鋰離子電池分岔水冷板結構研究及優化

張蘭春，章嘉晶，王天波，陳 茜

(江蘇理工學院汽車與交通工程學院，江蘇常州 213001)

目前，常見的散熱方式可分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和熱管冷卻。與其他冷卻方式相比，液冷散熱系統體積小、結構緊湊，具有較高的實用性。針對方形鋰電池主要采用含有內嵌流道的水冷板與電池表面貼合進行散熱。Rao 等[1]提出一種單進出水口的平行流道水冷板，且在分流處采用直角構型，會產生較大流動阻力。Yuan 等[2]通過仿真和實驗，從進口、出口方向對U 形流道水冷板結構進行優化。Panchal 等[3]提出一種多個進出水口的U 形微通道水冷板，并從通道數量、寬度、進出水口布局等方面研究。Jarrett 等[4-5]針對蛇形流道水冷板，以壓降、平均溫度為目標，通過調整流道位置、改變流道寬度進行分析優化。Wang 等[6]對樹型分岔通道網絡的流動特性和傳熱特性進行了數值研究，結果表明，通道數量、分岔等級的增加都能降低最高溫度，壓降與平行流道相比略高。Bahiraei 等[7]利用遺傳算法優化樹型分岔微通道結構，研究可知分岔結構各支路間的流場均勻，能有效提升電池的溫均性。Deng 等[8]提出一種葉狀分岔微通道水冷板，研究了進出水口數量、通道長度比、寬度比對換熱性能及能耗的影響。

平行流道結構簡單，通常單個進出水口就能滿足其管道內水流流動需求；U 形流道的流道較長，分岔流道則構型復雜，兩者大多都需要多個進出水口，使水流能快速擴散至各個流道進行散熱。不同流道匹配不同數量的進出水口，才能發揮各自的結構特點。因此目前研究常常側重于單種流道的幾何參數優化分析，將兩種流道結合的研究較少。將單進出水口平行流道與分岔流道相結合，能保證結構較為簡單的同時實現平行流道間區域的散熱，提升水冷板的換熱能力及溫均性，但能耗略有增加。

本文以單進出水口平行流道水冷板為基礎，引入微通道水冷板分岔結構，建立單進出水口分岔流道水冷板。對比研究兩種分岔流道水冷板支路流道寬度對電池散熱效果的影響規律；并進一步分析流道寬度、路徑對兩側分岔流道水冷板冷卻性能的影響規律。

1 液冷結構

本文采用國內廠家生產的38 Ah 方殼三元鋰離子電池為研究對象，單體電池的基本尺寸為120 mm×66 mm×27 mm，根據此尺寸設計水冷板。圖1 為兩側分岔流道水冷板(以下簡稱側分水冷板)結構示意圖；圖2 為中間分岔流道水冷板(以下簡稱為中分水冷板)結構示意圖；表1 為水冷板各參數含義。

圖1 側分水冷板結構示意圖

圖2 中分水冷板結構示意圖

表1 水冷板參數含義

2 數值計算方法

2.1 電池生熱機理及熱物性參數

Bernardi 等提出單體電池生熱率模型[9]為：

式中：V為電池單體體積；I為充放電電流；Eo為電池開路電壓；E為電池的端電壓；T為電池溫度；R為電池歐姆電阻；q為電池生熱速率。

本文主要比較不同構型水冷板的散熱能力，故將電池產熱等效為加載在水冷板上的平均平面熱流密度。根據Φ=Ph/S(Φ為熱通量；Ph為電池發熱功率；S為電池與水冷板接觸面積)計算可知，電池在3C倍率放電下的熱通量為2 500 W/m2。水冷板和冷卻液的熱物性參數如表2 所示。

