某電池包液冷板冷卻性能研究

【摘 要】文章基于STAR CCM+軟件對(duì)擠壓鋁型材液冷板冷卻性能進(jìn)行分析，以分析結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行液冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)改變流道寬度和流道形狀，模組的最高溫度由34.1℃降低到33.1℃，最低溫度由26.3℃降低到25.9℃，分別降低1℃和0.4℃;模組溫差由7.8℃降到7.2℃，顯著提升液冷板的冷卻性能，有效降低模組的溫度差異，為提高動(dòng)力電池的安全性，延長(zhǎng)使用壽命以及擠壓鋁型材液冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

【關(guān)鍵詞】電池包;液冷板;冷卻性能;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.633 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）11-0063-04

Research on Cooling Performance of Liquid Cooling Plate Based on a Battery Pack*

【Abstract】This study analyzes the cooling performance of extruded aluminum profile water-cooled plates based on the STAR CCM+software and optimizes the design of liquid cooled plates based on the analysis results. By changing the width and shape of the flow channel，the highest temperature of the module decreased from 34.1 ℃ to 33.1℃，and the lowest temperature decreased from 26.3℃ to 25.9℃，a decrease of 1℃ and 0.4℃ respectively. The temperature difference of the module has decreased from 7.8℃ to 7.2℃. The cooling performance of the liquid cooling plate has been significantly improved，effectively reducing the temperature difference of the module. This provides a reference for improving the safety of power batteries，extending their service life，and optimizing the structure of extruded aluminum liquid cooling plates.

【Key words】battery pack;liquid cooling plate;cooling performance;structural optimization

0 引言

近年來(lái)，新能源汽車(chē)飛速發(fā)展，2024年7月全國(guó)新能源乘用車(chē)零售銷(xiāo)量為87.8萬(wàn)輛，單月零售滲透率首次超過(guò)50%，達(dá)到51.1%，較去年同期提升15個(gè)百分點(diǎn)[1]。電動(dòng)汽車(chē)低污染、零排放的特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到了重大積極作用。電池作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件之一，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存和釋放電能以驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。電動(dòng)汽車(chē)的電池通常為鋰離子電池，具有高能量密度、長(zhǎng)壽命和快速充電等特點(diǎn)。然而，電動(dòng)汽車(chē)電池包起火事故時(shí)有發(fā)生，說(shuō)明盡管鋰離子電池相對(duì)安全，但仍然存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，這風(fēng)險(xiǎn)大小主要取決于電池的實(shí)際工作溫度。因此，通過(guò)合理高效的散熱方式使電池溫度保持在合理溫度區(qū)間非常重要[2]。

現(xiàn)階段電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱方式主要有3種，分別是液體冷卻、空氣冷卻和相變冷卻。其中流道式液冷板是目前主流的電池包散熱方式，其優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)于空氣冷卻具有更高的冷卻效率，相對(duì)于相變冷卻具有更低的制造成本[3]。液冷散熱的工作原理是利用液體的高熱容量和熱傳導(dǎo)能力，通過(guò)對(duì)流換熱的方式帶走電池產(chǎn)熱以降低電池溫度[4]，保證電池在合適的工作溫度范圍25～40℃內(nèi)工作。電池在合適的工作溫度內(nèi)，能顯著提高使用壽命和安全性。此外，液冷散熱技術(shù)還具有可靠性高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在新能源汽車(chē)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

本項(xiàng)目采用的液冷板為型材通過(guò)攪拌摩擦焊連接成型，具有良好的承載能力、強(qiáng)度、表面平整度和傳熱性能。在此背景下，基于Star CCM+軟件，仿真計(jì)算驅(qū)動(dòng)耐久仿真工況下液冷板的冷卻效果，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)流道寬度和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)比分析流道形式對(duì)電池系統(tǒng)溫差的影響，有效展示鋁型材液冷板不同結(jié)構(gòu)間的冷卻效果差異，為鋁型材液冷板的設(shè)計(jì)提供參考。

1 動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)建模

1.1 建立三維模型

本文建立的液冷板模型采用一進(jìn)口一出口的形式，研究其在特定工況下的冷卻效果，液冷板整體尺寸為935mm×560mm×12mm，進(jìn)出口直徑為18mm，單流道寬度為26mm。液冷板安裝在電池模組底部，通過(guò)導(dǎo)熱墊對(duì)電池進(jìn)行散熱。電池組幾何尺寸如圖1所示，單塊模組由18塊電池單體串聯(lián)而成，本文中簡(jiǎn)化為3塊大模組。

1.2 建立流體計(jì)算模型

1.2.1 選取流體計(jì)算模型

本文采用CFD仿真軟件STAR CCM+進(jìn)行數(shù)值模擬，在開(kāi)展數(shù)模模擬之前，需要對(duì)液冷板內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，以此選擇合適的計(jì)算模型。

