并联U型通道冷板冷却动力电池的换热特性_谢本军.pdf

内燃机与配件 并联型通道冷板冷却动力电池的换热特性谢本军，莫政宇（四川大学水利水电学院，四川 成都 ）摘要：温度对锂离子动力电池性能有显著影响。本文提出的并联 型通道冷板，具有换热均匀性良好的特点，在动力电池等发热设备冷却方面具有优势。通过数值方法模拟了并联 型通道冷板的换热效果，结果表明，在不同流速下，并联 型通道冷板的温度标准差都小于，证明其温度分布相当均匀；在较高和较宽的热流密度条件下，并联 型通道冷板保持了较好的换热特性一致性及换热均匀性。关键词：动力电池；换热均匀性；并联 型通道冷板中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：谢本军（），男，四川绵阳，汉族，硕士研究生，研究方向为高效热管理技术。纯电动汽车具有高节能效率、零排放等优点，在新能源汽车总销量中约占。纯电动汽车以锂离子动力电池作为动力来源，然而电池在使用过程中因持续产热，引起电池工作温度升高和电池包内温度分布不均，进而加剧电池容量衰退、老化速率加速。极端条件下，高能量密度的锂离子电池因温度过高还可能引发热失控，导致热安全事故。对此，提出一种新型的并联型通道冷板，以控制电池温度。数值模拟条件及参数设置图计算模型根据我国电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸标准，采用宽 度、高 度 和 厚 度 尺 寸 分 别 为 、和 的方形电池作为典型，相应的冷板尺寸采用 ，几何模型如图所示。为提高换热面积、减少压降，采用微通道冷板；微通道采用 型，以实现冷却液的流入和流出。模型中各子通道长度及间距相等，各通道的换热面积相等。为消除进出口段效应的影响，各通道进出口的流体计算域分别增加了倍子通道当量直径长度的延长段。计算模型及假设条件数值计算在商业 软件 平台上完成。以水作为冷却剂，换热子通道内的计算雷诺数 为 ，因此，计算采用层流模型；冷板材料选择导热性优良的铝。计算中做如下假设：）流体不可压缩；）不考虑重力影响；）铝的热物性为常数。边界条件及计算工况由于电池包中冷板和电池一般为间隔排列，各电池的工作情况相似，由冷板两侧导入的总热量按单块电池发热量的一半考虑。本研究着重考虑冷却通道内流动方式对换热过程的影响，为简化问题分析，暂不考虑电池发热不均的影响，将冷板两侧换热面设置为均热流边界条件。某 锂离子电池在 放电倍率条件下对应的发热功率范围约为 ，由此得到冷板单侧换热面的热流密度为 ，其余表面设置为绝热边界 条 件。各 子 通 道 内 水 的 流 速 相 等，入 口 温 度 为 ，换热子通道出口为压力出口。网格无关性验证使用 软件的 模块进行单体冷板的网格划分。如图（）所示，对冷板使用 方法构成六面体网格，实现冷板三维计算域的网格划分。DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.035 年第期同时将三维网格区域根据其物性不同划分为冷板固体区域和冷却剂流体区域。对流体域内侧设置边界层，边界层共 层 网 格，增 长 比 率 为 ，第 一 层 网 格 高 度 为 。为了确保数值计算的正确性同时降低计算的运算量，通过网格无关性验证确定最佳网格数量。选择热流密度为 、各子通道入口流速为 的工况，对冷板的网格模型采用了由万增加至 万的种网格数量，在相同的条件下进行数值模拟，选择冷板的最高温度和冷却剂的进出口压降作为分析依据。如图（）所示，当网格数量超过 万时，冷板的最高温度和进出口压降几乎不随网格数量而变化，因此选择数量为 万的网格进行后续的数值模拟。（）网格示意图（）网格无关性验证图模型网格数值模拟结果分析 并联型通道冷板换热特性为充分了解并联型通道冷板在不同工况下的换热性能，如图所示，计算冷板在不同工况下的换热面温度分布情况。热流密度分别为 、和 ，对应的入口流速分别采用 、和 ，（相应的雷诺数 分别为 、和 ），将这三种工况简称为工况。在上述的不同工况下，冷板均保持了一致的换热性能。冷板的温度呈现区域性分布，上下两侧的温度偏低，中间为高温区域。冷板的最低温度区域并没有出现在入口区域，而是在上方弯道处附近；高温区域也不是出现在出口区域。由此说明，进出口区域存在高温流体和低温流体的热量交换过程。（）工况（）工况（）工况图冷板换热面在不同工况下的温度云图（）工况（）工况（）工况图冷板换热面在不同工况下的温度云图为了更好的观察换热面的温度梯度变化，图展示了在上述工况下冷板的换热面温度分布曲面图。由于冷却液主要是沿轴流动，在轴方向上发生温度变化，冷板沿轴方向的温度也变化较大。