基于非均勻翅片液冷板的電池熱管理性能研究

溫達旸，趙榮超，葉 鳴，李巍華

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510641；2.廣州華工機動車檢測技術有限公司，廣東廣州510641)

動力電池是推動電動汽車迅速發展的關鍵部件，其最佳工作溫度范圍為20～40 ℃[1]，在過高或過低的溫度條件下充放電將對鋰電池的效率、壽命和安全性產生負面影響。在充放電過程中，由于電池自身產熱導致電池溫度升高，因此需要對其進行熱管理，將電池熱量傳遞到環境中，同時保持電池組的溫度均勻性。一般認為，電池組內部溫差應小于5 ℃[2]，否則在充放電循環中，電池單體間的容量及功率衰退程度將產生顯著差異。

電池熱管理方法包括風冷、液冷、熱管、相變材料冷卻以及這些方法相結合的方法。其中液冷方法由于對流換熱系數較大而優于風冷，同時復雜性和成本低于相變材料冷卻和熱管冷卻，目前廣泛應用于乘用車。并行微通道是當前液冷板所采用的主要設計方式，其優點在于可大幅降低通道內壓降。HUO 等[3]對平行通道冷板的冷卻性能進行了數值研究，結果表明，最高溫度隨并行通道數和質量流量的增加而降低。為進一步降低微通道中的壓降損失，HUANG 等[4]對并行微通道開展了流線型設計，使壓降從6 581 Pa 降低到3 877 Pa，且不影響冷卻性能。JIN 等[5]提出了一種新的結構，通過在流動通道上增加斜翅片增強傳熱。實驗結果表明，在熱負荷1 240 W、流量小于0.9 L/min 的情況下，電池表面平均溫度可維持在50 ℃以下。李瀟等[6]提出了一種基于對角雙向流道結構的液冷板設計方案，使電池組的最大溫差為2.4 ℃。王文豪等[7]提出了一種基于雙層分形微通道的液冷板，通過優化使最高溫度下降了0.51 ℃，溫差下降了1.7 ℃，進出口壓差降低了176 Pa。評價液冷板性能的主要參數包括最高溫度、溫差、壓降和冷卻板質量等，其中流動壓降直接影響水泵功耗。為了獲得最優的性能參數，LI 等[8]開展了微通道液冷板的多目標優化設計，將溫差降低5.7%，壓降損失降低44.53%。DENG 等[9]基于遺傳算法對雙層液冷板結構開展了優化，綜合考慮最高溫度、溫度標準差和流動壓降。

為了同時降低電池的最高溫度、溫度差異、流動壓降和液冷板質量，本文提出了一種新穎的非均勻翅片液冷板結構。通過實驗測試獲得了電池在5C放電倍率下的產熱率，運用Fluent 軟件建立了液冷板與電池的熱管理仿真模型，基于仿真模型研究翅片直徑變化規律對最高溫度、溫度標準差、壓降及液冷板質量的影響，獲得翅片直徑的最優變化規律，并與傳統并行微通道液冷板的性能進行了對比。

1 實驗及數值方法描述

1.1 電池產熱

本研究采用的電池單體為鋰聚合物方形軟包電池，如圖1所示。表1 展示了電池單體主要參數：電池容量為22 Ah，標稱電壓3.8 V，最大連續放電電流7.6C；充放電截止電壓分別為4.35 和3.0 V。

圖1 鋰聚合物電池單體

表1 電池單體參數細節

鋰電池在充放電工況下產生大量熱量，為了保證CFD 結果的準確性，需要對產熱率進行計算。假設電池內部產熱均勻，其產生的熱量可以用式(1)進行計算[10]：

由于電池內阻的原因，路端電壓與電池電動勢之間有差別。內阻包括歐姆電阻(RΩ)和極化電阻(RP)。方程的第一項可以改為內阻形式表示，如式(2)所示：

熵熱系數為計算反應熱的關鍵參數，表征開路電壓隨環境溫度的變化程度，其在不同荷電狀態下數值不同。電池等效電路模型可用Thevenin 模型表示，如圖2所示，其中UOC為電池開路電壓，RO為電池歐姆內阻，RP為電池極化內阻，電容CP描述極化內阻的超電勢。本研究通過混合脈沖功率表征(HPPC)實驗測得鋰聚合物電池在不同SOC下的內阻，通過在不同荷電狀態下改變環境測試箱溫度測得電池熵熱系數，從而校核電池產熱率，實驗平臺如圖3所示。

