蛇形通道液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱仿真與優(yōu)化

胡順濤，呂心力，李一飛

(1.青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，青海西寧 810007；2.天津大學(xué)天津大學(xué)地?zé)嵫芯颗嘤?xùn)中心，天津 300350)

全球?yàn)榻档突剂系南暮蜏p少二氧化碳排放，研發(fā)了替代內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)[1]。而電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的性能受到動(dòng)力電池組性能顯著影響[2]。但動(dòng)力電池的性能受溫度影響較大，鋰電池須保持在25～40 ℃，并且在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)的幫助下，電池組內(nèi)溫差必須控制在5 ℃以?xún)?nèi)，以保證電池具有良好的工作性能[3]。因此，為有效改善鋰離子電池散熱效果差的問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)高效的BTMS 變得至關(guān)重要。

典型的BTMS 包括液冷、空氣冷卻和相變材料(PCM)冷卻[4]。液冷是一種常見(jiàn)的冷卻方式，它可以通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)較高的冷卻水流帶走電池?zé)崃?，從而達(dá)到更好的散熱效果[5-6]。目前，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對(duì)液冷BTMS 開(kāi)展了大量研究?；谖⑼ǖ览鋮s平板的BTMS 因可以顯著降低電池溫度并保持其良好的溫度同質(zhì)性，而得到廣泛關(guān)注。Huo 等[7]設(shè)計(jì)了一種基于微通道冷板的液體冷卻BTMS，研究了通道數(shù)量、冷卻水流方向和環(huán)境溫度對(duì)電池溫度均勻性的影響。Lan 等[8]研究了在不同放電速率下新型微通道數(shù)量對(duì)電池?zé)嵝阅艿挠绊懀Y(jié)果表明，隨著通道數(shù)量增加，電池溫度會(huì)降低。Senn 等[9]設(shè)計(jì)了一種“tree-like”微通道冷板BTMS，重點(diǎn)研究了分岔水平對(duì)電池溫度均勻性及系統(tǒng)壓降的影響，并明確具有六個(gè)分支級(jí)別的樹(shù)網(wǎng)產(chǎn)生的壓降幾乎是具有相同表面積和入口雷諾數(shù)的相應(yīng)蛇形通道的一半。Dong 等[10]分析了微通道長(zhǎng)度、寬度和高度對(duì)冷板冷卻性能的影響。Rao 等[11]提出了一種楔型微通道BTMS，重點(diǎn)研究了出口縱橫比及分支結(jié)構(gòu)對(duì)冷板散熱性能的影響，結(jié)果表明，楔形通道提供了良好的冷卻效率和電池表面溫度均勻性。Jarrett 等[12]對(duì)提出的新型蛇形通道冷板的BTMS 進(jìn)行了數(shù)值研究與優(yōu)化，研究確定了最優(yōu)流動(dòng)路徑、通道寬度和通道長(zhǎng)度。Deng 等[13]研究了U 形管狀冷卻通道的數(shù)量、整體通道布置和冷卻水入口溫度對(duì)BTMS 散熱能力的影響。結(jié)果表明，五個(gè)通道在保證電池安全性和可靠性的同時(shí)具有最佳的冷卻效果，并且冷板的冷卻性能會(huì)隨著入口溫度的升高而降低。Ye 等[14]根據(jù)電池間隙間距、截面積、冷卻液通道數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了通道式冷板液冷系統(tǒng)。結(jié)果表明，優(yōu)化后電池組的溫差和冷卻液通道的壓降分別降低了9.5%和16.88%。Wang 等[15]提出了一種新式蛇形通道冷板，并使用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)通道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)降低電池組最大溫度的基礎(chǔ)上，提高電池組溫度分布一致性。

上述研究主要集中在冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化上，對(duì)操作參數(shù)的優(yōu)化研究較少。本文則是在文獻(xiàn)[15]工作基礎(chǔ)上，針對(duì)10 個(gè)蛇形通道入口流速相等所導(dǎo)致的電池組溫度分布一致性差問(wèn)題，提出了全新的蛇形通道分組變流速優(yōu)化方案，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)該方案不同操作參數(shù)下電池組散熱性能及冷板厚度對(duì)電池組溫度分布的影響進(jìn)行了仿真分析與優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最小的電池最大溫度及更佳電池溫度一致性，為后續(xù)BTMS 設(shè)計(jì)研究提供理論指導(dǎo)。

