田少鵬,唐 豪,龔 振

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院,航空發(fā)動機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210016)

隨著科技的進(jìn)步以及環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng),新能源汽車因能耗低、零排放等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。動力電池作為電動汽車的核心供能部件,為電動車在各種駕駛循環(huán)下提供能量。因此動力電池的性能、成本、安全性和可靠性與車輛的性能密切相關(guān)。目前影響動力電池整體性能的主要因素是動力電池整體的溫度以及電池單體間的溫差。低溫會使鋰電池電解質(zhì)活性降低,增大電池內(nèi)阻,導(dǎo)致電池放電容量下降;高溫會使鋰電池電極降解,電解液分解,縮短電池壽命。同時在鋰電池工作過程中,電池單體間的溫差過大會破壞電池組的均一性,損害電池壽命,嚴(yán)重時會發(fā)生起火、爆炸等嚴(yán)重事故[1]。因此設(shè)計(jì)出合理高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對動力電池安全高效的工作有重要意義。

液冷系統(tǒng)冷卻效率較高,且對電池表面的冷卻較為均勻,能夠有效提高電池組的溫度均勻性,減少局部熱效應(yīng),因此被廣泛應(yīng)用于動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。其中流道結(jié)構(gòu)對于液冷板散熱性能的影響較大,成為了國內(nèi)外相關(guān)研究的熱點(diǎn)。Jarrett等[2]通過對蛇形通道的板式液冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到了一種最優(yōu)的蛇形通道冷卻板結(jié)構(gòu),并指出過寬的蛇形流道散熱效果較好,但電池單體間的溫差會增大。袁昊等[3]設(shè)計(jì)了一種U型管的結(jié)構(gòu)板式液冷系統(tǒng),通過仿真模擬分析了出口位置、管徑、垂直間距對熱管理系統(tǒng)散熱效果的影響,并對進(jìn)口速度及溫度進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,使液冷板表面溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低到 2.61 ℃。Chen等[4]采用硅油作為冷卻介質(zhì),將冷卻通道布置于電池組兩側(cè)的鋁板上,通過實(shí)驗(yàn)指出當(dāng)SOC較高時,增大雷諾數(shù)對冷卻效果的提高不大,并對比相變材料冷卻系統(tǒng),指出液冷溫差要高于相變材料冷卻。余劍武等[5]設(shè)計(jì)了一種中心回轉(zhuǎn)流道液冷板,通過數(shù)值仿真指出強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)能有效改善液冷板散熱均溫性能。溫達(dá)旸等[6]提出了一種非均勻翅片液冷板結(jié)構(gòu),有效改善了電池組表面溫度均勻性,降低了液冷板質(zhì)量和壓力損失。

本文根據(jù)電池組具體幾何尺寸,提出一種微通道液冷板結(jié)構(gòu)方案,采用數(shù)值計(jì)算方法探究不同質(zhì)量流量對液冷單元散熱性能的影響。并提出幾種不同的流道寬度設(shè)計(jì)以及添加擾流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),探究液冷板幾何參數(shù)變化對其散熱性能、均溫性能以及能耗的影響[7],得到較為合理的液冷板設(shè)計(jì)方案。

1 數(shù)值計(jì)算方法

液冷板的散熱原理為動力電池充放電過程中產(chǎn)生的熱量通過液冷板傳遞到冷卻液[8]。這一換熱過程主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行,遵循質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒方程:

(1)

(2)

(3)

其中:ρ為冷卻液密度,kg/m3;c為冷卻液比熱容,J/(kg·K);v為冷卻液流速,m/s;k為冷卻液傳熱系數(shù),W/(m2·K)。

液冷板在傳熱過程中的能量方程為[9-10]:

(4)

其中:ρp為液冷板密度,kg/m3;cp為液冷板比熱容,J/(kg·K);λp為液冷板導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2·K)。

鋰離子電池具有層疊結(jié)構(gòu),各層的熱物性參數(shù)不同,其導(dǎo)熱系數(shù)具有各向異性[11],因此需要根據(jù)熱阻的串并聯(lián)原理,對電池各個方向的熱物性參數(shù)進(jìn)行估算[12]。將電池厚度方向表示為x方向,平行于電池方向面的水平和豎直方向表示為y、z方向。由于x方向的電池各層結(jié)構(gòu)串聯(lián),因此導(dǎo)熱系數(shù)為[13]:

