基于斜翅片型液冷板的流動和傳熱研究

近幾十年來，隨著能源危機加劇和全球氣候變暖，新能源汽車得到大力發(fā)展。而動力電池作為新能源汽車的核心零部件，其安全性和工作性能都極大地影響著整車的安全和運行。研究表明，工作溫度對鋰電池的性能和使用壽命有著極大的影響。對于電池來說，最佳工作溫度區(qū)間為 18～35℃。因此，需要通過高效的熱管理系統(tǒng)設計，使其工作在合適的溫度區(qū)間，以保證動力電池的使用效率和使用壽命最大化。

根據(jù)所用冷卻介質的不同可將電池熱管理系統(tǒng)分為風冷、液冷、直冷、相變材料冷卻、熱管冷卻以及以上幾種方式的組合。其中，風冷系統(tǒng)因空氣對流換熱效果一般、導熱性能差而導致系統(tǒng)整體散熱效果較差；對于大部分相變材料來說，在吸熱熔化時都伴隨有毒氣體的產生，對熱管理系統(tǒng)的密封性是一個巨大的挑戰(zhàn)；液冷系統(tǒng)相對來說較容易實現(xiàn)，其結構簡單容易制作，并且擁有比空氣冷卻更好的散熱性能[2]。因此，液冷是目前動力電池熱管理系統(tǒng)中運用最廣泛的一種散熱方式，其主要工作原理是利用冷卻液在液冷板流道中的流動將熱量帶出，從而達到降低電池溫度的效果。對于傳統(tǒng)矩形直流道來說，隨著流道內流體流動穩(wěn)定后，壁面處會產生較厚的流動邊界層和熱邊界層，使壁面處的對流換熱系數(shù)逐漸降低，液冷板的整體換熱性能下降。為了設計高效的液冷板結構，學者們進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)可以利用多種強化傳熱手段，如多種納米流體混合[3-6]、優(yōu)化液冷板內流量分布[7-9]及利用擾流元結構[10-14]等來強化傳熱。

隨著對增強液冷板傳熱性能的深入研究，發(fā)現(xiàn)在流道內部增加擾流元結構可以使液冷板具有更好的散熱能力及較低的壓降。H.CHOI等[15]提出一種新型帶翅片結構的液冷板，改善了電池模組溫度分布梯度，相比傳統(tǒng)無翅片直流道電池，溫差降低19.07% 。J.QIU等[16]研究發(fā)現(xiàn)，具有斜翅片結構的微通道雖然可以增強液冷板的傳熱性能并且降低流動的不穩(wěn)定性，但是也會導致壓降增加。由此提出一種階梯式斜翅片微通道結構，該結構綜合了斜翅片結構和階梯結構的優(yōu)點，與傳統(tǒng)矩形微通道相比具有更高的傳熱系數(shù)與更低的壓降。F.ZHANG等[17]發(fā)現(xiàn)斜翅片的排列方式（交錯型、對齊型）、斜翅片角度等，在不同流量下對散熱性能有較大影響。交錯型流道在流量小于 3.5g/s 時散熱性能優(yōu)于對齊型流道，在流量超過 3.5g/s 后壓降會急速升高。在混合納米流體對斜翅片液冷板散熱性能影響的研究中，M.A.SHEIK等[18]通過對比水和 納米流體在不同斜翅片高度下的散熱性能發(fā)現(xiàn)，斜翅片高度為 1.5mm 時有最高的傳熱效率。增大有效的對流換熱面積可以提高換熱器的散熱效率，改變流體的流動形式也是增強換熱能力的重要手段[19]。為了進一步研究斜翅片結構對液冷板熱力性能的影響，李龍輝等20提出對翅片長度、角度、中心距離及兩出口距離進行多目標優(yōu)化。段志勇等[21]采用正交試驗法，篩選出對流道結構的冷卻性能影響較大的4個結構因素作為設計變量，然后再利用遺傳算法進行尋優(yōu)。

