微通道結構熱管理數值建模教學與科研實踐

陳 勇，黃 瓊，王 偉，謝 波，顏 為

（1.重慶理工大學車輛工程學院，重慶 400054；2.重慶市清華中學8校，重慶 400055）

前言

隨著傳統能源的緊缺和環境問題的日益突出，傳統能源汽車的發展受限，新能源汽車越來越成為人們關注的熱點。目前最常見的新能源汽車主要是電動汽車，電池包作為新能源電動汽車的核心部件，電池散熱板的散熱會直接影響到電池性能甚至整車安全性。為了讓學生深入學習散熱板溫度變化對整個電池包的影響，僅通過課堂理論教學是完全不夠的，還需通過實踐來提高。

隨著計算機技術的發展，數值模擬已成為探索基礎研究、分析實際工程問題不可缺少的工具。將數值模擬引入到學生實踐教學中，不僅可以把抽象、枯燥的理論知識直觀化、動態化、簡單化，可通過觀摩直觀的模擬演示過程， 增強學生的感性認識；還使得學生對知識有了更深入的理解，無形之中激發學習興趣，在興趣的主導下，變被動為主動地學習知識；甚至還可以鼓勵學生切實參與到科研實踐項目當中，開展初步的探索性研究工作，從而幫助學生獲得科研的基本研究技能，并在實踐過程中培養學生的創新意識和能力[1-2]。

1 微通道熱管理結構認知

電動車動力電池包的熱管理系統主要通過控制動力電池溫度使其工作環境溫度處于最佳充放電溫度內，避免因工作環境溫度過高或過低引發動力電池組的熱失控問題，從而進一步提升純電動汽車的整體性能。按傳熱介質分類，較為常見的動力電池熱管理方案有相變材料冷卻、空氣冷卻、液體冷卻等。隨著大容量電池技術的發展，空氣冷卻已經不能滿足電池組的散熱需求，液冷成為目前的主要冷卻方式。典型液冷系統原理圖如圖1所示。

圖1 液冷系統原理圖

考慮到書本上傳統的熱結構不便于學生理解，因此結合典型工程實例，如雪佛蘭Volt電動汽車電池包的熱管理結構，讓學生自己熟悉和了解微通道冷卻思路。通過雪佛蘭Volt微通道冷卻板（圖2）實例，學生很容易了解了微通道散熱器的特點與優勢，如乙醇冷卻液的流動回路、冷卻板的結構設計等。

圖2 雪佛蘭Volt冷卻液通道

2 微管道幾何模型實踐

將三維軟件CATIA中建立的多孔電池板幾何模型導入ANSYS Workbench/Design Modeler模塊中，單擊generate生成幾何體，在Tools工具欄中選擇Fill功能，在Details View中單擊Faces的選擇欄，使用面選擇器選擇所有冷卻液管道的流固耦合面，軟件自動識別選中的表面并對其進行填充，生成固體管道區域內的流體區域，單擊generate，左側Tree Outline中顯示多出來與冷卻液管道數目相同的 Parts和Bodys，切換為題選擇器，在模型區域單擊右鍵，選擇Select All，選中所有Bodys后，單擊左鍵，點擊Form New Part讓幾個區域合成為一個Part，使流體區域和固體區域在網格劃分時可以在接觸面自動生成節點共享的網格，方便后期定義流固耦合面，計算冷卻液和電池散熱板固體區域的熱量和載荷傳遞。通過講解，讓學生熟悉CATIA軟件，由淺入深，最終順利建立微通道冷卻板的幾何模型，如圖3所示。

圖3 微通道冷卻板三維幾何模型建立

3 CFD仿真模擬的嵌入思路

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是以三大基本守恒定律為基礎，用離散化的數值方法，通過計算機數值計算和圖像顯示，定量描述流場數值解，進而對物理問題進行研究的一門學科。電池包的熱量傳遞和溫度分布規律，主要涉及到傳熱學，而其理論性較強、基本概念抽象，通過單純的理論教學，學生很難深入理解。CFD結合傳熱學能夠較為準確地模擬電池包內部溫度場分布，能夠準確地對電池熱特性進行仿真，目前CFD對溫度場的分析在科學研究和工程應用上使用也較為廣泛。因此將CFD引入到的微通道電池包熱管理數值建模教學實踐中，既能讓學生直觀地了解電池包的熱量傳遞和溫度分布，又能幫助學生自主學習，培養興趣。

4 實驗研究案例

4.1 問題描述和分析

針對某方形軟包電池，指導學生對帶有微通道的散熱板的熱量傳遞和溫度分布進行熱分析，給學生提供的電池包模型見圖4。微通道電池散熱板的散熱過程可以看成是熱傳遞中典型的流固耦合傳熱。在數值分析中，為簡化模型，選取其中一個散熱板為分析對象。由此，學生比較容易完成數值建模。

