鋰離子電池分岔水冷板結(jié)構(gòu)研究及優(yōu)化

張?zhí)m春，章嘉晶，王天波，陳 茜

(江蘇理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，江蘇常州 213001)

目前，常見(jiàn)的散熱方式可分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和熱管冷卻。與其他冷卻方式相比，液冷散熱系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的實(shí)用性。針對(duì)方形鋰電池主要采用含有內(nèi)嵌流道的水冷板與電池表面貼合進(jìn)行散熱。Rao 等[1]提出一種單進(jìn)出水口的平行流道水冷板，且在分流處采用直角構(gòu)型，會(huì)產(chǎn)生較大流動(dòng)阻力。Yuan 等[2]通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，從進(jìn)口、出口方向?qū) 形流道水冷板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。Panchal 等[3]提出一種多個(gè)進(jìn)出水口的U 形微通道水冷板，并從通道數(shù)量、寬度、進(jìn)出水口布局等方面研究。Jarrett 等[4-5]針對(duì)蛇形流道水冷板，以壓降、平均溫度為目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整流道位置、改變流道寬度進(jìn)行分析優(yōu)化。Wang 等[6]對(duì)樹(shù)型分岔通道網(wǎng)絡(luò)的流動(dòng)特性和傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明，通道數(shù)量、分岔等級(jí)的增加都能降低最高溫度，壓降與平行流道相比略高。Bahiraei 等[7]利用遺傳算法優(yōu)化樹(shù)型分岔微通道結(jié)構(gòu)，研究可知分岔結(jié)構(gòu)各支路間的流場(chǎng)均勻，能有效提升電池的溫均性。Deng 等[8]提出一種葉狀分岔微通道水冷板，研究了進(jìn)出水口數(shù)量、通道長(zhǎng)度比、寬度比對(duì)換熱性能及能耗的影響。

平行流道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常單個(gè)進(jìn)出水口就能滿足其管道內(nèi)水流流動(dòng)需求；U 形流道的流道較長(zhǎng)，分岔流道則構(gòu)型復(fù)雜，兩者大多都需要多個(gè)進(jìn)出水口，使水流能快速擴(kuò)散至各個(gè)流道進(jìn)行散熱。不同流道匹配不同數(shù)量的進(jìn)出水口，才能發(fā)揮各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。因此目前研究常常側(cè)重于單種流道的幾何參數(shù)優(yōu)化分析，將兩種流道結(jié)合的研究較少。將單進(jìn)出水口平行流道與分岔流道相結(jié)合，能保證結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的同時(shí)實(shí)現(xiàn)平行流道間區(qū)域的散熱，提升水冷板的換熱能力及溫均性，但能耗略有增加。

本文以單進(jìn)出水口平行流道水冷板為基礎(chǔ)，引入微通道水冷板分岔結(jié)構(gòu)，建立單進(jìn)出水口分岔流道水冷板。對(duì)比研究?jī)煞N分岔流道水冷板支路流道寬度對(duì)電池散熱效果的影響規(guī)律；并進(jìn)一步分析流道寬度、路徑對(duì)兩側(cè)分岔流道水冷板冷卻性能的影響規(guī)律。

1 液冷結(jié)構(gòu)

本文采用國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的38 Ah 方殼三元鋰離子電池為研究對(duì)象，單體電池的基本尺寸為120 mm×66 mm×27 mm，根據(jù)此尺寸設(shè)計(jì)水冷板。圖1 為兩側(cè)分岔流道水冷板(以下簡(jiǎn)稱側(cè)分水冷板)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 為中間分岔流道水冷板(以下簡(jiǎn)稱為中分水冷板)結(jié)構(gòu)示意圖；表1 為水冷板各參數(shù)含義。

圖1 側(cè)分水冷板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 中分水冷板結(jié)構(gòu)示意圖

表1 水冷板參數(shù)含義

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 電池生熱機(jī)理及熱物性參數(shù)

Bernardi 等提出單體電池生熱率模型[9]為：

式中：V為電池單體體積；I為充放電電流；Eo為電池開(kāi)路電壓；E為電池的端電壓；T為電池溫度；R為電池歐姆電阻；q為電池生熱速率。

本文主要比較不同構(gòu)型水冷板的散熱能力，故將電池產(chǎn)熱等效為加載在水冷板上的平均平面熱流密度。根據(jù)Φ=Ph/S(Φ為熱通量；Ph為電池發(fā)熱功率；S為電池與水冷板接觸面積)計(jì)算可知，電池在3C倍率放電下的熱通量為2 500 W/m2。水冷板和冷卻液的熱物性參數(shù)如表2 所示。

表2 水冷板和冷卻液熱物性參數(shù)

