基于分流式結(jié)構(gòu)的鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究

1 引言

鋰離子動(dòng)力電池的性能、壽命、安全性以及可靠性與溫度密切相關(guān)，而鋰離子動(dòng)力電池在充放電過(guò)程中會(huì)釋放出大量的熱量，其產(chǎn)熱主要有化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱、極化熱、鋰離子電池內(nèi)阻產(chǎn)生的焦耳熱以及各種副反應(yīng)熱。當(dāng)電池體系內(nèi)的產(chǎn)熱速率大于散熱速率時(shí)，溫度就會(huì)不斷上升，而溫度過(guò)高會(huì)加快電池內(nèi)部各種副反應(yīng)的發(fā)生，造成電池容量衰減，加速電池老化，嚴(yán)重影響電池壽命，甚至對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造永久性的損壞。鋰離子動(dòng)力電池的電解液一般為易燃的有機(jī)化合物，溫度過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致熱失控，引起電池發(fā)生泄漏或燃燒，甚至引發(fā)電池爆炸。Ramadass

對(duì)索尼18650Li-ion電池在不同溫度循環(huán)下的容量損失進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明電池在25℃和45℃條件下進(jìn)行了800次完整的充放電循環(huán)后，其電池容量分別下降了31%和36%，當(dāng)工作溫度達(dá)到50℃后，僅進(jìn)行了600次循環(huán)，其容量下降了60%，當(dāng)工作溫度達(dá)到了55℃時(shí)，500個(gè)循環(huán)后，電池容量下降了70%。Wu

等將Li-ion電池充滿電后分別在25℃和60℃的環(huán)境中放置60天后再測(cè)量電池的容量，25℃溫度環(huán)境電池容量從800mA·h減小到790mA·h，而放置在60℃環(huán)境條件下，電池容量減小到了680mA·h。在過(guò)高的工作溫度下對(duì)于鋰對(duì)鋰離子動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)，無(wú)論是否充放電都對(duì)性能有不利的影響；同時(shí)，過(guò)低的環(huán)境溫度也是有危害的，低溫充電會(huì)使電池內(nèi)的鋰離子還原為金屬鋰枝晶，金屬鋰枝晶非常鋒利，容易刺穿電池隔膜，造成電池內(nèi)部短路，低溫放電還會(huì)減小電池的容量，降低放電效率，這會(huì)直接影響電動(dòng)汽車的車輛性能和續(xù)航。綜上所述，鋰電池的性能與溫度密切相關(guān)，具體表現(xiàn)為：溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致電池的容量減小，續(xù)航里程降低；溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電池包熱失控。同時(shí)，電池組的整體性能與單個(gè)電池性能的相關(guān)性也很大，如果某一電池單體的容量衰減過(guò)快、內(nèi)阻增加過(guò)多，會(huì)加速電池循環(huán)能量及壽命的整體衰減，考慮到電池材料性能與溫度較大的相關(guān)性，控制電池溫度及溫度均勻性就成為保證電池性能一致性的有效措施，研究表明，Li-ion電池最佳工作溫度范圍是25～40℃，電池模塊之間的溫差應(yīng)小于5℃

。

1981年Tuckerman提出了一種由許多平行排列、當(dāng)量直徑10-1000μm的微小通道組成的微通道熱沉(MHS，Micro-channel Heat Sink)，由于其散熱效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊化的設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，受到了研究人員的廣泛關(guān)注，自從MHS被提出以來(lái)，大量的科研人員不斷繼續(xù)優(yōu)化提高其綜合性能，為了增強(qiáng)微通道散熱器的換熱能力，Harpole

等人于1991年提出了一種分流式散熱結(jié)構(gòu)(MMSH)，其在MHS的微肋上方增加了一層折形的分流結(jié)構(gòu)，分流通道置于微通道上方，折形的通道結(jié)構(gòu)與壁面形成若干交錯(cuò)排列半封閉通道，相鄰?fù)ǖ婪忾]位置正好相反，分別作為為入口分流通道和出口分流通道，流體首先進(jìn)入入口分流通道，隨后分流進(jìn)入溢流微通道，進(jìn)行換熱的同時(shí)再次折返向上進(jìn)入出口分流通道，隨后匯集到熱沉的出口，最后流出熱沉