圖4 電池包模型

微通道為冷卻液流域，為流體域，散熱板其余部分為固體域。散熱板長度為175 mm，寬度為75 mm，厚度為5 mm，進出口數量1個。流體域距離散熱板上下兩側寬度為10 mm，多孔結構兩流道孔之間的距離為20 mm，流體域距離散熱板側面寬度為5 mm，冷卻液入口孔徑為3 mm，流體域寬度為65 mm，流體過渡區域為了減小流體阻力倒圓角R=4 mm。散熱板固體域與流體域網格分別劃分，在流固邊界進行了網格連接，在流體入出口以及邊界處進行了網格細化。讓學生自主學習軟件，有問題隨時與老師交流，最后學生完成的網格劃分整體效果見圖5。

圖5 散熱板網格模型

本節研究的液冷方式的多孔電池散熱板的散熱性能，所以要使用入口流速來計算。根據雷諾數計算方程式（1），計算本文應使用的黏性模型。

式中，ρ為流體的密度，單位是kg/m3；v為多孔冷卻液入口流體速度，單位為m/s；μ為流體運動的黏度，單位為Pa/s；l為流體區域的長度，單位為m。

本文將多孔電池散熱板入口水溫設定為10攝氏度即283 K，文獻[3]中水的物理參數在此時的密度為999.730 kg/m3，動力黏度μ的大小為1304.280。入口流速設定為0.1 m/s，當采用圓管傳輸流體時，流體長度取管道直徑D，本文采用矩形管道進行流體傳輸，因此特征長度取當量直徑（Dd）。當量直徑的計算公式如式（2）所示：

式中，A和B分別為矩形管道的長與寬，單位m。帶入參數值計算出雷諾數Re=11302，因此選擇湍流形式。根據工程實踐，本文采用K-epsilon標準湍流模型，流體采用液態水，散熱板固體材料采用鋁，并定義了如下邊界條件：入口流速設置為0.01 m/s，溫度設置為283 K，出口定義為基于壓力出口。電池散熱板除熱源面外均設置為普通壁面，溫度為295 K。將熱源面溫度設置為320 K，輻射系數Heat Flux設置為0.2 W/m2。將劃分好的多孔電池散熱板網格模型導入到Fluent軟件中，對材料屬性進行定義，同時在Mesh→Check功能中對多孔電池散熱板網格模型進行質量檢測，目的是查看是否出現負體積。在仿真過程中如果出現負體積需要對多孔電池散熱板網格模型進行重新劃分。設置仿真時的相關條件和參數。通過這些數值建模，讓學生不僅學會了軟件操作，完成了fluent數值建模，更讓學生明白完成了實際電池包散熱結構的簡化處理過程和熱處理分析理論基礎。學生的積極性大大提升，表示后續可以進一步結合仿生原理，對更多復雜的新型熱管理結構進行數值建模。

4.2 結果與討論

對上述模型進行計算，得出整個微通道散熱板的速度分布、溫度場分布分別如圖6、7所示。從X-Y截面溫度場圖中可以看出微通道的出口溫度要高于入口溫度，這說明冷卻液吸收了電池產生的熱量而使自身溫度提高；從圖6速度分布圖中可以看出越到中部，管道流速越低，從圖7可以看出越到中部溫度越高，這說明中間管道里的液體流動緩慢無法很好地吸收電池所產生的熱量，導致中部熱量難以傳遞。根據溫度場可以看出，當設定環境溫度為293 K時，采用平行橫管多孔散熱板結構時從電池方向傳導到散熱板上的最高溫度為315 K，散熱板冷卻液入口處溫度最低283 K，出口處溫度約為300 K。

圖6 X-Y截面速度分布

圖7 X-Y截面溫度場

通過計算結果的展示，可以讓學生更直觀地了解微通道散熱板的熱量傳遞和溫度變化規律。另外還可以引導學生分析，采用此種平行橫管散熱時由于速度不能均勻分布會導致電池中部的部分處于高溫環境中，長期的溫度差異會導致電池壽命的衰減，引發安全事故，要使電池單體更好更安全地工作需要改善多孔電池散熱板的結構，來確保電池單體在合適的溫度環境內工作。學生根據計算結果，不僅了解了微通道熱分析過程，對熱管理結構和數值分析軟件表現出濃厚的興趣，還自發提問和總結，工程實例中熱管理結構使用時該注意什么條件，激發了學生的科研興趣，取得了很好的效果。

5 結語

目前，無論在科學研究中，還是在工程實際中，都離不開數值分析軟件的使用。因此，通過微通道電池包熱管理數值建模教學實踐，一方面可以引導學生進一步學習電池包的 傳熱過程和溫度分布規律，另一方面可以使學生更好地掌握數值分析軟件的使用，同時提高其科研水平和創新能力，激發學生的教學和科研興趣，為學生下一步的學習深造和步入行業工作打好基礎。