1 問(wèn)題描述

1.1 幾何模型

本文以可充電鋰離子聚合物電池(LIB)TLP80A5E6-50AH 所構(gòu)成電池模組為理論模型開(kāi)展研究，電池尺寸為356 mm×105 mm×8 mm，額定容量為50 Ah，額定電壓為3.7 V，內(nèi)阻R≤1 mΩ。電池組由9 個(gè)單體電池組成，與冷板交替布置并形成“三明治”結(jié)構(gòu)，冷板尺寸與LIB 尺寸相同，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1(a)中微通道由過(guò)通道中心的中心軸線表示。b、c、a、l、e為蛇形通道結(jié)構(gòu)參數(shù)，流速u(mài)為該系統(tǒng)操作參數(shù)水流速度，參數(shù)取值如表1 所示。

圖1 蛇形液冷BTMS平面圖

表1 BTMS結(jié)構(gòu)參數(shù)初始值[15]

1.2 電池?zé)崮Ｐ?/h3>

正確的電池產(chǎn)熱模型是保證CFD 模擬精度的關(guān)鍵。本文基于直角坐標(biāo)系建立三維電池產(chǎn)熱模型，并將電池單體視為均質(zhì)的體積熱源，控制方程如式(1)所示：

式中：ρe為電池的平均密度；cp,e為電池比熱容；T為電池溫度；t為放電時(shí)間，s；λx、λy、λz為電池在x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；q為固定放電速率下電池的體積產(chǎn)熱率，W·m－3。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，電池的產(chǎn)熱通常通過(guò)理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)定的方式確定。本文研究對(duì)象產(chǎn)熱主要來(lái)源于電池放電過(guò)程中電池核的產(chǎn)熱，其產(chǎn)熱量可通過(guò)理論方程(2)計(jì)算得到：

式中：I為電池放電電流，A；V為電池體積，m3；Uocv為開(kāi)路電壓；U為電池電位；?Uocv/?T為熵?zé)嵯禂?shù)，取0.5 mV/K。經(jīng)計(jì)算，其在0.8C放電速率下的產(chǎn)熱率為23 045 W/m3[15]。

蛇形通道冷板材料與冷卻介質(zhì)分別為鋁和水，以此作為理論模型開(kāi)展研究，各材料熱物性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 熱物性參數(shù)[15]

2 基于微通道液體冷卻的數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型

為簡(jiǎn)化模擬分析，假設(shè)冷板是均勻各向同性，忽略各冷板連接處支撐連接結(jié)構(gòu)，冷卻介質(zhì)不可壓縮。通道內(nèi)流體的控制方程如下所示：

1)連續(xù)性方程

2)動(dòng)量方程

3)能量方程

式中：ρh為水的密度；u→為水流速度矢量；Th為水的溫度；p為壓力，Pa；μ為動(dòng)力粘度系數(shù)；cp,h為水的比熱容；λh為水的導(dǎo)熱系數(shù)。

通道冷板的能量控制方程如下所示：

式中：ρAl為冷板密度；cp,Al為冷板比熱容；TAl為冷板溫度；λAl為冷板導(dǎo)熱系數(shù)。

電池-冷板接觸面面積加權(quán)溫度定義如式(7)所示：

式中：A為網(wǎng)格面面積，m2；i為電池與冷板接觸面序號(hào)，1、2…18。

2.2 邊界條件

本文研究理論模型中，設(shè)定電池模組、冷板、冷卻水和環(huán)境初始溫度為298.15 K。10個(gè)蛇形通道出入口交替布置，如圖1(b)所示。流體入口為速度入口條件，初始值u=0.271 3 m/s，流體出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力為0 Pa。設(shè)置BTMS 與空氣接觸部分為對(duì)流換熱邊界條件，傳熱系數(shù)為5 W/(m2·K)。冷卻水與冷板、冷板和電池接觸面為耦合接觸傳熱面，采用無(wú)滑移壁面條件；并且由于冷板與電池間存在夾緊支架，接觸面間緊密接觸，故忽略接觸熱阻。經(jīng)計(jì)算，該結(jié)構(gòu)下冷卻水雷諾數(shù)小于2 300，因此，采用層流模型。設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為1 s，放電時(shí)間為1 600 s，以保證溫度收斂?；谏鲜鰲l件，以ANSYS 18.0 為仿真平臺(tái)，采用SIMPLE 算法求解CFD 模型中的質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程。