2.2 邊界條件和網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試

采用Fluent作為模擬仿真工具，基本控制方程包括質(zhì)量守恒方程、連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程等。仿真的假設(shè)和邊界條件如下：假設(shè)內(nèi)部流場(chǎng)中的流體不可壓縮、流體與固體之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)；采用層流模型計(jì)算；電池與水冷板接觸面加載均勻的熱通量2 500 W/m2；其余4 個(gè)側(cè)面為空氣對(duì)流冷卻，對(duì)流換熱系數(shù)為3 W/(m2·K)。設(shè)置環(huán)境溫度為300 K；冷卻液進(jìn)口設(shè)為速度入口，流速為0.17 m/s；出口為壓力出口，出口壓力為0 Pa。水冷板中冷卻液與管道壁面接觸面為流固耦合面。

利用ICEM 對(duì)模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)性四面體網(wǎng)格劃分，模型被分為固體區(qū)域和流體區(qū)域。通過(guò)對(duì)流體區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，得到6 種不同網(wǎng)格數(shù)的網(wǎng)格模型。以表面最高溫度、壓降的計(jì)算結(jié)果作為衡量網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的依據(jù)，結(jié)果如圖3 所示。綜合考慮仿真準(zhǔn)確性和計(jì)算資源，最終選擇280 萬(wàn)數(shù)量的網(wǎng)格模型。對(duì)水冷板劃分的網(wǎng)格如圖4 所示。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

圖4 水冷板網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 支路流道寬度對(duì)分岔流道水冷板冷卻性能的影響規(guī)律

針對(duì)7 個(gè)尺寸方案(同一方案下，側(cè)分水冷板與中分水冷板的流道橫截面積相同)，對(duì)比研究同一方案下兩種水冷板對(duì)電池的散熱效果。表3 為不同方案下兩種水冷板支路流道寬度。由圖5 可知，隨著支路流道寬度增加，側(cè)分水冷板下電池的最高溫度、溫差均有明顯下降，寬度大于2.5 mm 時(shí)，最高溫度和溫差降低得非常有限。中分水冷板下電池的最高溫度、溫差隨支路流道寬度增加而上升。除方案一下側(cè)分水冷板的電池最高溫度、溫差高于中分水冷板，其余方案中側(cè)分水冷板下電池的最高溫度、溫差均低于中分水冷板，且隨著支路寬度的增加，兩者差距越來(lái)越大。因此在適當(dāng)支路流道寬度下，側(cè)分水冷板對(duì)電池的散熱效果更好。綜合考慮側(cè)分水冷板的散熱效果、計(jì)算資源和成本，選擇方案五下的側(cè)分水冷板進(jìn)行下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 不同方案中兩種水冷板下電池的最高溫度和溫差

表3 不同方案下兩種水冷板支路寬度 mm

3.2 次主流道總長(zhǎng)度對(duì)側(cè)分水冷板冷卻性能的影響規(guī)律

由圖6 可知，靠近進(jìn)水口的區(qū)域溫度較低，冷卻水吸收熱量后溫度上升，冷卻能力下降，則靠近出水口區(qū)域溫度較高。為進(jìn)一步提升水冷板冷卻性能，縮小次主流道總長(zhǎng)度d5，將三組支路及次主流道后移，加強(qiáng)出水口附近區(qū)域散熱。為保證流道橫截面積不變，將縮小次主流道總長(zhǎng)度而減少的面積在支路流道上補(bǔ)足。

圖6 方案五下側(cè)分水冷板溫度云圖

不同次主流道總長(zhǎng)度d5的水冷板下電池最高溫度和溫差如圖7 所示。綜合考慮水冷板冷卻效果及后續(xù)的優(yōu)化，選擇d5=49.14 mm 進(jìn)行下一步設(shè)計(jì)。d5=49.14 mm 時(shí)，側(cè)分水冷板下電池的最高溫度從308.010 K 降至307.925 K，溫差從5.018 K 降至4.865 K，兩者均有改善。

圖7 不同次主流道總長(zhǎng)度的水冷板下電池的最高溫度和溫差

3.3 流道寬度對(duì)側(cè)分水冷板冷卻性能的影響規(guī)律

針對(duì)靠近出水口區(qū)域散熱不佳的問(wèn)題，在流道橫截面積不變的情況下，沿進(jìn)水口至出水口方向逐漸增加三組支路及對(duì)應(yīng)段次流道的寬度，增大靠近出水口區(qū)域流道橫截面積，加強(qiáng)散熱。如圖8所示，依次增加支路流道寬度d1-1、d1-2和d1-3，次主流道寬度d4-1、d4-2和d4-3。設(shè)置d2＞d3，且d2與d3之間相差8 mm，使流道橫截面積更貼近出水口區(qū)域；d6為第三段次主流道長(zhǎng)度，d6的長(zhǎng)度根據(jù)流道截面積不變的原則計(jì)算得出。

