折流式動力電池液冷板流動傳熱性能強化*

吳晨輝，蔡燁琳，陳 競，邱慧燃，李 樂，劉昌會，趙佳騰?

（1.中國礦業(yè)大學 低碳能源與動力工程學院，江蘇 徐州 221116；2.常州恒創(chuàng)熱管理有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引 言

“雙碳”戰(zhàn)略提倡低碳、環(huán)保的生活方式，推廣新能源汽車是踐行可持續(xù)發(fā)展理念、助力“雙碳”戰(zhàn)略的有效措施[1]。動力電池作為新能源汽車的核心部件之一，溫度對其容量和性能的影響十分顯著，需要及時通過電池熱管理系統(tǒng)（battery thermal management system,BTMS）進行調(diào)控，才能避免性能下降、壽命縮短甚至熱失控等問題[2-5]。電池的熱安全是新能源汽車安全性問題中不可忽視的一項，開發(fā)高效可靠、與動力電池相匹配的熱管理技術是推動新能源汽車發(fā)展的必由之路[6-7]。

液冷BTMS 由于其高換熱效率和緊湊性，已經(jīng)在商用電動汽車中得到應用[8]。研究人員以能耗和電池溫度等為目標，通過優(yōu)化冷板結構來提升BTMS 控溫性能，并降低能耗[9]?？虑擅舻萚10]從電池熱安全、性能和功耗的角度進行綜合考慮，獲得了最佳的電池熱管理方案。采用變截面槽道，能夠促使流體邊界層分離并在壁面附近形成擾動，破壞流體流動的充分發(fā)展段并使其再次處于入口段，可以達到強化傳熱的目的[11-13]。范鵬杰等[14]研究了不同截斷方式在強化微通道冷板傳熱方面的作用，矩形截斷的強化效果優(yōu)于圓弧形截斷。LEE 等[15-17]在微通道內(nèi)設置斜截面翅片，可以破壞工質流動邊界層使其始終處于發(fā)展狀態(tài)，且產(chǎn)生的二次流促進了工質的混合，大幅提升傳熱能力和溫度均勻性。在此基礎上，JIN 等[13]在冷板通道壁上設計了傾斜切口，研究表明其傳熱系數(shù)高于常規(guī)直通道冷板。

基于新能源汽車動力電池小空間尺度、高熱流密度的熱管理需求，本文設計具有小深寬比流道的折流式冷板。針對折流式冷板流道拐角處存在局部熱點的問題，受上述工作的啟發(fā)提出局部連通的結構優(yōu)化方法，并對比不同連通口數(shù)量和位置對冷板流動與傳熱特性和溫度均勻性的提升效果。

1 具有局部連通結構的折流式冷板模型建立

基于方形軟包電池，設計了具有小深寬比流道的折流式冷板，以提高工質在冷板中的換熱面積。對折流式冷板進行簡化處理，通過SolidWorks 軟件建立如圖1a 所示的幾何模型。冷板總體尺寸為221 mm × 125 mm × 2 mm[4,18]，換熱部分尺寸為181 mm × 125 mm × 2 mm，入口段和出口段的尺寸均為20 mm × 20 mm × 2 mm。通過設置折流板來改變冷板內(nèi)部流道，折流板的寬度和高度均為2 mm。

圖1a 同時給出了局部連通結構示意圖，以兩側折流板數(shù)量均為2、長度均為75 mm 的冷板為基礎，在來流方向的流道拐角處開設連通口，連通口的位置和開口方式分別如圖中紅色和藍色方框區(qū)域所示。通過ICEM CFD 軟件對折流式冷板進行網(wǎng)格劃分，并對連通口處進行加密處理，網(wǎng)格及加密方式如圖1b 所示。

折流式冷板的計算域及邊界條件如圖1c 所示。假設電池與折流式冷板的換熱面完全貼合，上下?lián)Q熱面設為恒定熱流密度，大小均為10 000 W/m2。入口設為速度入口，且工質入口溫度為20℃，出口設為出流邊界條件，其余邊界為絕熱。在冷板上下表面設置厚度為0.2 mm 的虛擬壁面，側面虛擬壁面厚度為2 mm，并啟用殼體熱傳導。通過FLUENT 軟件進行數(shù)值模擬，本研究是基于壓力求解器的穩(wěn)態(tài)問題。折流式冷板的材料為鋁，工質為水，材料的熱物性參數(shù)如表1 所示。

