二次流蛇形通道锂离子电池散热性能.pdf

第 12 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.12 No.6Jun.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology二次流蛇形通道锂离子电池散热性能陈雅，范立云，李晶雪，李美斯，徐超，顾远琪（哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001）摘要：针对传统蛇形流道的大压降、高功耗问题，结合二次流结构，设计了一种新型的二次流蛇形液冷板，建立仿真模型，对比了传统蛇形液冷板和二次流蛇形液冷板的性能。另外，进一步研究了不同流速下二次流通道数量、通道宽度、通道角度、通道距离对二次流蛇形流道传热和压降特性的影响。结果表明，传统蛇形液冷板在增加了二次流结构后，液冷板进出口压降下降了90.69%，很大程度上解决了传统蛇形流道的问题；随着流速的增大，不同结构参数的液冷板的冷却效果增强，在流速大于0.4 m/s后，最高温度维持在303 K左右，最大温差维持在4.5 K左右，压降和泵功随流速增大而增加；各个结构参数都存在最优值，当通道数量为7，通道宽度为4 mm，通道角度为75，通道距离为8 mm时，系统的压降大大降低，很大程度上节省了泵功。关键词：锂离子电池；液冷；蛇形流道；二次流doi：10.19799/ki.2095-4239.2023.0006 中图分类号：TM 911 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）06-1880-10Research on heat dissipation of lithium-ion batteries with secondary flow serpentine channelCHEN Ya,FAN Liyun,LI Jingxue,LI Meisi,XU Chao,GU Yuanqi(Harbin Engineering University,Harbin 150001,Heilongjiang,China)Abstract:A new secondary flow serpentine liquid cold plate is proposed to address the issues of high-pressure drop and significant power consumption associated with traditional serpentine channels combined with secondary flow structures.This study establishes a simulation model to compare the performance of traditional serpentine liquid cold plates and secondary flow serpentine liquid cold plates.Furthermore,the effects of factors such as channel numbers,width,angle,and distance on the secondary flow serpentine flow channels heat transfer and pressure drop characteristics under various flow velocities are investigated.The results show that incorporating the secondary flow structure into the traditional serpentine liquid cold plate reduces the pressure drop at the inlet and outlet by 90.69%,largely resolving the issue present in traditional serpentine channels.As the flow rate increases,the cooling effect of the liquid cold plate with different structural parameters improves;once the flow rate exceeds 0.4 m/s,the maximum temperature stabilizes around 303 K,and the maximum temperature difference remains at approximately 4.5 K.Pressure drop and pump work also increase with 储能系统与工程收稿日期：2023-01-06；修改稿日期：2023-02-02。基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目（3072022QBZ0303），远洋运输船舶混合动力系统研制（CB03N20）。第一作者：陈雅（1999），女，硕士研究生，研究方向为新能源动力及电池热管理技术，E-mail：；通讯作者：范立云，教授，研究方向为新能源动力及电池热管理技术，E-mail：。引用本文：陈雅,范立云,李晶雪,等.二次流蛇形通道锂离子电池散热性能J.储能科学与技术,2023,12(6):1880-1889.Citation：CHEN Ya,FAN Liyun,LI Jingxue,et al.Research on heat dissipation of lithium-ion batteries with secondary flow serpentine channelJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(6):1880-1889.