圖8 調(diào)整流道寬度水冷板結(jié)構(gòu)示意圖

由表4 可知，相同長(zhǎng)度分布下，支路流道寬度和次主流道寬度增加得越均勻，最高溫度和溫差越小。上述方案中，冷卻效果最優(yōu)的一組，最高溫度為307.883 K，與優(yōu)化前307.925 K相比降低了0.042 K；溫差為4.768 K，與優(yōu)化前4.866 K 相比降低了0.098 K。最高溫度、溫差提升效果均不明顯。

表4 相同長(zhǎng)度分布下不同流道寬度仿真結(jié)果

由圖9 可知，流道寬度逐漸增大，導(dǎo)致流道內(nèi)水流流速降低，出現(xiàn)較大面積的流動(dòng)死區(qū)，使針對(duì)靠近出水口區(qū)域而增大的流道面積，不能充分發(fā)揮其散熱功能，致使優(yōu)化效果不佳。

圖9 調(diào)整流道寬度水冷板流速云圖

3.4 流道路徑對(duì)側(cè)分水冷板冷卻性能的影響規(guī)律

針對(duì)上述方案優(yōu)化效果不佳的問(wèn)題，在靠近出水口區(qū)域，增加流道路徑提升水冷板的冷卻性能。如圖10 所示，適當(dāng)減小次主流道寬度，提升流道內(nèi)水流流速；在第二、第三組支路之間和第三組支路與外框主流道之間分別增加一組軸對(duì)稱的次支路流道(流道橫截面積保持不變)；次支路與支路流道間夾角為W；第一組次支路流道中，右側(cè)流道最低點(diǎn)為A，第二組次支路流道中，右側(cè)流道最低點(diǎn)為B。隨著W改變，A、B 兩點(diǎn)的位置變化可忽略不計(jì)，因此可保證位置因素的一致。

圖10 增加流道路徑的水冷板結(jié)構(gòu)示意圖

在相同流道橫截面積、位置因素和兩組次支路流道橫截面積分配一定的情況下，提出5 個(gè)角度，探究夾角W對(duì)水冷板冷卻性能的影響。由圖11 可知，當(dāng)夾角小于45°時(shí)，角度越小，最高溫度和溫差越小。如圖12 可知，夾角越小，次支路流道越靠近出水口，則從支路流入次支路流道的冷卻水溫度就越低；同時(shí)夾角越小，次支路流道越長(zhǎng)，能對(duì)更大區(qū)域產(chǎn)生冷卻影響，達(dá)到更好的散熱效果。

圖11 不同夾角水冷板下電池最高溫度和溫差

圖12 夾角為20°水冷板的溫度云圖

本文研究的角度中，夾角為20°時(shí)，水冷板下電池的最高溫度為307.741 K，溫差為4.662 K，與優(yōu)化前比較，最高溫度降低了0.184 K，溫差降低了0.204 K，壓降僅上升3.04%。在3C高倍率放電下，該水冷板能將電池最高溫度控制在40 ℃以下，溫差控制在5 ℃以內(nèi)，具有良好的散熱性能和溫度均勻性。

3.5 水冷板異向進(jìn)出口布置方式

針對(duì)圖12 水冷板靠近出水口區(qū)域溫度高的問(wèn)題，在電池組中布置水冷板時(shí)，采用異向進(jìn)出口的布置方式，如圖13。

圖13 異向進(jìn)出口布置方式結(jié)構(gòu)示意圖

將原水冷板與增加流道路徑水冷板分別按上述方式布置在兩組電池組中，由圖14 可知，使用優(yōu)化水冷板的電池組溫度分布更均勻，高溫區(qū)域更少，因此優(yōu)化水冷板具有良好的散熱能力，能提升電池組溫度均勻性，進(jìn)而延長(zhǎng)電池的使用壽命。

圖14 不同水冷板下電池組溫度云圖

4 結(jié)論

(1) 隨支路、次主流道寬度增加，兩側(cè)分岔流道水冷板的散熱性能、溫均性均有提升；中間分岔流道水冷板的散熱性能、溫均性下降。在適當(dāng)流道寬度下，兩側(cè)分岔水冷板具有更好的散熱效果。

(2)通過(guò)增加高溫區(qū)域流道寬度，重新分配散熱面積的方案，對(duì)水冷板冷卻性能提升不明顯。

(3)增加高溫區(qū)域流道路徑能較好地提升水冷板的冷卻性能，在一定限制條件下，增加的次支路流道與支路流道間的夾角越小，水冷板的散熱效果越好。在本文研究范圍內(nèi)，夾角為20 °的水冷板具有較強(qiáng)的散熱能力，能將3C倍率放電的電池的最高溫度控制在40 ℃以下，溫差控制在5 ℃以內(nèi)。