圖2 Thevenin等效電路模型

圖3 電池充放電測試設備

1.2 流動傳熱耦合模型

在仿真設置中，冷卻板材料設為鋁，采用水作為冷卻劑，將流體視為不可壓縮，液冷板視為各向同性。微通道內的流動滿足質量和動量守恒，如式(3)～式(4)所示：

此外，流道中冷卻液的能量守恒方程如式(5)所示：

式中：ρl為冷卻液密度；cp,l為冷卻液比熱容；T為冷卻劑溫度；v為冷卻液速度；kl為冷卻劑的導熱系數。

電池內部的能量守恒方程如式(6)所示，左邊一項為電池內部熱能的增量，右邊的第一項表示通過熱傳導傳遞的能量，右邊的第二項是電池單體內的熱源，由式(2)得到。

如圖4所示，使用ANSYS workbench 17.0 軟件建立流固兩相網格，采用四面體和結構網格對冷卻板和電池模型進行離散，并在壁面附近建立五層邊界層以捕捉邊界層內的流動。為提高計算效率，在對稱面上應用對稱邊界條件以減少計算量，同時給出進口溫度和質量流量作為進口邊界條件，在出口邊界施加靜壓。入口冷卻液溫度設定為298 K，進口冷卻劑的質量流量為0.004 kg/s。為平衡計算誤差和計算成本，進行了網格獨立性分析，選用網格數為738 000 的網格進行計算，如圖5所示。

圖4 模型網格及邊界層展示

圖5 網格獨立性分析

本研究采用四個指標對冷卻板的性能進行評價，用電池最高溫度決定電池工作工況上限，用電池與冷卻板接觸面溫度標準差表征電池單體溫度均勻性，用冷卻液壓降反映驅動冷卻系統所需的泵送功率，用液冷板質量表征液冷板設計的輕量化性能。

2 液冷板參數化研究

在非均勻翅片液冷板設計中，冷卻液的進出口呈對角布置，圓柱形翅片按每行三個，每列七個布置，如圖6所示。允許的最大翅片直徑如式(7)所示，其中W為液冷板內部寬度，L為液冷板內部長度，m為每一行的翅片數目，n為每列上的翅片數目。

圖6 液冷板結構

引入了歸一化直徑，以表征翅片的相對尺寸，如式(8)所示，其中d為翅片的實際尺寸。因此，dr=1 表示該流道被翅片填滿，dr=0 表示翅片在該位置不存在。

本文研究中規定翅片直徑在X或Y方向上呈等差分布，因此，沿X、Y方向的最大遞增或最大遞減量受到限制，如式(9)和式(10)所示：

為表征翅片直徑的變化程度，定義翅片歸一化直徑增量，如式(11)所示，其中δ為相鄰翅片直徑實際變化量。因此，δr=0表示所有翅片直徑相同，δr=1 表示變化程度達到允許范圍內的最大值。

3 結果與討論

3.1 固定幾何翅片液冷板的性能分析

本節將分析討論固定幾何翅片方案中翅片歸一化直徑(dr)對液冷板性能的影響。圖7(a)顯示了歸一化翅片直徑在0.3～0.8 時對應的最高溫度和溫度標準偏差，隨著直徑增大，最高溫度從34.047 ℃線性減小到32.618 ℃，但冷卻液壓降及液冷板質量迅速增加，如圖7(b)所示。dr=0.8 時的壓降是dr=0.3時的283.7%，這表明在固定幾何翅片設計下，需要更大的泵送功率才能獲得良好的冷卻性能。歸一化直徑從0.3 增大到0.8 時，電池表面溫度變化如圖8所示。與大直徑設計相比，小直徑設計左下角溫度明顯升高，原因是當翅片直徑較小時，缺乏足夠的冷卻液到達遠離通道中心的區域。相反，大翅片使得冷卻液在微通道內流動均勻。此外，翅片中心區域相比周圍區域冷卻性能稍差，如圖8(f)所示。綜上所述，隨翅片尺寸增大，冷卻性能改善，但壓降和質量也大幅增加。