冷板沿轴方向的温度变化较 为 缓 慢，左 右 两 侧 的 温 度 分 布 沿 中 线（）呈基本对称分布。冷板的整体温度分布较为一致，换热面温度曲面图呈抛物柱面形，说明温度分布的均匀性较好。图给出了冷板在上述三种工况下中间截面（）的温度云图。冷板内部相邻通道流体温度一高一低，在进出口区域，进口处的低温流体会吸收更多的热量，避免了因流体温度升高而吸热量减少带来的出口区域温度偏高的问题，冷板的整体温差也因此而减小，反映出了并联 型通道对温度分布的展平能力。随着流入的流体温度沿程升高，相邻流体温度均偏高导致吸热量减小，在冷板中部出现了高温区域。冷板内部相邻通道流体温度一高一低，出口处同样没有出现高温区域，展现出了对温度分布的展平特性。由于弯道强化流体传热，三种冷板在内部通道弯道处对应的区域还出现了温度局部降低的现象。（）工况（）工况（）工况图不同工况下冷板中间截面的温度云图对于冷板的换热性能，除了可以通过温度云图观察温度分布进行分析，也可以通过对多个参数进行分析。为了确保电池安全工作，电池最高温度需要被控制在 以下。平均温度可以反映冷板温度高低的整体水平。最大高低温差和温度标准差能够反映冷板温度分布的均匀程度，最大高低温差和温度标准差越小，冷板的温度分布越均匀。最大高低温差也最能够反映展平冷板温度分布的能力。为了进一步了解冷板换热性能的特点和差异性，分别提取了在上述工况下三种冷板换热面的最高温度、平均温度、最大高低温差和温度标准差，示于表。可以看出，冷板在不同工况下的最高温度都低于 。最大高低温差和温度标准差都较小，说明冷板整体温差较小，温度分布均匀性好。表不同温度参数对比工况温度参数最高温度平均温度最大高低温差温度标准差工况 工况 工况 入口流速对冷板换热性能的影响上述的数值分析结果已经证明，并联 型通道冷板的换热均匀性较好。为进一步了解两种冷板的冷却特点，应了解不同因素对冷板换热性能的影响。影响换热过程最重要 的 因 素 是 冷 却 流 体 的 流 速。图 给 出 了 时，两种冷板在冷却剂流速范围为 （对应 范围 ）下冷板换热面的温度云图。可以看出，在不同流速下，并联 型通道冷板都保持了温度分布的均匀性。在低流速条件下（.，），冷板的高温区域面积较大，在实际应用中应注意。在低流速条件下，导热过程的影响变大，对流换热的作用减弱，相邻通道的流体之间相对换热量加大，高温区域的占比也相对扩大。随着流速增大，冷板的最高温度也显著降低，并联 型通道冷板的优势更加明显。内燃机与配件 图 时冷板在不同流速下的温度云图图给出了上述工况下冷板换热面的最高温度、平均温度、最大高低温差和温度标准差四种参数的变化情况。可以看出，低流速时，冷板的最最高温度、平均温度、最大高低温差和温度标准差四种参数都偏高。当流速由 增加至 时，冷板的最大温差和温度标准差分别降低 和 ；当流速继续增大时，各参数的变化减缓。冷板的换热面的温度标准差始终小于，并且当流速达到 （）时，冷板换热面的最大高低温差不超过，进一步证明了并联型通道冷板的均温性优势。（）最高温度与平均温度（）最大温差与温度标准差图流速对冷板换热面不同温度参数的影响 热流密度对冷板换热性能的影响热流密度意味着释热强度，对冷板的换热效果也有显著影响。图出了冷却剂入口流速（）时，冷板在不同热负荷（）条件下换热热面的温度云图。可以看出，随着热流密度增加，虽然冷板换热面的最高温度明显增加，但冷板保持了较好的换热换热均匀性，进一步证明其在不同工作条件下的良好综合换热特性。图 时冷板在不同热流密度下的温度云图图给出了上述工况下冷板换热面的最高温度、平均温度、最大高低温差和温度标准差四种参数的变化情况。可以看出，上述参数均随着热流密度呈近似线性变化。由此说明，在热流密度较高和较宽的范围内，冷板始终表现出良好的换热均匀性。因此，采用并联 型通道冷却锂离子动力电池可以充分满足电池在不同发热功率下对换热均匀性和温度极值的要求。图流速对冷板换热面不同温度参数的影响结论本文提出了并联型通道冷板的设计，利用数值计算方法了解了其换热特性，证明了并联型通道冷板具有展平受热面温度分布的能力，可以提高换热的均匀性，并得到以下结论：）流体在出入口附近的热量交换过程，是并联型通道冷板内部换热过程相对均匀的主要原因。）在较高和较宽的热流密度条件下，并联型通道冷板保持了较好的换热特性一致性及换热均匀性。）在不同流速下，并联 型通道冷板的温度标准差都小于，证明其温度分布相当均匀。参考文献：，（）：山彤欣，王震坡，洪吉超，等新能源汽车动力电池“机械滥用热失控”及其安全防控技术综述 机械工程学报，（）：，（）：，：，（）：，（）：