圖1 具有局部連通結構的折流式冷板模型：（a）幾何結構；（b）網(wǎng)格劃分；（c）計算域及邊界條件[19]Fig.1 The model of baffled cold plate: (a) geometry;(b) mesh;(c) computational domain and boundary conditions[19]

表1 折流式冷板材料的熱物性參數(shù)[20]Table 1 Material thermal properties of baffled cold plate[20]

不同結構參數(shù)的折流式冷板模型如表2 所示，考慮了左右兩側折流板數(shù)量（NL和NR）和其長度L。表2 中序號a對應折流板數(shù)量，b對應折流板長度，Casea-b表示特定折流板長度和數(shù)量的折流式冷板，b從屬于a，例如Case 6-7 表示NL=NR=2，L=75 mm的冷板。表3 和表4 給出了具有不同局部連通方式的折流式冷板，以對比其在提升冷板流動換熱性能方面的效果。在同一位置僅有一處連通口且連通口寬度為0.5 mm 的折流式冷板，命名為Case 17。表3和表4 中的折流式冷板在同一位置分別設有兩處和三處連通口，表中數(shù)字表示每處連通口與流道拐角頂點之間的距離［dx（x=1,2,3），單位為mm，見圖1a］，所有冷板的連通口寬度均為0.5 mm，d1均為0 mm。表4 中序號a對應d2，b對應d3，b從屬于a，即表中左右一一對應，例如Case 19-1 為d2=1 mm，d3=2 mm 的冷板。

表2 不同結構參數(shù)的折流式冷板Table 2 Baffled cold plate with different structure parameters

表3 具有兩處連通口的折流式冷板Table 3 Baffled cold plate with two local slits

表4 具有三處連通口的折流式冷板Table 4 Baffled cold plate with three local slits

為了簡化折流式冷板的流動換熱特性，進行如下假設[21-22]：①工質是穩(wěn)定、單相且不可壓縮的；②冷板、工質的熱物性參數(shù)恒定；③工質與壁面無滑移；④忽略黏性耗散的影響。

通過網(wǎng)格無關性驗證，選擇最大網(wǎng)格尺寸為1 mm、網(wǎng)格數(shù)為8.60 × 105的模型進行數(shù)值計算，以節(jié)約計算資源[19]。此外，通過流動換熱實驗，驗證了數(shù)值模擬的準確性[19]。

對于折流式冷板的流動換熱特性，通過努塞爾數(shù)Nu［式（1）］和冷板阻力特性系數(shù)ξ［式（2）］分別表征工質在冷板中的對流換熱強度和流動阻力特性[12,19]。強化冷板的對流換熱性能，主要目標是提高Nu，但Nu的提高往往伴隨著阻力特性系數(shù)的增加，因此，通過性能評估準則（performance evaluation criteria,PEC）對折流式冷板的流動阻力特性和對流換熱強度進行綜合考慮［式（3）］[11]。通過溫度標準差Tstd，對折流式冷板表面的溫度均勻性進行量化分析。

式中：h為冷板換熱系數(shù)；D為特征長度，取液冷板入口的水力直徑；λ為工質的導熱系數(shù)；ΔP為進出口壓差；Pb為入口處工質的動壓；ρ為工質的密度；v為入口流速；Nu0和ξ0分別取Case 6-7 液冷板在體積流量QV為4 mL/s 時對應的Nu和ξ。

2 結果與討論

2.1 折流式冷板參數(shù)對流動傳熱特性的影響

折流板的數(shù)量直接決定了流道的寬度，且寬度隨著折流板數(shù)量的增加而減小，折流板的長度影響單一流道的長度。折流式冷板的結構參數(shù)直接影響工質的流動狀態(tài)，繼而影響工質在冷板內(nèi)的換熱強度。本節(jié)通過對不同結構參數(shù)折流式冷板的表面溫度云圖進行分析，以明晰冷板結構參數(shù)對流動換熱特性的影響。圖2 給出了部分結構折流式冷板的表面溫度云圖，以體現(xiàn)結構參數(shù)的影響。