圖7 液冷板性能指標隨歸一化直徑變化函數關系

圖8 不同直徑翅片設計下電池表面溫度云圖

3.2 非均勻翅片液冷板的性能分析

單純增大或減小翅片直徑無法同時兼顧冷卻、壓降和質量，本節將研究非均勻翅片冷卻板的性能。圖9 為翅片直徑沿X方向和Y方向變化時對應的最高溫度和溫度標準差。當歸一化直徑增量（δr）值為正值時，表示沿此方向翅片直徑增大，反之為直徑減小。如圖9所示，X方向存在一個最佳值，使其最高溫度與溫度標準差最優。而在翅片直徑沿Y方向遞增的設計中，最高溫度略微下降，溫度標準差變化較小。圖10 則顯示了冷卻液壓降、液冷板質量和δr的函數關系，增大直徑變化程度會引起壓降和質量顯著增大。

圖9 歸一化直徑變化時液冷板溫度性能指標

圖10 歸一化直徑變化時液冷板壓降及輕量化性能指標

圖11 比較了X方向變直徑設計下電池表面的溫度輪廓。歸一化直徑增量δr=0.4 與δr=0.7 的設計左下角和右邊緣溫度偏高。其原因為在δr=0.4 的設計中，冷卻液主要通過冷卻板的中心。當δr增大到0.7 時，流體的不均勻分布加劇，且壓降升高。而在δr=-0.4 的設計中，冷卻板上部區域溫差相當大。當δr=-0.7 時，三分之一的冷卻板區域溫度達到32 ℃以上，原因是第一列的大直徑翅片使冷卻液大量分布到冷卻板的右側。可見X方向變直徑的設計下流體分布不均勻，溫差控制不夠理想。

圖11 翅片直徑沿X方向變化時電池表面溫度云圖

圖12 為翅片直徑沿Y方向變化時的電池表面溫度輪廓。在歸一化直徑增量δr=0.4 設計中，電池整體溫度控制在32 ℃以內，冷卻液分布均勻，冷卻效果優良。對于δr=0.7的設計，溫度控制程度更優。而對于翅片直徑沿Y方向遞減的設計，電池上部區域溫度均勻性較差，左下角流速較低，冷卻效果欠佳。

圖12 翅片直徑沿Y方向變化時電池表面溫度云圖

綜上，歸一化直徑可變設計與固定直徑設計相比，沿Y方向增加直徑的翅片具有較大的溫度控制潛力，且壓降和質量性能也有所改善。

3.3 非均勻翅片與并行微通道液冷板性能對比

在上述研究方案中，當翅片直徑沿Y方向遞增，歸一化直徑增量為δr=0.4 時，液冷板性能最優。取此方案與并行微通道設計進行對比。二者性能指標對比如表2所示，液冷板質量從56.13 g 減輕至39.07 g，下降30.39%；功耗從3.48 mW下降至3.09 mW，下降11.2%；電池最高溫度從33.2 ℃下降至31.87 ℃，改善4.01%；電池與冷板接觸面溫度標準差由0.957 2 ℃下降至0.926 2 ℃，改善3.24%。如圖13所示，相比于并行通道液冷板設計，非均勻翅片液冷板對角與邊緣溫度控制效果明顯改善，中央區域溫度更低，不良散熱區域更小。

圖13 最優變直徑翅片設計與并行微通道設計溫度云圖對比

表2 最優變直徑翅片設計與并行通道設計性能指標對比

4 結論

本文提出了一種新穎的非均勻翅片液冷板設計，以實現控溫效果好、功耗低、質量小的目標。論文通過實驗測試方法獲得了5C放電下的電池產熱率，基于計算流體動力學方法研究了固定幾何翅片、沿X方向非均勻翅片和沿Y方向非均勻翅片設計對液冷板性能的影響，結果表明翅片直徑沿Y方向遞增設計與其他設計相比取得了更好的性能。研究獲得的結論如下：

(1)對于固定幾何翅片設計，僅增加或減少翅片直徑不能同時降低最大溫度、溫度標準差、壓降和冷卻板質量，需要在各項性能指標之間進行取舍；

(2)與固定幾何翅片和沿X方向非均勻設計翅片相比，翅片直徑沿Y方向遞增的設計在降低溫度、壓力損失和質量方面具有更大的潛力；

(3)與傳統并行微通道液冷板相比，最優變直徑液冷板設計使質量、功耗、溫度標準差和最高溫度分別降低30.39%、11.2%、3.24%和1.33 ℃。