。與MSH相比，分流式結(jié)構(gòu)熱沉內(nèi)液體的流動(dòng)過(guò)程完全不同，MSH內(nèi)的液體流動(dòng)是單進(jìn)單出的，而加入了分流結(jié)構(gòu)后變成了多進(jìn)口多出口的流動(dòng)，多進(jìn)口設(shè)計(jì)可以利用入口段效應(yīng)強(qiáng)化換熱過(guò)程，并且改變了熱沉換熱面溫度分布，提高了溫度分布的均勻性。本文提出了基于分流式自相似熱沉結(jié)構(gòu)的冷板結(jié)構(gòu)如圖1。其為三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中間的分流層主要對(duì)流量的分配過(guò)程進(jìn)行調(diào)控，并實(shí)現(xiàn)了多進(jìn)口多出口的微通道流動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)與傳統(tǒng)的板式空腔冷板和并行通道冷板設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步評(píng)估當(dāng)前設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

2 物理模型和數(shù)值方法

2.1 幾何模型

兩種冷板外形尺寸均相同，換熱面尺寸為80×110mm

，如圖2.1所示。帶由矩形換熱通道的冷板內(nèi)包含6個(gè)尺寸為11×2.8mm

的子通道，肋寬為1mm；空腔冷板尺寸為78×108×2.8mm

。其他尺寸，包括入口和出口位置、尺寸及加熱區(qū)域面積均相同。

2.2 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定

正常工作狀態(tài)下，冷內(nèi)冷卻劑處于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，屬于定常流動(dòng)。另外。根據(jù)實(shí)際的流動(dòng)和傳熱過(guò)程，做如下假設(shè)：

1) 液冷板內(nèi)部的流動(dòng)為層流，因此計(jì)算式采用層流模型；

鄉(xiāng)村振興，產(chǎn)業(yè)興旺是重點(diǎn)，必須把大力發(fā)展農(nóng)村生產(chǎn)力放在首位。產(chǎn)業(yè)興則鄉(xiāng)村興。如果沒有產(chǎn)業(yè)作支撐，鄉(xiāng)村振興就成為無(wú)源之水、無(wú)本之本，推進(jìn)鄉(xiāng)村振興也往往會(huì)流于空談。要大力發(fā)展富民興村產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)振興。大力發(fā)展特色優(yōu)質(zhì)高效綠色現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，推動(dòng)鄉(xiāng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，以綠色發(fā)展引領(lǐng)生態(tài)振興。

2) 流體粘度

隨水溫變化；

3) 冷卻工質(zhì)選擇水，水的壓縮性很小，對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響可以忽略，因此不考慮流體可壓縮性影響；

一般服務(wù)支持估計(jì)（GSSE）衡量政府財(cái)政對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)部門的補(bǔ)貼支持水平，GSSE針對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)部門，而非具體生產(chǎn)者或者消費(fèi)者，因此不影響農(nóng)業(yè)收入或消費(fèi)支出。一般服務(wù)支持估計(jì)百分比（%GSSE）是GSSE占農(nóng)業(yè)支持總量（TSE）的比重，%GSSE的數(shù)值越大則說(shuō)明政府提出的相關(guān)支持政策對(duì)農(nóng)戶個(gè)體行為產(chǎn)生的影響較小，對(duì)市場(chǎng)環(huán)境產(chǎn)生的作用較弱。2006-2016年各國(guó)一般服務(wù)支持估計(jì)總量見表4，2006-2016年各國(guó)一般服務(wù)支持估計(jì)百分比見表5。

4) 忽略重力影響；

（2）查看空氣儲(chǔ)罐是否領(lǐng)取使用登記證。檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，常有使用單位的安全管理人員疏忽，拿到檢驗(yàn)報(bào)告以后沒有去特種設(shè)備使用登記機(jī)關(guān)進(jìn)行登記注冊(cè)。

全市有坡耕地面積24.35萬(wàn)hm2，占耕地總面積的57%，且大于25°坡地被開墾3.4萬(wàn)hm2，占坡耕地面積的14%。由于人多耕地少，農(nóng)村土地多為順坡耕作，沱江流域長(zhǎng)期以來(lái)未得到系統(tǒng)的治理，坡耕地成為農(nóng)村小流域水土流失的主要策源地。

固體導(dǎo)熱方程：

連續(xù)性方程：

(3-1)

(3-2)