表2 水冷板和冷卻液熱物性參數

2.2 邊界條件和網格獨立性測試

采用Fluent作為模擬仿真工具，基本控制方程包括質量守恒方程、連續性方程和動量守恒方程等。仿真的假設和邊界條件如下：假設內部流場中的流體不可壓縮、流體與固體之間無相對滑動；采用層流模型計算；電池與水冷板接觸面加載均勻的熱通量2 500 W/m2；其余4 個側面為空氣對流冷卻，對流換熱系數為3 W/(m2·K)。設置環境溫度為300 K；冷卻液進口設為速度入口，流速為0.17 m/s；出口為壓力出口，出口壓力為0 Pa。水冷板中冷卻液與管道壁面接觸面為流固耦合面。

利用ICEM 對模型進行非結構性四面體網格劃分，模型被分為固體區域和流體區域。通過對流體區域的網格進行加密，得到6 種不同網格數的網格模型。以表面最高溫度、壓降的計算結果作為衡量網格無關性的依據，結果如圖3 所示。綜合考慮仿真準確性和計算資源，最終選擇280 萬數量的網格模型。對水冷板劃分的網格如圖4 所示。

圖3 網格無關性驗證

圖4 水冷板網格劃分

3 結果與分析

3.1 支路流道寬度對分岔流道水冷板冷卻性能的影響規律

針對7 個尺寸方案(同一方案下，側分水冷板與中分水冷板的流道橫截面積相同)，對比研究同一方案下兩種水冷板對電池的散熱效果。表3 為不同方案下兩種水冷板支路流道寬度。由圖5 可知，隨著支路流道寬度增加，側分水冷板下電池的最高溫度、溫差均有明顯下降，寬度大于2.5 mm 時，最高溫度和溫差降低得非常有限。中分水冷板下電池的最高溫度、溫差隨支路流道寬度增加而上升。除方案一下側分水冷板的電池最高溫度、溫差高于中分水冷板，其余方案中側分水冷板下電池的最高溫度、溫差均低于中分水冷板，且隨著支路寬度的增加，兩者差距越來越大。因此在適當支路流道寬度下，側分水冷板對電池的散熱效果更好。綜合考慮側分水冷板的散熱效果、計算資源和成本，選擇方案五下的側分水冷板進行下一步優化設計。

圖5 不同方案中兩種水冷板下電池的最高溫度和溫差

表3 不同方案下兩種水冷板支路寬度 mm

3.2 次主流道總長度對側分水冷板冷卻性能的影響規律

由圖6 可知，靠近進水口的區域溫度較低，冷卻水吸收熱量后溫度上升，冷卻能力下降，則靠近出水口區域溫度較高。為進一步提升水冷板冷卻性能，縮小次主流道總長度d5，將三組支路及次主流道后移，加強出水口附近區域散熱。為保證流道橫截面積不變，將縮小次主流道總長度而減少的面積在支路流道上補足。

圖6 方案五下側分水冷板溫度云圖

不同次主流道總長度d5的水冷板下電池最高溫度和溫差如圖7 所示。綜合考慮水冷板冷卻效果及后續的優化，選擇d5=49.14 mm 進行下一步設計。d5=49.14 mm 時，側分水冷板下電池的最高溫度從308.010 K 降至307.925 K，溫差從5.018 K 降至4.865 K，兩者均有改善。

圖7 不同次主流道總長度的水冷板下電池的最高溫度和溫差

3.3 流道寬度對側分水冷板冷卻性能的影響規律

針對靠近出水口區域散熱不佳的問題，在流道橫截面積不變的情況下，沿進水口至出水口方向逐漸增加三組支路及對應段次流道的寬度，增大靠近出水口區域流道橫截面積，加強散熱。如圖8所示，依次增加支路流道寬度d1-1、d1-2和d1-3，次主流道寬度d4-1、d4-2和d4-3。設置d2＞d3，且d2與d3之間相差8 mm，使流道橫截面積更貼近出水口區域；d6為第三段次主流道長度，d6的長度根據流道截面積不變的原則計算得出。