第 6 期陈雅等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能the flow rate.Each structural parameter has an optimal value;when the number of channels is 7,the channel width is 4 mm,the channel angle is 75,and the channel distance is 8 mm,the systems pressure drop is significantly reduced,leading to substantial pump work savings.Keywords:lithium-ion batteries;liquid cooling;serpentine channel;secondary flow气候及环境问题是目前全人类所需共同攻克的难题，并且随着碳达峰、碳中和目标的推进，未来要求提高能源利用率而减少污染排放也是大势所趋。在全球减碳行动下，汽车和船舶产业向新能源转型也是必然，其中电动汽车1和电动船舶2，因其能耗小、污染小等优点，成为应对目前环境污染和能源危机的关键。锂离子电池作为电动汽车和电动船舶的核心部件之一，具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低3等优点。但是电池充放电过程中，由于其内部的化学反应会导致热量的聚集，进一步引起温度的升高。温度的持续升高会影响电池的充放电循环寿命4、安全和整体性能5-6。研究表明，锂电池的最佳温度在2040，温差应该控制5 以内7。为了保证电池的工作性能，采取有效的热管理措施尤为重要。其中液冷具有对流换热系数大8、冷却效率高、稳定等优势，在众多热管理技术中脱颖而出。目前，液冷系统的研究主要集中在通道几何参数、冷却板结构和流体流动分布的优化方法9。许多新结构被提出，例如仿生叶脉通道10、带斜翅片的发散通道11、特斯拉阀通道12等，但结构的复杂化也带来了制造加工的困难。这些年来，蛇形流道作为一种基础流型，结构相对简单，被广泛研究与应用。然而传统蛇形流道因其多次弯曲的流道走向，通常面临着压降大、均温性差等缺点13。大部分研究者针对蛇形流道进行改进研究。Osman等14研究了平行直通道、波浪形通道、蛇形通道的冷却性能，结果表明在同一工况下，虽然蛇形流道的散热能力最好，但是会产生更高的压降，从综合评价系数来看，波浪形通道性能更加优异。Imran等15设计了一种迷宫蛇形微通道，在不同质量流量下与直通道进行了对比，研究发现在所有质量流量下，迷宫蛇形微通道的底板温度均小于直通道，压降均大于直通道。Deng等16通过数值仿真研究了传统蛇形通道冷板的通道数量、布局和冷却液入口温度对冷却板热性能的影响，研究表明沿着液冷板长度方向布置的5通道蛇形液冷板具有最佳的冷却性能，但是需要消耗更多的泵功来实现。元佳宇等17设计了具有单向流通结构和双向对流结构的蛇形管路电池组热管理系统，比较了不同质量流量下两种结构的热力性能，结果表明双向流结构有效提高了电池模块的均温性。Sheng等18设计了一种具有双入口和出口的新型蛇形通道液体冷却板，研究表明入口和出口布置在另一侧比在同一侧的热管理能力强，大大提高了温度均匀性。Jaffal等19将肋板与传统蛇形通道结合，肋板的加入明显改善了系统的散热性能，但是同时也增加了系统的压降。综上所述，蛇形流道的改进研究多集中于优化流道来改善散热性能。然而，在提高系统冷却能力的同时，通常伴随着压降的增大，反而降低了系统的综合性能。本工作针对上述问题作出了改进，结合二次流结构，设计了一种新型二次流蛇形通道结构，建立了仿真模型，并且进一步对不同冷却液流速下的结构参数进行了研究。该结构的提出对于蛇形流道降低压降、节省泵功具有重要意义。1 模型建立本工作以20 Ah软包电池作为研究对象，该电池液冷模组由液冷板和电池组成，其中电池模组包含 25 块单体电池并联，每一块电池的尺寸为187 mm125 mm9.5 mm，其中正负极柱的尺寸为 30 mm30 mm0.26 mm，电池由两侧的液冷板进行冷却，液冷板的尺寸为187 mm125 mm2 mm，如图1(a)所示。考虑到计算成本，利用整体电池模组的对称性，取其中一个重复单元作为研究对象，如图1(b)所示，包括3块液冷板、2块完整的电池和2块半电池。本工作以传统的蛇形流道作为基础结构，增加二次流结构，设计了一种新型的二次流蛇形液冷板，如图1(c)所示。图1(c)中的二次流结构是由直的主通道和与主通道有一定角度的副通道组成，其中相邻副通道镜像对称。主通道更宽，流道内的流体为主流，副通道内的流体为二次流。这些副通道的存在打通了相邻的主通道，增强了流体扰动。其中液冷板的主要结构参数包括二次18812023 年第 12 卷储能科学与技术流通道的数量n、通道的宽度d、通道的角度、通道距离L。表1为电池的物性参数。2 数学模型2.1控制方程上述图1(b)的计算单元包含电池、液冷板和冷却液，各个计算区域的控制方程如下。（1）冷却液流体区域的质量守恒方程 l t+g(lv)=0(1)冷却液入口速度为0.1 m/s，入口尺寸为1 mm6 mm，计算可得雷诺数小于2300，其流动状态为层流，则其动量守恒方程：l v t+(v g)v =-P+2v(2)能量方程：lcpl Tl t+g(lcplv Tl)=(klTl)(3)其中l、cpl、kl、Tl为冷却液的密度、黏度、比热容、导热系数、温度；P为微元体所受的压力。（2）液冷板能量守恒方程：ccpc Tc t=x(kc Tc x)+x(kc Tc y)+x(kc Tc z)(4)其中c、cpc、Tc、kc为液冷板的密度、比热容、温度、导热系数。（3）电池能量守恒方程：bcpb Tb t=x(kbx Tb x)+x(kby Tb y)+x(kbz Tb z)+q gen(5)其中b、cpb、kbx、kby、kbz、Tb为电池的密度、图1几何模型(a)电池模组(b)计算单元(c)冷却板结构设计Fig.1Geometric model(a)Battery module;