冷板通道排列方式的熱行為研究

王暉

摘要：隨著全球對汽車尾氣污染所帶來的氣候變化的不斷重視，以電力為唯一驅動能源的純電動汽車開始受到了關注。其中續航里程是電動汽車是否可以完全取代傳統燃油汽車的關鍵所在，為了能夠提高電動汽車的續航里程以及延長電池的使用壽命，一個高效的電池熱管理系統就顯得至關重要。本文通過對冷板內冷卻通道的排布方式進行研究發現，冷卻液流量、流向以及不同的通道數目，都會顯著的提高冷板的散熱效果。

關鍵詞：冷板;散熱;通道排列方式

0 ?引言

隨著全球變暖的不斷加重，以二氧化碳為代表的溫室氣體排放開始受到了各國的重視[1，2]。于是不以傳統石油作為直接能源的純電動汽車（EV）來替代傳統燃油汽車成為當今的主流趨勢?？紤]到當前電動汽車較多采用方形鋰電池作為動力來源，本文提出了一種針對方形電池的冷板散熱方式。

關于電池熱管理系統，一般分為傳統空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻三種。Pesaran[3]等人通過對液冷和空氣冷卻的對比發現，相同條件下的電池組，采用空氣冷卻的溫度要遠高于液體冷卻。而相變材料冷卻又存在成本高、加工難度大。于是液體冷卻開始受到了更多學者的關注和研究。

Yan[4]等人研究了方形電池之間有無冷卻板對電池溫度的影響發現，冷卻板可以有效的降低電池的溫度。Xun[5]等人研究了方形電池和圓柱形電池的冷卻效果比較發現，相同電池比和冷卻通道比的情況下，方形電池的冷卻效果更好。Kambiz Vafai[6]等人，提出了一種將冷板分為上下兩層的布置形式，通過對兩層通道結構的研究發現，雙層通道的壓力損失更低。在此基礎上，Zhai[7]等人研究了雙層通道的流向與不同布置形式對冷板的溫度的影響，發現雙層通道結構較單層效果要好。

雖然，當前有大量學者對液冷板的散熱進行了研究，但是對與冷板的流向、流量和單層雙層的綜合性比較的文章較少，故本文從這些角度出發，研究其對冷板的綜合影響。

1 ?數學物理模型

1.1 冷板模型

本文的研究對象為長寬高分別為118mm、63mm和3mm的冷卻板，其中冷板內部擁有五個通道，冷板采用底部發熱的形式。冷板材料為硅，冷卻液為水，硅材料參數如表1所示。冷板結構如圖1所示。

1.2 CFD評價公式

為了對冷板的冷卻效果進行評價，本文引入最高溫度、溫度標準差和壓力損失三種參數作為評價指標。其中，Pin、Pout分別代表進出口的壓力，壓力損失ΔP為：

其中，溫度標準差值為越小越好。

2 ?結果和討論

2.1 CFD網格獨立性分析

如圖2所示，隨著網格數量的增加，最高溫度呈先下降后升高的趨勢。而溫度標準差在超過75096后開始變得平緩。故本文認為網格數量為103020為最優方案。

2.2 流量對冷板溫度的影響

本節首先對冷板內部通道的流量進行模擬研究。

通過圖3可以看出，隨著流量的增加，最高溫度和溫度的標準差都呈下降的趨勢。

結合圖3與圖4可以看出，流量在1.2g/s時即有良好的最高溫度和溫度標準差，又有較低的壓力損失。故本文認為當流量為1.2g/s時效果最好。

2.3 流向對冷板的影響

通過對圖5（b）觀察發現，相同流向下，液冷板后部由于冷卻液溫度已經提升，故溫度較高。在此基礎上，本文考慮采用相鄰通道相反流向的方案。

通過圖5可以發現，流向的不同不僅使冷板的溫度標準差有所降低，同時也對最高溫度有所降低。其中，最高溫度降低值為1.7554K，溫度的標準差降低了2.105K。溫度標準差降低值約為52.66%，效果顯著。故本文認為，流向的改變會對冷板溫度的降低帶來較好的改善。

2.4 通道布置形式對冷板溫度的影響

通過圖6可以看出，隨著通道數量的增加，冷板的最高溫度降低了4.8917K，溫度標準差降低了0.664K。

考慮到冷板中間部分溫度較高，本文在此基礎上考慮將冷板內通道分為如圖7（b）所示的上下兩層的方式進行散熱。采用兩層的散熱雖然降低了單體通道內的流量的減少，但是由于采用了上下分層，使冷板兩側貼靠的電池都能得到良好的散熱。故采用上下兩層通道的布置方式較之前采用單層十通道的布置方式最高溫度下降值1.271K。

3 ?結論

通過對上述不同工況下的熱板進行CFD模擬發現：①流量的增加對最高溫度和溫度標準差有所改善，但是對壓力損失的增加也較為顯著;②相鄰通道內的流向不同時，冷板的均溫性和最高溫度都要更好;③增加通道數量和將單層通道改為雙層通道，都可以對冷板的溫度有一定的改善。

參考文獻：

[1]Sergio Manzetti，Florin Mariasiu. Electric vehicle battery technologies： From present state to future systems[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2015， 51.

[2]Jiateng Zhao，Zhonghao Rao，Yimin Li. Corrigendum to “Thermal performance of mini-channel liquid cooled cylinder based battery thermal management for cylindrical lithium-ion power battery” [Energy Convers. Manage. 103 （2015） 157-165][J]. Energy Conversion and Management，2018，155.

[3]A.A. Pesaran， Battery thermal models for hybrid vehicle simulations， J. Power Sources 110 （2） （2002） 377-382.

[4]Jiajia Yan，Qingsong Wang，Ke Li，Jinhua Sun. Numerical study on the thermal performance of a composite board in battery thermal management system[J]. Applied Thermal Engineering，2016，106.

[5]Jingzhi Xun，Rui Liu，Kui Jiao. Numerical and analytical modeling of lithium ion battery thermal behaviors with different cooling designs[J]. Journal of Power Sources，2013，233.

[6]Kambiz Vafai Lu Zhu.Analysis of two！layered micro！channel heat sink concept in electronic cooling[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer 42 （1999）2287-2297.

[7]Yuling Zhai，Guodong Xia，Zhouhang Li，Hua Wang. A novel flow arrangement of staggered flow in double-layered microchannel heat sinks for microelectronic cooling[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，2016，79.