液體按流體力學(xué)特性可劃分為層流和湍流兩種。當(dāng)液體的雷諾數(shù)小于2300時(shí)，粘性力比慣性力對(duì)流場(chǎng)的作用更大，由于粘性力的作用，流場(chǎng)中流速的微擾力減弱，導(dǎo)致流體分層流動(dòng)，互不混合，為層流。雷諾數(shù)不斷增加，慣性力比粘性力對(duì)流場(chǎng)的作用更大，當(dāng)雷諾數(shù)增加到4000以上，流體的流動(dòng)變得不再穩(wěn)定，流體速度的微小變化便會(huì)導(dǎo)致流速加強(qiáng)，流向變得紊亂，從而形成無(wú)序的、不規(guī)則的湍流。雷諾數(shù)由以下公式得出：

式中：ρ——流體的密度;v——流場(chǎng)的特征速度;L——流場(chǎng)的特征長(zhǎng)度;μ——流體黏度。

冷卻液采用50%乙二醇溶液，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃，其物理參數(shù)見(jiàn)表1[6]。

結(jié)合液冷板的實(shí)際尺寸，在入口流量為15L/min時(shí)，根據(jù)雷諾數(shù)公式得出，冷卻液流動(dòng)過(guò)程中的雷諾數(shù)大于4000，確定為湍流，因此采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型控制方程，如下：

式中：k——湍動(dòng)能;ε——湍動(dòng)能耗散率動(dòng)能的生成率;σk——湍動(dòng)能對(duì)應(yīng)的普朗特系數(shù);σε——湍能耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特系數(shù)[2]。

1.2.2 邊界條件

在STAR CCM+中建立仿真模型，將置于液冷板上的電池模組作為熱源，假定模組的熱量分布均勻，不考慮電池模組和空氣之間的對(duì)流，僅通過(guò)底部的液冷板來(lái)傳遞熱量。電池產(chǎn)熱功率不隨時(shí)間的推移而變化，維持穩(wěn)定狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)耐久仿真的邊界條件見(jiàn)表2。

液冷板進(jìn)水口設(shè)定為質(zhì)量流量的邊界類(lèi)型，質(zhì)量流量為0.2678kg/s，湍流強(qiáng)度設(shè)定為0.03，湍流的特征長(zhǎng)度設(shè)定為0.5mm，冷卻液初始溫度為環(huán)境溫度，設(shè)定為25℃。出水口設(shè)定為壓力出口的邊界類(lèi)型。電池模組產(chǎn)熱功率穩(wěn)定在500W。假設(shè)冷卻液為不可壓縮流體，壁面無(wú)滑移，冷卻液在冷板流道內(nèi)的重力影響可忽略不計(jì)。

1.2.3 建立液冷通道幾何模型

本文采用擠出型材式液冷板，流道形狀、進(jìn)出水口位置與整體尺寸如圖2所示。冷板的材質(zhì)均使用6系鋁合金，冷卻液為濃度50%的乙二醇水溶液，冷板與電池間由導(dǎo)熱硅膠填充以強(qiáng)化換熱，電芯等效為模組，其物性參數(shù)見(jiàn)表3。

1.2.4 網(wǎng)格劃分

在STAR CCM+軟件中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，面網(wǎng)格劃分要保證匹配幾何邊界，尤其是圓角位置，要保證拓?fù)鋷缀尾皇д?。在生成體網(wǎng)格時(shí)，流體域設(shè)置為多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格組合的形式，其他部件設(shè)置為多面體網(wǎng)格的形式，其中，邊界層層數(shù)設(shè)置為3層，邊界層尺寸增長(zhǎng)率設(shè)置為1.2，邊界層總厚度設(shè)置為0.9mm。網(wǎng)格基本尺寸設(shè)置為10mm，最小表面網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5mm，表面網(wǎng)格增長(zhǎng)率設(shè)置為1.3。

2 原方案和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的傳熱仿真結(jié)果

冷卻液流速對(duì)電池的冷卻效果有顯著影響。較高的流速能夠更有效地帶走電池產(chǎn)生的熱量，使電池溫度更均勻地下降，尤其在電池高發(fā)熱區(qū)域能起到更好的冷卻作用。而較低的流速則可能導(dǎo)致電池局部過(guò)熱，影響電池性能和壽命。

2.1 原方案仿真結(jié)果

設(shè)置好模組、導(dǎo)熱膠、冷板和流體域的熱物性參數(shù)，設(shè)置輸出電池包相關(guān)結(jié)構(gòu)的溫度信息及流體域的流速和壓力信息后，可以進(jìn)行求解。圖3為液冷板原始方案下模組溫度場(chǎng)分布情況，可以看出，模組高度方向上，遠(yuǎn)離冷板的方向，溫度越來(lái)越高。電池包最低溫度出現(xiàn)在與冷板接觸的位置，為26.3℃，最高溫度出現(xiàn)在圖中右端模組的頂面位置，為34.1℃，此處遠(yuǎn)離進(jìn)水口位置，模組的溫差為7.8℃。圖4為模組頂面的溫度云圖，在頂面上，最低溫度為33℃，平面上的溫差為1.1℃。圖5為流體區(qū)域的溫度云圖，由圖可知液冷板內(nèi)的冷卻液最低溫度為25.0℃，出現(xiàn)在進(jìn)水口處區(qū)域;最高溫度為26.9℃，出現(xiàn)在進(jìn)口流道的最遠(yuǎn)端。圖6為流體區(qū)域的速度云圖，從圖中可以看出，在15L/min的流量下，在入口區(qū)域的7條流道中，靠近下側(cè)的3條流道中的流體速度遠(yuǎn)低于上側(cè)4條流道，因此導(dǎo)致入口區(qū)域的最遠(yuǎn)端的模組區(qū)域散熱效果最差。