(5)

由于y、z方向的電池各層結(jié)構(gòu)并聯(lián),因此導(dǎo)熱系數(shù)為:

(6)

其中:λx、λy、λz為電池沿著x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2·K);Li為電池各層厚度,m。

電池單體的定壓比熱容大小與電池各層材料性質(zhì)有關(guān),可通過質(zhì)量加權(quán)法計(jì)算得到[14]:

(7)

其中:ci為各層材料比熱容,J/(kg·K);mi為各層材料質(zhì)量,kg。

電池單體、液冷板和冷卻液熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 熱物性參數(shù)

2 仿真模型建立及分析

2.1 液冷單元物理模型

某商用車方形動力電池,其電池單體標(biāo)稱容量為50 Ah,額定電壓為3.2 V,外形尺寸為130 mm×150 mm×20 mm[15]。本文選取圖1所示的動力電池組系統(tǒng)液冷單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,包含3塊電池單體和4塊微通道液冷板,液冷板與電池單體間隔排列。

圖1 電池模組系統(tǒng)液冷單元結(jié)構(gòu)示意圖

微通道液冷板內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。冷卻液由入口流入,通過內(nèi)部流道往復(fù)對電池單體進(jìn)行散熱,因此對電池在充放電過程中的電池單體溫度均勻性有較顯著的改善。其中D1～D16為液冷板內(nèi)部流道的尺寸設(shè)計(jì),本文主要探究流道寬度、流道高度和擾流結(jié)構(gòu)對液冷板散熱性能的影響,不對內(nèi)部流道的整體結(jié)構(gòu)做較大改動。

圖2 液冷板內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為探究強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)對本文設(shè)計(jì)的微通道液冷板在散熱、能耗及溫度均勻性上的影響,在流道寬度為1.2 mm,高度為6 mm的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了3種強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu),如圖3所示。

其中,圖3(a)是在豎直方向流道內(nèi)添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)。圖3(b)是在水平方向流道內(nèi)添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)。圖3(c)是整體添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)。強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的尺寸如圖3(d)所示。

2.3 模型邊界條件設(shè)定及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

使用Fluent軟件對設(shè)計(jì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算,對仿真模型做出以下假設(shè)[16]:

1) 只考慮熱傳遞和對流,忽略熱輻射對電池組散熱的影響;

2) 充放電過程中電池內(nèi)部電流密度及產(chǎn)熱分布均勻;

3) 鋰離子電池的相關(guān)熱物性參數(shù)不隨電池的溫度發(fā)生變化。

圖3 3種強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)示意圖

在3C放電倍率下,電池單體發(fā)熱功率為135 W,環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃,選擇水作為冷卻液,冷卻液入口流速為0.2 m/s;壓力出口設(shè)置為0 Pa[17-19]。在計(jì)算過程中,假設(shè)電池與液冷板表面為絕熱狀態(tài),電池在放電過程中產(chǎn)生的熱量全部由冷卻液導(dǎo)出[20]。

采用8個不同數(shù)量網(wǎng)格的方案進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示,可知在方案3,網(wǎng)格數(shù)量n=2 062 518時,電池組最高溫度不再隨著網(wǎng)格數(shù)量n的增加發(fā)生明顯變化。所以,最終選擇網(wǎng)格方案4,網(wǎng)格數(shù)量n=2 832 413進(jìn)行后續(xù)仿真分析。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證曲線

