冷板流道結(jié)構(gòu)對(duì)空間電池組冷卻效果的影響

果晶晶 GUO Jing-jing

（河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，邢臺(tái) 054035）

0 引言

作為電源關(guān)鍵部件的空間站一次電源化學(xué)蓄電池組，數(shù)量眾多、排列密集、工作模式多變[1-4]。在高密度的電池組充放電過程中，因各類物理和電化學(xué)變化，產(chǎn)生大量熱量；一旦無法有效排出將導(dǎo)致不均勻的熱量積聚，使得電池單體內(nèi)部溫度不均、電池組局部升溫過快，整體溫度均勻性變差；這不僅會(huì)影響電池組的壽命和性能，還會(huì)增加電池?zé)崾Э氐膸茁?，甚至可能有爆炸、火?zāi)的危險(xiǎn)。因此電池的均勻散熱問題是亟待解決的核心技術(shù)難題。

電池組的冷卻方式主要有空冷[5]、液冷[6]、相變冷卻[7]，以及兩兩組合的復(fù)合冷卻方式[8]等。其中，液冷是空間站一次電源化學(xué)蓄電池組最有效的熱管理方式之一。目前，有關(guān)液冷冷板結(jié)構(gòu)對(duì)地面熱源的冷卻效果研究較多，對(duì)處于特殊環(huán)境下的空間電池組冷卻研究較少；人們更多的關(guān)注于采用什么樣的冷卻方式來對(duì)空間電池組進(jìn)行熱管理，使電池組的溫度分布更均勻，而對(duì)液冷冷板結(jié)構(gòu)對(duì)空間電池組冷卻效果的研究較少。本文通過CFD數(shù)值模擬，分析空間電池組冷板內(nèi)不同流道結(jié)構(gòu)隨流道尺寸的變化對(duì)電池組溫度分布的影響規(guī)律，以期歸納總結(jié)高溫度均勻性冷板的設(shè)計(jì)方法。

1 模型描述

1.1 物理模型

圖1為所要研究的空間站圓柱形鋰離子蓄電池、電源控制器（PCU）以及冷板的三維幾何模型。圖1（a）為電池組、PCU以及冷板的相對(duì)位置示意圖，為了研究問題的方便，忽略電池的正極，將鋰電池視為一根假想的圓柱體；圖1（b）為電池組的幾何模型，該電池組依據(jù)相應(yīng)擺放位置，按照6行（j）8列（i）進(jìn)行電池單體的編號(hào)；圖1（c）為對(duì)比分析的（普通U型、S型、Z型）三種不同流道結(jié)構(gòu)的冷板。以圖1所示的空間電池組模型為研究對(duì)象，分別從表1所示的2組工況進(jìn)行對(duì)比分析，以期探索冷板內(nèi)不同流道結(jié)構(gòu)對(duì)電池組冷卻效果的影響規(guī)律。

圖1 研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 模擬工況

在本文研究中，為了描述問題的方便，將冷板流道寬度為a、流道間距為b、流道高度為c的尺寸簡稱a-b-c。

計(jì)算時(shí)首先設(shè)定計(jì)算域入口、出口、流固耦合壁面、電池產(chǎn)熱等邊界條件，相應(yīng)地邊界條件設(shè)置具體如下[8]：

①冷板入口的邊界條件選擇速度入口；出口選擇outflow自由流出作為其邊界條件；

②電池單體的發(fā)熱功率為12W，電源控制器PCU的發(fā)熱功率為50W；

③外界的環(huán)境為真空，溫度為3K。

進(jìn)行冷板流道結(jié)構(gòu)對(duì)電池組冷卻效果的數(shù)值模擬時(shí)，選定冷板的材質(zhì)為鋁，水作為流經(jīng)冷板的冷卻工質(zhì)，進(jìn)口流速為0.1m/s，進(jìn)口溫度為293K，所用到的相關(guān)物性參數(shù)具體見表2。

表2 材料相關(guān)的物性參數(shù)

為了保證模擬結(jié)果的精準(zhǔn)性，選取流道尺寸為2-2-10S型冷板、水的進(jìn)口流速為0.2m/s、進(jìn)口溫度為293K，分別進(jìn)行數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)；對(duì)比其數(shù)值模擬結(jié)果與同等工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水的進(jìn)出口溫差分別為3.0K和3.6K，電池的最大溫差分別為6.6K和7.2K，故而模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

1.2 數(shù)據(jù)處理

①本文主要研究三種不同流道結(jié)構(gòu)的冷板在不同的流道尺寸的情況下，對(duì)空間電池組冷卻溫度均勻性的影響，故定義參數(shù)α來衡量各電池單體的溫度均勻程度的指標(biāo)，具體如下：

②冷板的進(jìn)出口壓差Δp

式中：Pin為進(jìn)冷卻工質(zhì)口平均壓力，MPa；Pout為出冷卻工質(zhì)口平均壓力，MPa。Δp越大，消耗的泵功越大，對(duì)泵的要求也越高，經(jīng)濟(jì)成本越高。

2 結(jié)果與討論

流道尺寸分別在表1所示工況的條件下，不同結(jié)構(gòu)冷板對(duì)電池組進(jìn)行冷卻時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布情況如圖2所示。