流體能量方程：

1.2 樣品采集與處理 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，依據(jù)《土壤環(huán)境檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)對(duì)金石錳礦周邊范圍內(nèi)土壤進(jìn)行采集，采樣點(diǎn)主要集中在農(nóng)田，也有部分為林地。采樣時(shí)利用GPS 精確記錄每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，觀察并對(duì)其周邊環(huán)境進(jìn)行記錄。周邊區(qū)域共布設(shè)土壤采樣點(diǎn)20個(gè)，其中包括3個(gè)對(duì)照點(diǎn)，每個(gè)土樣由4～6個(gè)子樣混合，土壤采集深度為20、50、100 cm，采集量為1 kg。

(3-3)

做以上簡(jiǎn)化后，控制方程有如下形式：

5) 忽略流體表面張力；

6) 除流體粘性外，流體和固體其它的物性參數(shù)不隨溫度變化。

(3-4)

動(dòng)量方程：

獼猴桃，又叫奇異果，基維果，KIWI fruit，胡桃，羊桃，其原產(chǎn)地在中國(guó)，在我國(guó)的文字記載已有2000余年的歷史，然而到了是20世紀(jì)初才由野生植株轉(zhuǎn)進(jìn)為人工馴化栽培，也就是說(shuō)獼猴桃至今僅有100多年的人工栽培時(shí)間。

2.3 網(wǎng)格劃分與獨(dú)立性驗(yàn)證

為保證本文計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，計(jì)算前首先進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，可以看到隨著網(wǎng)格的數(shù)量超過(guò)159萬(wàn)進(jìn)出口壓差變化很小，因此考慮到節(jié)約計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)的性能，采用網(wǎng)格數(shù)量180萬(wàn)進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 換熱性能分析

圖3.1是在0.0054kg/s和0.00864kg/s兩種流量下，自相似分流結(jié)構(gòu)冷板、矩形直通道冷板和空腔冷板的換熱面溫度云圖，計(jì)算結(jié)果表明，冷卻劑在冷盤內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程很不均勻，各個(gè)區(qū)域之間工質(zhì)的流動(dòng)速度、流量差別較大，這也會(huì)導(dǎo)致冷板內(nèi)不同區(qū)域間的換熱過(guò)程差別較大，導(dǎo)致?lián)Q熱面溫度分布不均，且冷盤背流側(cè)區(qū)域存在較大的渦流區(qū)域使其換熱能力和熱均勻性受到了較大影響。由于子通道將冷板內(nèi)部分割成了不同的區(qū)域，相較于1#冷板，一定程度上提高了流量分布的均勻性，有利于提高換熱均勻性。但是，各個(gè)子通道之間流量分配仍不均勻，靠近入口的子通道獲得了更多流量，而遠(yuǎn)離入口的子通道獲得的流量較低，在0.0054 kg/s流量、熱流密度為10 kW/m

的工況下。2#冷板換熱面平均溫度為300.66 K，最大高低溫差為7.83 K。2#冷板的平均溫度為300.68K，最大高低溫差9.6K。相較于1#冷板換熱面最大高低溫差高出1.77 K。自相似分流結(jié)構(gòu)冷板與傳統(tǒng)矩形直通道冷板和空腔冷板最大的區(qū)別在于將單一進(jìn)出口的連續(xù)流動(dòng)變?yōu)榱硕噙M(jìn)口多出口的斷續(xù)流動(dòng)，這樣帶來(lái)的好處可以入口段效應(yīng)起到強(qiáng)化換熱作用，還可避免流體沿流道流動(dòng)被過(guò)度加熱而引起的散熱不均，因此，對(duì)自相似分流結(jié)構(gòu)冷板的換熱能力和換熱均勻性顯著高于兩種傳統(tǒng)熱沉。在入口流量為0.0054 kg/s的工況下，自相似分流結(jié)構(gòu)冷板的換熱面最大溫度為303.58 K，換熱面平均溫度為300.23 K，最大溫差為6.93 K，相同工況下，矩形直通道冷板和空腔冷板的換熱面最大溫度分別為313.93 K和314.69 K，換熱面平均溫度分別為303.66 K和302.99 K，最大溫差分別是15.69 K和17.86 K，對(duì)自相似分流結(jié)構(gòu)冷板的換熱面最大溫度顯著低于矩形直通道冷板和空腔冷板(分別相差10.3 K和11.11 K)，自相似分流結(jié)構(gòu)冷板的換熱面最大溫差僅為矩形直通道冷板的44.1%，僅為空腔冷盤的38.8%，在設(shè)計(jì)的流量工況內(nèi)，自相似分流結(jié)構(gòu)冷板的換熱性能和溫度均勻性顯著高于其他兩種熱沉。