2.2 優(yōu)化方案1和仿真結(jié)果

基于以上結(jié)果，由于進(jìn)出口的位置固定，對(duì)液冷板的流道進(jìn)行細(xì)化，以改善進(jìn)口區(qū)域流量分配不均的問(wèn)題，單條流道寬度由26mm變?yōu)?mm，再次進(jìn)行仿真。圖7為優(yōu)化方案1模組的溫度分布情況。由圖可知，電池包最低溫度為26.5℃，最高溫度為33.6℃，最高溫度出現(xiàn)在圖中左端模組的上中部，此處靠近出水口位置，模組的溫差為7.1℃。圖8為模組頂面的溫度云圖，在頂面上，最低溫度為32.6℃，平面上的溫差為1℃。圖9為流體區(qū)域的溫度云圖，最低溫度為25.0℃，出現(xiàn)在進(jìn)水口處;最高溫度為26.9℃，出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的模組最高溫度處。圖10為流體區(qū)域的速度云圖，可以看出，在出口區(qū)域的21條流道中，靠近下側(cè)的9條流道中的流體速度遠(yuǎn)低于上側(cè)其他流道，因此導(dǎo)致出口區(qū)域下側(cè)對(duì)應(yīng)的模組區(qū)域散熱較差。

通過(guò)將液冷板的流道優(yōu)化變窄方法，進(jìn)口區(qū)域的流速變得更加均勻，進(jìn)口區(qū)域的冷卻效果有所改善。模組溫差由原始方案的7.8℃降低到7.1℃，模組頂面溫差由原始方案的1.1℃降低到1℃，模組頂面溫差雖有改善，但變化不大，仍需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 優(yōu)化方案2仿真結(jié)果

通過(guò)觀察優(yōu)化方案1的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)流體從進(jìn)口區(qū)域到出口區(qū)域處，由于區(qū)域間空間較小，流速激增，導(dǎo)致大部分流體直接流經(jīng)出口區(qū)域的上側(cè)流道回到出口。調(diào)整進(jìn)出口過(guò)渡區(qū)域流體域的邊界，降低空腔的高度，在此區(qū)域形成弧形過(guò)渡，以此調(diào)整經(jīng)過(guò)此處水流的方向，改善出口區(qū)域流量分配不均的問(wèn)題。流道優(yōu)化位置如圖11所示，為入口區(qū)域和出口區(qū)域的過(guò)渡區(qū)域處。優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖12所示，再次進(jìn)行仿真。圖13為優(yōu)化方案2模組的溫度分布情況。由圖可知，電池包最低溫度25.9℃，最高溫度為33.1℃，最高溫度出現(xiàn)在圖中左端模組的上中部，此處靠近出水口位置，模組的溫差為 7.2℃。圖14為模組頂面的溫度云圖，在頂面上，最低溫度為32.4℃，平面上的溫差為0.7℃。圖15為流體區(qū)域的溫度云圖，最低溫度為25.0℃，出現(xiàn)在進(jìn)水口處;最高溫度為25.8℃，出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的模組最高溫度處。圖16為流體區(qū)域的速度云圖，從圖中可以看出，相對(duì)優(yōu)化方案1，出口區(qū)域的21條流道的流速變得均勻，模組的最高溫度降低了0.5℃，起到了優(yōu)化作用。

通過(guò)優(yōu)化流體域形狀，出口區(qū)域的流速變得更加均勻，出口區(qū)域的冷卻效果也變得更加均勻。模組溫差由優(yōu)化方案1的7.1℃變?yōu)?.2℃，有所增加，是因?yàn)楦纳平Y(jié)構(gòu)后，模組的最低溫度由26.5℃降低到25.9℃。模組頂面溫差由優(yōu)化方案1的1℃降低到0.7℃，模組頂面溫差持續(xù)改善。優(yōu)化前后的模組溫度變化情況見(jiàn)表4。

3 結(jié)論

由以上分析結(jié)果可知，擠壓鋁型材液冷板的結(jié)構(gòu)形式與冷卻性能密切相關(guān)，本文基于STAR CCM+軟件對(duì)擠壓鋁型材水冷板冷卻性能進(jìn)行分析，并以分析結(jié)果為依據(jù)對(duì)液冷板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)改變流道寬度和流道形狀，模組的最高溫度由34.1℃降低到33.1℃，最低溫度由26.3℃降低到25.9℃，分別降低了1℃和0.4℃;模組溫差由7.8℃降到7.2℃，顯著提升了冷卻板的冷卻性能;同時(shí)，模組頂面溫差由1.1℃降到0.7℃，有效降低了模組的溫度差異。為提高動(dòng)力電池的安全性，延長(zhǎng)使用壽命以及擠壓鋁型材液冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。

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