圖2 空間電池組溫度場分布情況

由圖2空間電池組的溫度場分布圖可知：冷卻工質(zhì)進(jìn)口側(cè)的電池單體溫度較低，靠近PCU側(cè)的電池單體溫度較高；冷板中間部分的電池溫度比邊部的電池溫度要高；所研究的任一尺寸下，普通U冷板冷卻下的電池組溫度均較高，冷卻效果都較差，這是因?yàn)槠胀║型冷板的流量分布具有嚴(yán)重的不均勻性，冷板上面熱流是均勻分布的，靠近進(jìn)出口附近的流道內(nèi)流量較大，冷卻工質(zhì)在流動(dòng)的過程中吸熱較多，相應(yīng)位置的電池單體溫度較低；而遠(yuǎn)離進(jìn)出口流道內(nèi)的流量相對(duì)較小；在同樣大小的熱流密度下，冷卻工質(zhì)與冷板流道對(duì)流換熱面積小的區(qū)域，在流速較低的情況下，散熱效果較差，從而造成流量較小的區(qū)域的熱量大部分不能被冷卻工質(zhì)帶走，進(jìn)而出現(xiàn)高溫現(xiàn)象。其它兩種冷板冷卻下的電池組溫度較低，冷卻效果較好。S型冷板冷卻下的電池組溫度分布較均勻。

如圖3所示，在工況1的任一尺寸下，普通U型冷板對(duì)應(yīng)的電池單體的溫度均勻程度曲線波動(dòng)幅度較大，各電池單體的溫度均勻性較差；而Z型、S型所對(duì)應(yīng)的電池單體溫度均勻程度的曲線波動(dòng)幅度較小，對(duì)電池單體的冷卻均勻性較好；相較于普通U型、Z型冷板，S型冷板冷卻下的電池單體均勻性最好。

圖3 各電池單體的溫度均勻性

圖4不同尺寸下的模擬結(jié)果

圖4 （a）為工況1條件下，普通U型、S型、Z型三種結(jié)構(gòu)冷板隨著流道尺寸縮小對(duì)電池組的最高、最低溫度的影響。由圖可知，隨著流道尺寸的減小，普通U型、Z型冷板的最高溫度先上升再下降，而S型冷板的最高溫度隨著流道尺寸的縮小，一直呈降低趨勢(shì)；Z型、S型最高溫度的降低均趨于平緩；三種結(jié)構(gòu)冷板的最低溫度均隨著流道尺寸的減少而緩慢降低。當(dāng)流道尺寸為5-5-10時(shí)，采用Z型冷板對(duì)空間電池組進(jìn)行冷卻，電池組的最高溫度較低，溫差較?。黄渌鞯莱叽绲那闆r下，S型冷板能夠使電池組獲得較低的Tmax，較小的溫差。

圖4（b）為冷卻工質(zhì)的進(jìn)出口壓差。從圖7可以看出，流道尺寸為5-5-10時(shí)，冷卻工質(zhì)流經(jīng)Z型冷板的進(jìn)出口壓差較大，為4.16 MPa，S型、普通U型冷板的的進(jìn)出口壓差較低分別為0.29 MPa、0.14 MPa；隨著流道尺寸的減少，S型冷板的進(jìn)出口壓差迅速增加，Z型冷板的進(jìn)出口壓差降低，幅度趨于平緩；普通U型冷板的進(jìn)出口壓差一直較低，是由于普通U型冷板的流量分布具有嚴(yán)重的不均勻性，靠近進(jìn)出口附近的流道內(nèi)流量較大，而遠(yuǎn)離進(jìn)出口區(qū)域的流道內(nèi)的流量較小，較多的冷卻工質(zhì)進(jìn)入冷板流道后，沿進(jìn)出口附近的流道返回出口，從而導(dǎo)致普通U型冷板的進(jìn)出口壓差比較??；并且由圖4（b）可知，普通U型冷板隨流道尺寸的變化不明顯。當(dāng)進(jìn)出口壓差越小，意味著驅(qū)動(dòng)冷卻工質(zhì)在冷板內(nèi)流動(dòng)需要的泵功越小，經(jīng)濟(jì)成本越合算。綜合考慮，在冷板尺寸為5-5-10，采用S型冷板能對(duì)空間電池組起到較好的冷板效果；而在其他流道尺寸時(shí)，建議采用Z型冷板對(duì)電池組進(jìn)行冷卻。

3 結(jié)論

①冷卻工質(zhì)進(jìn)口側(cè)的電池單體溫度較低，靠近PCU側(cè)的溫度較高；冷板中間部分的電池溫度比邊部的電池溫度要高；所研究的任一尺寸下，普通U冷板對(duì)電池組的冷卻效果都較差。

②在流道尺寸為5-5-10時(shí)，S型冷板對(duì)電池組的冷卻效果較好，進(jìn)出口壓差較??；隨著流道尺寸的縮減，S型冷板雖對(duì)電池組的冷卻效果依然較好，但進(jìn)出口壓差較大，泵耗較大；流道尺寸縮小時(shí)，Z型冷板既能合理的控制電池組的溫度，又能減小進(jìn)出口壓差，泵耗較低。

通過分析空間電池組冷板內(nèi)不同流道結(jié)構(gòu)隨流道尺寸對(duì)電池組溫度分布的影響規(guī)律，以期為歸納總結(jié)高溫度均勻性冷板的設(shè)計(jì)方法提供參考依據(jù)。