圖3.2和圖3.3為三種熱沉在設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)換熱面平均溫度和換熱面高溫差隨著流量變化曲線，自相似分流結(jié)構(gòu)冷板的換熱面平均溫度和換熱面最大溫差均和流量呈正相關(guān)的關(guān)系，在設(shè)計(jì)工況內(nèi)，自相似分流結(jié)構(gòu)冷板的換熱面平均溫度和換熱面最大溫差均低于其他兩種熱沉，在入口流量0.00864kg/s的工況下，自相似分流結(jié)構(gòu)冷板的換熱面平均溫度低至297.83 K，與冷卻工質(zhì)進(jìn)口溫度僅相差4.83 K，而相同工況下矩形直通道冷板的換熱面平均溫度與入口水溫相差8.1 K，冷盤則為10.13 K，自相似分流結(jié)構(gòu)冷板的換熱面最大溫差在流量達(dá)到0.00972kg/s和0.00864kg/s后均小于5 K分別為4.71 K和4.1 K，而其他兩種熱沉在設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)換熱面最大溫差均大于10 K。綜合來(lái)看在設(shè)計(jì)的流量工況下，自相似分流結(jié)構(gòu)冷板由于結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，通過(guò)分流通道和溢流通道讓單一的連續(xù)流動(dòng)變?yōu)閿嗬m(xù)的多進(jìn)多出的流動(dòng)，充分利用了進(jìn)出口效應(yīng)強(qiáng)化換熱的同時(shí)還增加了流量分配的均勻性，可以看出自相似分流結(jié)構(gòu)冷板的換熱性能和溫度均勻性顯著好于兩種傳統(tǒng)熱沉。

3.2 壓降特性分析

新能源汽車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻工質(zhì)在通過(guò)冷卻回路時(shí)由于液體黏性會(huì)消耗一部分能量，這一部分能量的主要表現(xiàn)為冷卻工質(zhì)進(jìn)出口壓力的變化，為了確保熱管理系統(tǒng)的正常工作需要通過(guò)水泵為其補(bǔ)充能量，因此需要消耗新能源汽車的電能，冷卻系統(tǒng)壓降過(guò)大會(huì)導(dǎo)致新能源汽車的能效降低，因此需要考慮熱沉的流動(dòng)阻力(進(jìn)出壓降)。圖3.4圖展示了三種熱沉進(jìn)出口壓降隨流量增加進(jìn)出口壓降的變化情況，三種熱沉的進(jìn)出口壓降均隨著流量的增加而上升，在相同情況下對(duì)稱式自相似熱沉的進(jìn)出口壓降始終高于其他兩種熱沉，在0.0108 kg/s的工況下對(duì)稱式自相似熱沉的進(jìn)出口壓降為344.28 Pa分別比矩形直通道熱沉和冷盤高102.3 Pa和72.45 Pa，這是由于對(duì)稱式自相似熱沉內(nèi)部的分流通道和溢流通道增加了冷卻工質(zhì)流動(dòng)的阻力，這是提高其換熱性和溫度均勻性的代價(jià)。雖然對(duì)稱式自相似熱沉的進(jìn)出口壓降大于其他兩種熱沉，但是最大壓降僅344.28 Pa，在可接受的范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

對(duì)自相似分流結(jié)構(gòu)冷板進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將結(jié)果與兩種傳統(tǒng)熱沉進(jìn)行了分析對(duì)比，結(jié)論表明：對(duì)稱式自相似自相似熱沉與兩種傳統(tǒng)熱沉相比，在相同工況下?lián)Q熱能力和溫度均勻性更好，在入口流量為0.0054 kg/s、入口水溫293 K、換熱面熱流密度為10 kW/m

的工況下，換熱面平均溫度比矩形直通道熱沉和冷盤分別低3.43 K和2.76 K，最大溫差僅為矩形直通道熱沉的44.1%和冷盤的38.8%。

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