電池包鋁型材冷板流道性能分析與結構優化

張萬良　徐丹　黃愛輝

摘 要：鋰離子動力電池作為電動汽車的主要動力來源，在電動車輛的設計開發中具有舉足輕重的作用，但其性能受溫度影響較大。本文提出一種鋁型材液冷式鋰電池散熱結構，并用STAR-CCM+軟件通過正交實驗的方法分析了液冷板流道開槽深度對流量均勻性的影響。結果表明，合理的開槽深度可以提高液冷板內的流量均勻性，從而改善冷板的溫度均衡性。

關鍵詞：冷板;流道;結構優化;STAR-CCM+

1 引言

電動汽車由于其所具有的環境友好性，越來越受到人們的重視，其發展也呈現出蓬勃之勢。鋰電池由于其循環壽命長、安全性高等特點引起了越來越多人的青睞。然而，由于鋰離子電池的固有特性，溫度對其使用性能有著顯著的影響[1-3]。有文獻指出鋰離子電池的適宜工作溫度區間在10～30℃之間[4]。

因此，對鋰離子動力電池的工作溫度進行合理的控制，成為解決其性能、壽命與安全問題的關鍵。而相較于其他冷卻方式，液冷因其效率高，溫度響應迅速[5]，成為冷卻系統首選冷卻方式（表1）。液冷方式的選擇，決定了冷板成為電池冷卻系統中的關鍵零部件，冷板性能的差異在很大程度上決定了電池冷卻系統的差異。而流量均勻性作為衡量液冷板冷卻性能的一個重要指標，其對最終鋰電池冷卻效果有著重要的影響[6]。本文采用數值模擬及正交試驗的方法研究了液冷板開槽深度對流量均勻性的影響，以期為液冷板的結構設計提供可參考的模型。

2 研究對象

本文的研究對象為擠壓成型冷板（鋁合金型材），冷板整體厚度為10mm，內部中空，流道擋板通過擠壓成型。本文通過調整鋁合金型材的流道擋板開槽的深度，尋找對各流道均勻性的關鍵性影響因素，從而為后續冷板開發提供參考。圖1為冷板結構示意圖，圖2標記了流道內冷卻液流向。

3 研究方法

大多數工程產品的開發和改進均基于對影響產品性能的參數的系統分析，在STAR-CCM+中，可以通過設計管理器（Design Manager）自動完成產品的設計探索過程。本文基于STAR-CCM+軟件平臺，完成了從CAD模型建立、網格劃分、物理模型選擇、邊界條件定義、運算求解到設計優化的多步驟模擬，最終得到最優的冷板流道設計方案。

通過圖3可以看出，流道為S形結構，在每個180°折彎處（共計五處）均需要開槽以保證流道連通，其中L1、L2、L3分別為開槽深度尺寸。本文將冷板流道的開槽深度尺寸L1、L2、L3定義為設計變量（圖5），并將其變化范圍（40mm～60mm）和變化步長（5mm）作為約束條件（表2），目標函數設定為流道橫截面（圖5虛線所示）流速的標準偏差（公式1）和統一性（公式2）。

本文之所以采用表2中的約束條件，是綜合考慮了冷板加工工藝的限制。同時，為避免計算過程過于冗長，在滿足設計需求的前提下，將設計變量的變化步長設定為5mm。

通過以上設置，共可得到125組對應的設計參數組合。SATR-CCM+軟件將自動運行這些設計參數組合所對應的仿真模型，最終給出每組設計參數組合所對應的流速標準偏差φ與統一性。

4 結果與討論

本文將冷板隔板開槽深度為可以調整的參數，通過為L1、L2、L3設定變化范圍，得到共計125組對應尺寸（圖4）。進一步通過分析計算，一共得到兩組最優解，其設計參數分別為L1：45，L2：60，L3：45以及L1：55，L2：60，L3：45。此兩組設計參數對應下的各流道流量具有最小的標準偏差，即流道間的流量均勻性最佳。同時，也進一步得出一組最差解，其設計參數為L1：50，L2：60，L3：50。

進一步對數據進行控制變量法分析，我們可以發現：

① 當設置L1為固定值時，隨著其尺寸的增大，最優解的L2的尺寸為較大值（55、60），L3尺寸則表現為較小值（40、45）。

② 當設置L2為固定值時，隨著L2數值的增大，最優解的L1的尺寸較大（55、60），而其L3尺寸較小（40、45）。

③ 當設置L3為固定值時，隨著L3數值的增大，最優解的L1和L2尺寸均為較大值（55、60）（圖5）（圖6）。

從計算結果可以看出，L3尺寸較短時，各流道內的流量分配更趨向于均勻。較短的L3代表最外側流道的擋板尺寸較長，能夠較有效的阻止冷卻液集中流入最外側流道。圖7、圖8為最優解與最差解之間的對比。可以看出，冷板內各流道之間的流速分布并不均勻。通過調整流道隔板的開槽深度，我們得到圖6的仿真結果，流道之間的流速分布趨于一致，并且渦流區域有所減小。這樣，對于電池溫度均衡將起到積極的作用。由此推斷，在流道寬度、高度尺寸保持不變的情況下，通過更改流道隔板的開槽深度，將影響流道內流速分布均勻性。

5 結論

液冷冷板的性能分析和結構優化設計是液體散熱系統設計中的一個重要研究方向。本文結合擠壓成型冷板的結構特點，利用STAR-CCM+中的優化設計技術，通過設置變量與目標函數的方式，以隔板開槽深度（三個尺寸）作為設計變量，以流道間流量均勻性作為目標函數，最終獲得三個參數的最佳組合，并得出以下結論：

① 在隔板開槽深度的三個變量中，并不是某單一的變量起決定性作用，而是三者共同作用的結果。其中，L2為大尺寸時可以獲得較為優良的效果。

② 針對本文中的冷板結構，合理的隔板開槽深度（L1：45，L2：60，L3：45及L1：55，L2：60，L3：45）可以獲得良好的流量均勻性。

參考文獻：

[1]平平. 鋰離子電池熱失控與火災危險性分析及高安全性電池體系研究[D]. 中國科學技術大學，2014.

[2]梁金華，李建秋，盧蘭光，等. 純電動車電池組散熱必要性的初步分析[J]. 汽車工程，2012（07）：25-27.

[3]許守平，侯朝勇，胡娟，et al. 大規模儲能用鋰離子電池管理系統[J]. 電力建設，35（5）.

[4]張劍波，盧蘭光，李哲. 車用動力電池系統的關鍵技術與學科前沿[J]. 汽車安全與節能學報，2012（02）：5-22.

[5]董鋒. 液冷冷板內S型及S型加分流片流道仿真與優化[D]. 西安電子科技大學，2011.

[6]Chaofeng Pan，Qiming Tang，Zhigang He，et al. Structure Optimization of Battery Module With a Parallel Multi-Channel Liquid Cooling Plate Based on Orthogonal Test. International Journal of Heat and Mass Transfer[J]，2020，17（2）.