2.3 CFD 模型驗(yàn)證

正確的數(shù)值模型是可靠計(jì)算結(jié)果的保證。本文采用與文獻(xiàn)[15]相同通道結(jié)構(gòu)參數(shù)與流體速度參數(shù)，具體如表1 所示，邊界條件與初始條件均采用相同設(shè)置。根據(jù)前文所述數(shù)值模型及參數(shù)作為初始工況，對(duì)BTMS 散熱性能進(jìn)行了仿真計(jì)算，電池組最高溫度變化與文獻(xiàn)相比，如圖2 所示。

圖2 電池組最大溫度隨時(shí)間變化

由圖2 可知，本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[15]基本吻合，溫度最大值為308.78 K，較文獻(xiàn)最大溫度升高0.3 K，可以利用上述模型作進(jìn)一步的仿真分析與優(yōu)化。溫度升高或?yàn)楹雎噪姵嘏c冷板間的連接支架所致。

3 結(jié)果與討論

3.1 操作參數(shù)分組優(yōu)化方案

除蛇形通道結(jié)構(gòu)參數(shù)外，操作參數(shù)是影響B(tài)TMS 散熱性能的關(guān)鍵因素。合理的操作參數(shù)優(yōu)化方案會(huì)在較大程度上實(shí)現(xiàn)電池組最小的最大溫度和平均溫差。本文將電池與冷板接觸面的面積加權(quán)溫度作為衡量電池組溫度一致性的技術(shù)指標(biāo)，初始工況下其結(jié)果如圖3 中n=1.0 曲線所示。

圖3 電池-冷板接觸面溫度隨組M3通道流速比變化

由圖3 可知，初始工況下，電池-冷板各接觸面平均溫度大致呈對(duì)稱(chēng)分布，#1 面與#18 面平均溫度大致相同，且溫度最低，為302.05 K。由#1 面到#5 面平均溫度升高且變化幅度大，是造成電池組溫度一致性差的主要原因。#6～#9 面溫度變化相對(duì)穩(wěn)定，僅在0.01 K 溫度區(qū)間內(nèi)變化。對(duì)稱(chēng)側(cè)各接觸面平均溫度按相同趨勢(shì)變化。針對(duì)上述情況，為提高電池組溫度分布一致性，提出了如下通道分組優(yōu)化方案作為理論模型開(kāi)展研究：通道1 與10 劃分為組M1，通道2～3、8～9 劃分為組M2，通道4～7 劃分為組M3，通過(guò)改變各組通道內(nèi)流速比，達(dá)到#1～#18 接觸面溫度分布更加均勻的目的。

3.2 水流速度對(duì)BTMS 散熱性能的影響

為計(jì)算方便，將水流速度u=0.271 3 m/s 作為基準(zhǔn)速度，通道入口流速以流速比n表示，為實(shí)際水流速度占基準(zhǔn)速度的倍數(shù)。首先，改變組M3通道入口水流速度，由圖3 可知，模組中間位置電池溫度高于模組兩端電池溫度，同時(shí)考慮一味增加流速會(huì)導(dǎo)致較大泵功功耗，故流速比取1≤n≤2。

由圖3 可知，隨著組M3通道中水流速度增加，#6～#13 接觸面溫度明顯降低，其平均溫度由304.50 K 降低到303.45 K，降幅達(dá)到1.05 K。這是因?yàn)榱魉俚脑黾訒?huì)使液體與通道接觸面處對(duì)流換熱系數(shù)h增加，進(jìn)而對(duì)流換熱量增加，被冷卻水帶走熱量增多，接觸面溫度降低。#1 與#18 接觸面溫度基本不變，其余接觸面溫度出現(xiàn)小幅度降低。這是因?yàn)殡姵亟M中間部分電池溫度降低后，由于與毗鄰電池溫差的增大，會(huì)導(dǎo)致傳熱量增加，毗鄰電池溫度小幅度降低。而#1 與#18 接觸面距電池組中間位置電池較遠(yuǎn)，受影響小，溫度基本保持不變。同時(shí)，隨著流速比增加，電池-冷板接觸面間的溫度降低幅度不斷減小，而泵功仍以較大幅度增加，權(quán)衡考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，流速比取值n≤2 是合理的。