工質受熱，溫度沿流道逐漸升高，冷板左側區(qū)域的平均溫度低于右側。流動狀態(tài)直接影響工質與冷板表面的對流換熱，速度分布決定了溫度的分布。工質流動速度快的區(qū)域，熱邊界層厚度較小、溫度較低，工質流動速度慢的區(qū)域則相反；工質流動滯止區(qū)，熱量主要以熱傳導的方式傳遞，形成高溫熱點且溫度梯度較大。

由圖2a～ 圖2h 可知，當冷板一側折流板數(shù)為0 時，工質在該區(qū)域不能充分流動，流道拐角處存在較大的流動滯止區(qū)并形成高溫熱點。隨著折流板的增長，流動滯止區(qū)的范圍增大、溫度升高，冷板右側折流板數(shù)為0 時尤為明顯。此時，折流式冷板整體的換熱性能和溫度均勻性均較差，且長度的增加可能會導致?lián)Q熱性能和溫度均勻性均進一步降低。

對比圖2i～ 圖2p 可知，若NL和NR均不為0，當折流板較短時，會在其兩端形成流動滯止區(qū)，導致?lián)Q熱性能和溫度均勻性均降低。折流板數(shù)為4 時，上述情況尤為明顯；折流板數(shù)為6 時，增加的折流板起到強化傳熱作用，冷板的換熱性能相比折流板數(shù)為4 時有所提升。而隨著折流板長度的增大，有利于工質的更充分流動，兩端高溫的流動滯止區(qū)消失，折流式冷板的對流換熱性能得到大幅提升。對于折流式冷板表面的溫度均勻性，雖然隨著折流板兩端的高溫熱點消失而得到提升，但流道內(nèi)溫度分布的影響逐漸占據(jù)主導地位，溫度均勻性總體上呈現(xiàn)先提升后下降的趨勢。

圖2 不同結構參數(shù)折流式冷板的表面溫度云圖（QV=4 mL/s）Fig.2 Surface temperature contours of baffled cold plate with different structural parameters (QV=4 mL/s)

折流式冷板整體的換熱性能及表面的溫度均勻性受其兩側折流板數(shù)量和長度的共同作用。若折流式冷板存在一側折流板數(shù)量為0，或折流板短且數(shù)量多的情況，均不利于整體的換熱。總體而言，折流板長且多的冷板，具有更好的綜合換熱性能。

2.2 局部連通結構參數(shù)對折流式冷板流動傳熱特性的影響

基于對折流式冷板內(nèi)部流場和溫度場的討論，針對流道拐角處工質流動速度慢甚至滯止的區(qū)域對流換熱性能降低的問題，提出了對流道局部連通的方法對冷板進行結構優(yōu)化。具有局部連通結構的流道，在下一流道的拐角處形成了一束速度相對更快、溫度相對更低的射流；可以減小該部分工質在冷板中流動的距離，降低工質整體的流動阻力，同時破壞流道拐角處的流動滯止區(qū)，消除局部高溫熱點的同時強化該區(qū)域的對流換熱[19]。然而，對應流道中的高溫區(qū)域擴大，導致流道內(nèi)的流動傳熱性能略微降低。因此，折流式冷板的流動傳熱性能和溫度均勻性受流道拐角處和流道內(nèi)流動傳熱狀況的共同影響，需要對其進行量化分析，以對比不同局部連通方式的影響。圖3～ 圖6 分別為對Nu、ξ、PEC 和Tstd的量化分析結果（QV=4 mL/s），其中，為了方便表示，兩處連通口的冷板在圖中只給出了其中的一半。

相比具有一處連通口的Case 17 冷板，連通口的增加能夠進一步提升折流式冷板的綜合換熱性能和溫度均勻性，Nu和PEC 均進一步增大，ξ和Tstd進一步減小。相比連通口從一處增加至兩處帶來的冷板綜合換熱性能和溫度均勻性的大幅提升，連通口從兩處增加至三處帶來的提升幅度較小，對溫度均勻性的提升幅度甚至出現(xiàn)低于兩處連通口的情況。下面對局部連通方式的影響進行具體分析。

圖3 為對折流式冷板換熱性能的量化分析結果。對于具有兩處連通口的折流式冷板，隨著d2的增大，能夠對流道拐角處更大范圍的對流換熱進行強化，Nu隨之增大，增大的幅度先減小后增大。Case 18-24 冷板具有最佳的對流換熱性能，提升了16.71%。折流式冷板的連通口增加至三處，d2 不變而d3 增大，擴大了局部連通結構的范圍，能夠進一步強化冷板對流換熱性能，Nu隨之增加；d3 不變而d2 增大時，Nu先增大后減小。Case 22-7 冷板具有最佳的對流換熱性能，相比Case 6-7 冷板提升了19.50%。