3 仿真結(jié)果分析

3.1 質(zhì)量流量對液冷板散熱性能的影響分析

冷卻液作為液冷系統(tǒng)中主要的換熱介質(zhì),其質(zhì)量流量是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。合理的冷卻液流量不僅可以有效提高液冷系統(tǒng)的散熱性能和電池組的溫度均勻性,還能獲得較小的流動阻力,實(shí)現(xiàn)液冷系統(tǒng)的節(jié)能。不同質(zhì)量流量對電池組表面最高溫度及最大溫差的影響如圖5所示。隨著質(zhì)量流量的增加,電池組的最高溫度和溫差都有顯著的降低,尤其當(dāng)質(zhì)量流量從1 g/s增加到2 g/s時,最高溫度由34.87 ℃降低到30.63 ℃,降低了4.24 ℃;最大溫差由6.43 ℃降低到3.5 ℃,降低了2.93 ℃;對電池組整體工作溫度改善最為明顯。當(dāng)質(zhì)量流量由2 g/s增加到4 g/s時,之后每增加2 g/s時,電池組最高溫度分別降低了2.03、0.65 和0.75 ℃;最大溫差分別降低了1.4、0.52 和0.25 ℃。冷卻液流量增加對傳熱系數(shù)的影響逐漸減小,對電池組的散熱增加量也逐漸減少,因此電池組最高溫度下降趨勢逐漸放緩,對電池組工作溫度的改善效果也不再明顯。同時由于冷卻液質(zhì)量流量的增加,冷卻液溫度分布的均勻性得到增強(qiáng),電池組的最大溫差逐漸降低。這表明質(zhì)量流量的增加能夠有效降低電池組溫度,改善電池組溫度均勻性。

圖5 不同質(zhì)量流量對電池組溫度的影響曲線

圖6表示了不同質(zhì)量流量下液冷板傳熱系數(shù)和內(nèi)部流道壓降的變化?？梢钥闯鲭S著質(zhì)量流量的增加,液冷板的傳熱系數(shù)h逐漸增大,由開始的70.7 W/(m2·K)增加到105.4 W/(m2·K),隨著質(zhì)量流量的持續(xù)增加,傳熱系數(shù)的增大幅度逐漸降低。這表明僅在較小質(zhì)量流量的范圍內(nèi),傳熱系數(shù)會隨質(zhì)量流量增加,當(dāng)質(zhì)量流量較大時,其對傳熱系數(shù)的提升不再明顯。質(zhì)量流量的增加也會使內(nèi)部流道的流動阻力增加,當(dāng)質(zhì)量流量為1 g/s時,液冷板內(nèi)部流道流動阻力僅為1 071 Pa,隨著質(zhì)量流量的增加,流動阻力分別增加了1 351.6、3 554.9、4 706.8、6 369.2 Pa,流動阻力呈一種冪函數(shù)趨勢增加。這是因?yàn)橘|(zhì)量流量越大,冷卻液需要克服更大的阻力才能從出口流出,因此質(zhì)量流量的增加在改善液冷板散熱性能的同時,也增加了系統(tǒng)的能耗。圖6表明質(zhì)量流量的增大能夠提高液冷板散熱性能,而過大的質(zhì)量流量不僅對散熱性能的改善效果有限,且會使內(nèi)部流道流動阻力大幅增加,使得液冷板能耗增加,降低了液冷板綜合性能。

圖6 不同質(zhì)量流量下液冷板壓降和傳熱系數(shù)變化曲線

3.2 流道高度對液冷板散熱性能的影響

圖7為不同流道高度下電池表面溫度變化曲線。隨著流道高度的逐漸增加,電池組最高溫度逐漸增加,同時最大溫差逐漸降低。當(dāng)流道高度為4 mm時,最高溫度為30.61 ℃,最大溫差為3.49 ℃。隨著流道高度的增加,電池表面最高溫度分別升高到30.75、30.83、31.17 ℃;最大溫差分別降低到3.36、3.13、2.87 ℃。這是由于隨著內(nèi)部流道高度的增加,液冷板內(nèi)部流道截面積增大,使得冷卻介質(zhì)的流動阻力和流速逐漸降低,冷卻液在流動過程中與液冷板換熱量減少,對電池組的冷卻能力下降。

圖8顯示了流道高度對液冷板流動阻力和平均傳熱系數(shù)的影響?？梢钥闯?隨著流道高度的增加,流動阻力從4 334.6 Pa降低到1 437.5Pa;平均傳熱系數(shù)從87.61 W/(m2·K)增加到95.13 W/(m2·K)。這表明流道高度的增加能夠增加液冷板流道平均傳熱系數(shù),同時減小了內(nèi)部流道的流動阻力,降低了系統(tǒng)能耗。