在組M3通道入口變流速優(yōu)化研究中，電池組溫度隨流速變化如圖4 所示。由圖4 可知，隨著入口流速比的增加，電池組最高溫度及最大溫差均不斷減小，BTMS 散熱性能得到提高。這主要是因?yàn)殡姵亟M中間部分電池溫度高，組M3通道內(nèi)流速增加后，對(duì)流換熱量增加，冷板溫度降低，進(jìn)而電池被冷卻，而與此部分相毗鄰電池散熱亦得到改善。

考慮電池模塊最大溫度最小原則，選擇n=2.0 作為組M3通道最佳入口水流流速比。

在組M3通道入口參數(shù)確定后，進(jìn)一步對(duì)組M2通道入口流速比進(jìn)行仿真分析。電池組溫度均勻性如圖5 所示。

圖5 電池-冷板接觸面溫度隨組M2通道流速比變化

由圖5 可知，隨著組M2通道水流速度的提高，#6～#13 接觸面平均溫度變化幅度很小。這是因?yàn)榻MM1通道入口參數(shù)保持不變，其溫度主要受毗鄰接觸面溫度降低的影響。由于組M2通道水流速度提高，導(dǎo)致對(duì)流換熱量增加，#2～#5 接觸面平均溫度不斷降低，且降幅明顯，對(duì)稱(chēng)側(cè)呈相同變化趨勢(shì)。當(dāng)n=1.8 時(shí)，#4、#5、#14、#15 接觸面與#6～#13 接觸面平均溫度趨于一致，如圖6 所示，電池組溫度一致性明顯提高。若n值繼續(xù)增大至2.0，接觸面#2～#5 與#14～#17 的溫度進(jìn)一步降低，由于接觸面#6～#13 溫度趨于穩(wěn)定，造成接觸面#2～#5、#14～#17 與接觸面#6～#13 之間溫差進(jìn)一步增大，溫度一致性開(kāi)始降低。與此同時(shí)，由于組M2通道冷板與電池接觸面平均溫度降低，與之相毗鄰的#1 和#18 平均溫度也隨之降低，但降幅較小。電池組最大溫度也由35.1 ℃降低到34.4 ℃，且由于電池極耳僅與環(huán)境發(fā)生自然對(duì)流而出現(xiàn)局部熱點(diǎn)。綜上所述，組B 通道流速比n=1.8 時(shí)，可作為推薦流速，以實(shí)現(xiàn)電池模塊較高溫度均勻性。

圖6 電池組溫度隨組M2通道入口流速比變化

基于上述研究，繼續(xù)對(duì)組M1通道內(nèi)水流速度進(jìn)行仿真優(yōu)化，其溫度均勻性隨組M1通道水流速度的變化如圖7 所示。

圖7 電池組溫度隨組M1通道入口流速比變化

由圖7 可以看出，隨著組M1通道內(nèi)水流速度減小，溫度升高主要發(fā)生在#1～#3 接觸面，對(duì)稱(chēng)側(cè)呈相同趨勢(shì)變化。這是因?yàn)橥ǖ? 與通道10 內(nèi)水流速度減小后，對(duì)流換熱量減少，被水帶走熱量隨之減少，造成#1 與#18 接觸面溫度升高。溫度升高進(jìn)一步惡化毗鄰電池間散熱，使毗鄰接觸面#2、#3、#16、#17 溫度升高，但升高幅度較小。由于#4～#15 接觸面溫度基本恒定不變，當(dāng)n≥0.4 時(shí)，隨著n值減小，#1～#3 接觸面溫度的升高使得電池組溫度一致性得到提高；而當(dāng)n≤0.2 時(shí)，隨著n值減小，#1～#3 接觸面溫度大幅升高，導(dǎo)致模組內(nèi)電池間溫差增大，溫度一致性降低；且當(dāng)通道內(nèi)無(wú)流體流動(dòng)，即n=0時(shí)，#1 與#18 接觸面溫度驟升，傳熱惡化。較入口參數(shù)優(yōu)化前，當(dāng)n=0.4 時(shí)，電池組內(nèi)單體電池最大溫差由2.47 K 降低到0.24 K，整個(gè)電池模塊散熱性能明顯提高。因此，考慮n=0.4作為電池組中組M1通道的推薦流速。