圖3 連通口數(shù)量和位置對Nu 的影響Fig.3 The influence of local slit number and location on Nu

由圖4 可知，受折流式冷板流道轉彎處工質速度分布的影響，隨兩處連通口冷板中d2 的增加，工質流動阻力降低的幅度略微減小，d2 和ξ近似成正比。Case 18-1 冷板的工質流動阻力最小，相比Case 6-7 降低了10.19%。連通口的增加進一步降低了工質流動阻力，ξ減小。連通口集中時的泄壓效果更好，d2 不變而d3 增大時，ξ略微增大；d3 不變而d2 增大，ξ先增大后減小。Case 19-1 冷板的ξ最小，相比Case 6-7 冷板降低了14.44%。

圖4 連通口數(shù)量和位置對ξ 的影響Fig.4 The influence of local slit number and location on ξ

結合圖3 和圖4 中對折流式冷板流動換熱性能和阻力特性的分析可知，對于兩處連通口的折流式冷板，隨d2 的增大，Nu增大的幅度遠大于ξ。由圖5 可知，PEC 隨d2 的增大而增大，變化趨勢與Nu相似，增大的幅度先減小后增大，但幅度略小于Nu。Case 18-24 冷板的綜合換熱性能最佳，PEC 相比Case 6-7 增大了20.82%。連通口增加至三處，Nu和ξ隨d2 和d3 變化的趨勢相同，且d2 和d3 對Nu的影響遠大于ξ。PEC 的變化趨勢與Nu相同，當d2不變而d3 增大，PEC 隨之增大；d3 不變而d2 增大，PEC 先增大后減小。相應地，Case 22-7 冷板的PEC達到極大值，相比Case 6-7 冷板提升了25.62%。

圖5 連通口數(shù)量和位置對PEC 的影響Fig.5 The influence of local slit number and location on PEC

對于兩處連通口折流式冷板的溫度均勻性，隨d2 的增大，雖然流道中的高溫區(qū)域略微增大，但冷板中部的溫度分布更加均勻，消除了更大范圍的高溫熱點區(qū)域，冷板整體的溫度均勻性得到提升。如圖6 所示，折流式冷板表面Tstd隨d2 的增大而減小。Case 18-24 冷板的溫度均勻性最佳，相比Case 6-7提升了7.84%。

圖6 連通口數(shù)量和位置對Tstd 的影響Fig.6 The influence of local slit number and location on Tstd

連通口從兩處增加至三處時流道內(nèi)高溫區(qū)域的擴大所占權重更大，導致溫度均勻性降低，僅少數(shù)局部連通方式能夠進一步提升冷板的溫度均勻性。d2 不變而d3 增大，或d3 不變而d2 增大，均能夠提升冷板的溫度均勻性，Tstd減?。籨2 越小，Tstd隨d3 增大而減小的幅度越大。具有三處連通口的Case 28-1 冷板溫度均勻性最佳，相比于Case 6-7提升了7.72%，但仍略小于兩處連通口中最佳的Case 18-24 冷板。

3 結 論

設計了一種用于液冷電池熱管理系統(tǒng)的折流式冷板，研究了不同結構參數(shù)冷板的流動傳熱特性。提出局部連通的結構優(yōu)化方法，并對比不同優(yōu)化方式的強化效果。主要結論如下：

（1）折流式冷板的換熱性能和溫度均勻性受其兩側折流板數(shù)量和長度的影響呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。折流板數(shù)量和長度的增加有利于提升折流式冷板的綜合換熱性能。

（2）對流道進行局部連通結構優(yōu)化能夠同時提升折流式冷板的綜合換熱性能和溫度均勻性；增加連通口數(shù)量、增大最后連通口與流道拐角的距離，可以進一步提升綜合換熱性能和溫度均勻性。Case 22-7（三處連通口，d1=0 mm，d2=2.5 mm，d3=6.5 mm）冷板綜合換熱性能最佳，相比無局部連通結構的冷板Case 6-7 提升了25.62%。