圖7 不同流道高度對電池組表面溫度的變化曲線

圖8 不同流道高度對液冷板流動阻力和平均傳熱系數(shù)的影響曲線

圖9為不同流道高度下電池單體表面溫度場云圖。可以看出,隨著流道高度的增加,由于液冷板內(nèi)部流道的流動阻力逐漸降低,電池組整體低溫區(qū)域逐漸減小,高溫區(qū)域不斷增大。當(dāng)流道高度為4 mm時,由于存在較大的流動阻力,提高液冷板的散熱性能,電池組最高溫度為30.61 ℃,而較大的流速會使電池組表面最大溫差較大,為3.49 ℃。當(dāng)流道高度為7 mm時,較大的流道截面積會降低流道的流動阻力,降低液冷板散熱性能,電池組表面最高溫度為31.17 ℃,由于冷卻液流速較小且內(nèi)部流道換熱系數(shù)增加,因此電池組靠近出口附近的高溫區(qū)域擴(kuò)大,改善了液冷板的溫度均勻性,最大溫差降低到2.87 ℃。這表明流道寬度的增加使得電池組表面最高溫度增加,但流道的流動阻力減小,換熱系數(shù)增加,使得液冷板在降低能耗的同時,改善了電池組表面的溫度均勻性。

圖9 不同流道高度下的溫度場云圖

3.3 流道寬度對液冷板散熱性能的影響

圖10為不同流道寬度對電池表面溫度的影響曲線?？梢钥闯?隨著流道寬度的增大,電池單體表面平均溫度呈上升趨勢,最大溫差呈下降趨勢。當(dāng)流道寬度為0.6 mm時,最高溫度為30.23 ℃,最大溫差為3.7 ℃。隨著流道寬度的增加,電池表面最高溫度分別升高到30.53、30.68、30.83 ℃;最大溫差分別降低到3.58、3.52、3.48 ℃。這是由于質(zhì)量流量一定,流道寬度的增加使得微通道橫截面積增大,這使得冷卻介質(zhì)的流動阻力不斷減小,冷卻液流速逐漸降低,因此冷卻液在流動過程中與液冷板換熱量降低,冷卻能力下降。

圖10 不同流道寬度對電池組表面溫度的影響曲線

圖11顯示了不同流道寬度對液冷板流動阻力和平均傳熱系數(shù)的影響變化曲線?？梢钥闯?隨著流道寬度的增加,流動阻力從15 993.38 Pa降低到2 422.65 Pa;平均傳熱系數(shù)從85.6 W/(m2·K)增加到90.6W/(m2·K)。這表明流道寬度的增加能夠增加液冷板流道平均傳熱系數(shù),有利于增強(qiáng)液冷板的散熱、能耗和溫度的均勻性能。

圖11 不同流道寬度對液冷板流動阻力和平均傳熱系數(shù)的影響曲線

不同流道寬度下電池單體表面溫度場如圖12所示。

圖12 不同流道寬度下的溫度場云圖

可以看出,較小的流道寬度會使得流動阻力增加,因此電池組在冷卻液入口處的低溫區(qū)域隨著流道寬度的增加逐漸減小,高溫區(qū)域不斷增大。當(dāng)流道寬度為0.6 mm時,較小的流道截面積會使得流動阻力較大,冷卻液流速增高,提高液冷板的散熱性能,電池組最高溫度為30.2 ℃,同時會降低電池組的溫度均勻性,電池組表面最大溫差為3.49 ℃。當(dāng)流道寬度為1.2 mm時,較大的流道截面積會降低流道的流動阻力,降低液冷板散熱性能,電池組表面最高溫度為31.17 ℃,同時會使得入口附近的低溫區(qū)域不斷縮小。由于冷卻液流速較小且內(nèi)部流道換熱系數(shù)增加,因此電池組靠近出口附近的高溫區(qū)域擴(kuò)大,改善了液冷板的溫度均勻性,電池組表面最大溫差降低到2.87 ℃。因此較小的流道寬度會使液冷系統(tǒng)能耗增加,系統(tǒng)的散熱能力增強(qiáng);較大的流道寬度會減小流動阻力,在降低能耗的同時,減小電池組表面的溫差,但冷卻液對電池組的散熱能力會略有降低。