圖8 調整流道寬度水冷板結構示意圖

由表4 可知，相同長度分布下，支路流道寬度和次主流道寬度增加得越均勻，最高溫度和溫差越小。上述方案中，冷卻效果最優的一組，最高溫度為307.883 K，與優化前307.925 K相比降低了0.042 K；溫差為4.768 K，與優化前4.866 K 相比降低了0.098 K。最高溫度、溫差提升效果均不明顯。

表4 相同長度分布下不同流道寬度仿真結果

由圖9 可知，流道寬度逐漸增大，導致流道內水流流速降低，出現較大面積的流動死區，使針對靠近出水口區域而增大的流道面積，不能充分發揮其散熱功能，致使優化效果不佳。

圖9 調整流道寬度水冷板流速云圖

3.4 流道路徑對側分水冷板冷卻性能的影響規律

針對上述方案優化效果不佳的問題，在靠近出水口區域，增加流道路徑提升水冷板的冷卻性能。如圖10 所示，適當減小次主流道寬度，提升流道內水流流速；在第二、第三組支路之間和第三組支路與外框主流道之間分別增加一組軸對稱的次支路流道(流道橫截面積保持不變)；次支路與支路流道間夾角為W；第一組次支路流道中，右側流道最低點為A，第二組次支路流道中，右側流道最低點為B。隨著W改變，A、B 兩點的位置變化可忽略不計，因此可保證位置因素的一致。

圖10 增加流道路徑的水冷板結構示意圖

在相同流道橫截面積、位置因素和兩組次支路流道橫截面積分配一定的情況下，提出5 個角度，探究夾角W對水冷板冷卻性能的影響。由圖11 可知，當夾角小于45°時，角度越小，最高溫度和溫差越小。如圖12 可知，夾角越小，次支路流道越靠近出水口，則從支路流入次支路流道的冷卻水溫度就越低；同時夾角越小，次支路流道越長，能對更大區域產生冷卻影響，達到更好的散熱效果。

圖11 不同夾角水冷板下電池最高溫度和溫差

圖12 夾角為20°水冷板的溫度云圖

本文研究的角度中，夾角為20°時，水冷板下電池的最高溫度為307.741 K，溫差為4.662 K，與優化前比較，最高溫度降低了0.184 K，溫差降低了0.204 K，壓降僅上升3.04%。在3C高倍率放電下，該水冷板能將電池最高溫度控制在40 ℃以下，溫差控制在5 ℃以內，具有良好的散熱性能和溫度均勻性。

3.5 水冷板異向進出口布置方式

針對圖12 水冷板靠近出水口區域溫度高的問題，在電池組中布置水冷板時，采用異向進出口的布置方式，如圖13。

圖13 異向進出口布置方式結構示意圖

將原水冷板與增加流道路徑水冷板分別按上述方式布置在兩組電池組中，由圖14 可知，使用優化水冷板的電池組溫度分布更均勻，高溫區域更少，因此優化水冷板具有良好的散熱能力，能提升電池組溫度均勻性，進而延長電池的使用壽命。

圖14 不同水冷板下電池組溫度云圖

4 結論

(1) 隨支路、次主流道寬度增加，兩側分岔流道水冷板的散熱性能、溫均性均有提升；中間分岔流道水冷板的散熱性能、溫均性下降。在適當流道寬度下，兩側分岔水冷板具有更好的散熱效果。

(2)通過增加高溫區域流道寬度，重新分配散熱面積的方案，對水冷板冷卻性能提升不明顯。

(3)增加高溫區域流道路徑能較好地提升水冷板的冷卻性能，在一定限制條件下，增加的次支路流道與支路流道間的夾角越小，水冷板的散熱效果越好。在本文研究范圍內，夾角為20 °的水冷板具有較強的散熱能力，能將3C倍率放電的電池的最高溫度控制在40 ℃以下，溫差控制在5 ℃以內。