流速的同時也能使冷卻液在散熱流道內(nèi)分布均勻，故最高溫度最低，溫差略高。綜上，比例為1：9的液冷板與比例為3：7的液冷板下，電池溫度分布都均勻，兩者的溫差變化小;但比例為1：9的液冷板下電池的最高溫度明顯要高。因此，比例為3：7的液冷板整體冷卻效果最好。

3結(jié)論

本文采用計算流體力學(xué)的方法，分析進出水口布置方式、分配流道面積、分配流道上底與下底比例對液冷板散熱性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。

（1）異側(cè)進出水口布置方式的液冷板比同側(cè)布置方式具有更好的冷卻性能和溫均性。在異側(cè)布置方式下，散熱流道內(nèi)冷卻液分布均勻，流速較快;而同側(cè)布置方式下，冷卻液分布不均，流速相差較大。

（2）4種分配流道面積中，1 455 mm²的分配流道下電池的最高溫度最低，溫差略高，綜合冷卻性能最優(yōu);970 mm²的分配流道液冷板散熱效果最差;隨著分配流道面積從1 455 mm²增大至2 425 mm²，電池的最高溫度上升，溫差稍有下降。

（3）隨著分配流道上底與下底比例的增加，電池的最高溫度先下降后上升，溫差逐漸增大。當比例為3：7時，分配流道上底與下底的比例適中，在保證流速的同時也能使冷卻液在散熱流道內(nèi)均勻分布，該比例的液冷板下電池的最高溫度為304.346 K，溫差為3.302 K;其最高溫度在五種比例中最低，溫差略高。因此，比例為3：7的液冷板綜合冷卻性能最優(yōu)。

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Study on the Influence of Structure Parameters of Liquid Cooling Plate Distribution Channel on Heat Dissipation Performance

ZHANG Jiajing，ZHANG Lanchun

（School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

Abstract：A gradual coolant distribution channel is established，and the influence of inlet and outlet layout，distribution channel area，and the proportion of upper and bottom of distribution channel on the heat dissipation performance of liquid cooling plate is analyzed by computational fluid dynamics method. The results show that the maximum temperature and temperature difference of the battery with different side arrangement are lower than those with the same side arrangement. Among the four distribution channel areas，the highest temperature of the battery under the liquid cooling plate with 1455 mm²distribution channel is the lowest，the temperature difference is slightly higher，and the overall cooling performance is the best. With the increase of the distribution channel area from 1455 mm2 to 2425 mm²，the maximum temperature of the battery increases and the temperature difference slightly decreases. With the increase of the proportion of upper bottom and lower bottom of the distribution channel，the maximum temperature of the battery decreases first and then increases，and the temperature difference gradually increases. The maximum temperature of the battery under the liquid cooling plate with a ratio of 3：7 is 304.346 K，and the temperature difference is 3.302 K，which indicates that the comprehensive cooling performance is optimal.

Key words：lithium ion battery;liquid cooling;liquid cold plate;distribution channel