3.4 強(qiáng)化傳熱機(jī)構(gòu)對液冷板散熱性能的影響

擾流結(jié)構(gòu)是強(qiáng)化傳熱技術(shù)的一種,可通過在液冷板流道內(nèi)部添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)來提高換熱效率,是液冷板流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要因素。圖13為不同擾流結(jié)構(gòu)對電池組表面溫度變化的影響,其中結(jié)構(gòu)0為無擾流結(jié)構(gòu)的微通道液冷板。通過對比3種流道結(jié)構(gòu)可知,添加擾流結(jié)構(gòu)能夠有效提高液冷板散熱能力,降低電池組表面溫度。擾流結(jié)構(gòu)1使得電池組表面最高溫度由擾流結(jié)構(gòu)0的30.83 ℃降低至30.4 ℃,擾流結(jié)構(gòu)2和3使得電池組表面最高溫度又下降到了30.3 ℃和29.86 ℃。但擾流結(jié)構(gòu)1和擾流結(jié)構(gòu)2增大了電池組表面的最大溫差,使得表面最大溫差從3.49 ℃增加到了3.6 ℃和3.8 ℃。擾流結(jié)構(gòu)3有效降低了電池組表面最大溫差,使得電池組表面最大溫差降低到3.31 ℃,提高了電池組溫度均勻性。

圖13 強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)對電池組表面溫度的影響曲線

擾流結(jié)構(gòu)對液冷板流動阻力和平均傳熱系數(shù)的影響如圖14所示。與無擾流結(jié)構(gòu)情況下相比,擾流結(jié)構(gòu)的添加增加了液冷板內(nèi)部流道的流動阻力,平均傳熱系數(shù)也隨之增加。流道內(nèi)部流動阻力從初始的2 422.64 Pa依次遞增了225.36、153.1、207 Pa,可見擾流機(jī)構(gòu)的添加對液冷板流動阻力影響較小,對液冷板的能耗增加不大。內(nèi)部流道平均傳熱系數(shù)從初始的90.54 W/(m2·K)分別增加了0.64、1.17、1.23 W/(m2·K),可見擾流機(jī)構(gòu)的添加對傳熱系數(shù)無明顯影響。由圖14可知擾流結(jié)構(gòu)的增加能夠改善微通道液冷板的冷卻和均溫性能,且不會明顯增加液冷板工作時的能量消耗。

4 結(jié)論

1) 質(zhì)量流量在0.4 g/s時,電池組表面最高溫度和最大溫差分別為28.6 ℃和2.1 ℃,在0～0.4 g/s范圍內(nèi),冷卻液質(zhì)量流量的增加能有效改善液冷系統(tǒng)的散熱性能和均溫性能。當(dāng)質(zhì)量流量高于0.4 g/s時,過高的質(zhì)量流量對散熱性能的提升十分有限,且內(nèi)部流道流動阻力的增加會增大液冷系統(tǒng)的能耗,因此,質(zhì)量流量的選取不宜過大。

2) 液冷板流道寬度和高度的增加會增大電池組最高溫度,降低液冷系統(tǒng)散熱性能,但可以減小最大溫差,提高液冷系統(tǒng)均溫性能。流道寬度和高度的降低會大幅增加流動阻力,使系統(tǒng)能耗增加。當(dāng)流道高度為6 mm時,電池組最高溫度較5 mm時僅增加0.08 ℃,最大溫差減小0.23 ℃;流道高度為7 mm時,電池組最高溫度較 5 mm時,增加0.42 ℃,最大溫差減小0.49 ℃。當(dāng)流道寬度大于1 mm時,流道寬度的增加對液冷板散熱性能的改善效果逐漸降低。當(dāng)流道寬度為1.2 mm時,電池組最高溫度較1 mm時增加0.15 ℃,最大溫差僅減小0.04 ℃。 綜合考慮流道高度設(shè)計(jì)為6 mm,寬度為1 mm,在保證液冷板散熱性能的同時,其均溫性能不會有太大的削弱。

3) 在液冷板流道內(nèi)合理添加擾流機(jī)構(gòu)可以提升系統(tǒng)整體性能,擾流結(jié)構(gòu)3的整體擾流布置方案與無擾流機(jī)構(gòu)液冷板相比,電池組表面最高溫度減小0.97 ℃,最大溫差減小0.19 ℃,而液冷板內(nèi)部流道的流動阻力僅增加585.52 Pa,更好地實(shí)現(xiàn)了散熱、均溫和能耗三者之間的均衡。