圖8 為操作參數(shù)分組優(yōu)化后，電池組溫度分布云圖。由圖7～8 可知，對(duì)通道分組變流量?jī)?yōu)化后電池模塊的溫度均勻性，較優(yōu)化之前有了顯著提高。電池組最大溫度也由優(yōu)化前308.78 K 降低到307.86 K，BTMS 散熱性能得到有效改善。

圖8 電池組溫度分布

圖9 為優(yōu)化前后各通道入口-出口壓力損失。流量改變將直接影響通道出入口的壓力損失，進(jìn)而影響泵功。由圖9可以看出，優(yōu)化前，由于通道入口流速統(tǒng)一為恒定值，各通道入口-出口壓力損失基本保持為統(tǒng)一恒定值。優(yōu)化后由于組M2、組M3通道流速增加，流量增大，壓力損失也進(jìn)一步增大，而組M1通道流速降低，流量減小，壓力損失較優(yōu)化前降低。但優(yōu)化后各通道入口-出口總壓力損失較之優(yōu)化前增加80.1%，導(dǎo)致泵耗功大幅度增大。因此，電池組溫度一致性性能的提高，是以較高的泵功為代價(jià)。

圖9 通道入口-出口壓力損失

3.3 冷板厚度對(duì)BTMS 散熱性能的影響

電池產(chǎn)生熱量經(jīng)導(dǎo)熱傳遞至冷板后，以?xún)煞N方式被移除：一是冷板表面與環(huán)境間的自然對(duì)流，二是被通道內(nèi)冷卻水帶走。因此，本文針對(duì)蛇形通道冷板厚度對(duì)BTMS 散熱性能的影響進(jìn)行了仿真分析，其溫度均勻性如圖10 所示。

圖10 電池組溫度隨冷板厚度變化

由圖10 可知，隨著通道冷板厚度的增加，溫度分布呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，各接觸面平均溫度出現(xiàn)極小幅度的降低。這主要是因?yàn)樵趩挝粫r(shí)間內(nèi)經(jīng)導(dǎo)熱傳至冷板相同熱量的前提下，通道冷板厚度增加，使冷板質(zhì)量增大，cp,Al不變，導(dǎo)致溫差減小，各接觸面溫度出現(xiàn)小幅度降低，平均降幅控制在0.05 K 以?xún)?nèi)。權(quán)衡通道厚度增加帶來(lái)的體積增大與成本升高，d=4 mm 作為冷板推薦厚度。與分組變流速優(yōu)化結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，通道冷板厚度改變對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱性能影響的貢獻(xiàn)相比于入口流速分組優(yōu)化對(duì)其的貢獻(xiàn)要小?？紤]冷板厚度增加造成BTMS 體積增大，受空間限制，因此在優(yōu)化BTMS 散熱性能時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)通道操作參數(shù)(入口流速)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文從電池組最高溫度最小及溫度一致性最佳的角度出發(fā)，提出了全新的蛇形液冷通道分組變流量?jī)?yōu)化方案，并對(duì)冷板厚度進(jìn)行了仿真優(yōu)化，為研究電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱性能提供指導(dǎo)。結(jié)論如下：

(1)對(duì)蛇形通道進(jìn)行分組變流量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，可靈活改變電池組溫度分布。

(2)針對(duì)等流速設(shè)計(jì)所造成電池組中間溫度高、兩側(cè)溫度低問(wèn)題，從電池組兩端向中間進(jìn)行組M1、組M2、組M3通道的分組設(shè)計(jì)及入口流速依次增加的變流速設(shè)計(jì)可以較好減小溫度梯度，改善電池組的溫度一致性，但是以較高泵功為代價(jià)。

(3)通道冷板厚度增加可提高電池組散熱性能，但對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱性能影響的貢獻(xiàn)相比于入口流速分組優(yōu)化對(duì)其的貢獻(xiàn)要小。因此在BTMS 占用空間有限時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)通道操作參數(shù)(入口流速)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高其散熱性能。