綜上所述，目前對于翅片型液冷板的熱力性能研究大多集中在翅片的結構參數(shù)優(yōu)化，從而達到提升對流換熱系數(shù)的目的[22-28]，或對不同類型翅片熱力性能進行對比[29-33]，從而找出最優(yōu)的翅片結構。以上方法可以高效地找到高換熱效率的最優(yōu)結構參數(shù)組合，但較少涉及翅片相關參數(shù)對液冷板熱力性能的影響機理以及翅片偏流現(xiàn)象的解決方案。本研究提出了一種適用于鋰電池包內液冷系統(tǒng)的新型高效換熱斜翅片型液冷板結構，通過對斜翅片流域的分區(qū)解決了斜翅片結構的大規(guī)模偏流現(xiàn)象，從而極大降低了被冷卻物體的局部溫度偏差。通過正交試驗法和極差分析找出對液冷板熱力性能最為關鍵的結構參數(shù)。最終從機理上分析該參數(shù)對液冷板熱力性能的影響原因和趨勢，得出一般規(guī)律。

1模型結構及研究方法

1.1斜翅片液冷板結構的建立

斜翅片結構流道的液冷板整體結構如圖1所示，流道由液冷板下底板、斜翅片及上蓋板組成。其中流道部分是由7個單獨的流道組成，每個流道內部由32個大小形狀完成相同的斜翅片組成，總共分為兩排，每排16個斜翅片，每個斜翅片的斜角都為 ，以此來破壞工質流動邊界層使其始終處于發(fā)展狀態(tài)。液冷板的結構參數(shù)如表1所示。

斜翅片液冷板的材料為鋁，工質為乙二醇水溶液，熱物性參數(shù)如表2所示。

為了排除隨機變量的影響，考慮到所研究模型的實際情況，對所建模型進行如下簡化假設：1）數(shù)值模型為穩(wěn)態(tài)計算；2）冷卻液和電池的熱物性參數(shù)不隨溫度的變化而變化；3）電池和冷板均與外界無對流換熱。冷卻液進口溫度為 。

1.2數(shù)值模擬方法及網(wǎng)格獨立性驗證

在進行研究之前，為了消除因網(wǎng)格誤差帶來的影響，對網(wǎng)格獨立性進行驗證?？紤]到斜翅片結構的復雜性，用Fluent進行面網(wǎng)格劃分時采取三角形網(wǎng)格，體網(wǎng)格則是采用多面體網(wǎng)格，并且在邊界層和尖角處進行細化，如圖2所示。本次研究采用雷諾數(shù) R e=200 ，斜翅片高度 工況進行網(wǎng)格無關性驗證。驗證網(wǎng)格數(shù)分別為510065，689923，1143286，3390645，4677811，6542308， 對比液冷板壓降 和電池包內電池表面溫差 ，驗證結果如圖3所示。從計算精度和時間的角度考慮，本研究采用網(wǎng)格數(shù)4677811來進行模擬計算。

的計算公式如下：

式中： 為液冷板入口平均壓力； 為液冷板出口平均壓力。

在求解設置中，采用基于壓力法的求解器進行求解，由于SIMPLEC算法對于不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)計算具有較好的收斂性，因此選擇SIMPLEC算法對液冷板內流體的速度、壓降及溫度變化進行計算。終止計算條件為連續(xù)方程和動量方程的殘差均小于 ，能量方程殘差小于 。達到終止條件后終止計算并視為迭代收斂。由于本研究采取的體網(wǎng)格為多面體網(wǎng)格，為了保證計算精度，在求解器計算時選用二階迎風離散格式進行計算。

1.3單電池導熱模型驗證

本研究以某新能源公交車所使用的 104A？h 方形磷酸鐵鋰電池為研究對象。將該電池置于 恒溫箱中，從 50C100% 起始狀態(tài)以1C倍率放電至 S O C20% ，并使用溫度采集儀監(jiān)測電池表面8個典型位置處的溫度變化，將試驗結果與仿真結果進行對照分析，以驗證電池熱仿真模型的準確性。在圖4所示的8個典型位置處布置了K型熱電偶溫度傳感器，對比8個位置點的溫度平均值與本研究所建數(shù)值模型的仿真結果，如圖5所示，試驗數(shù)據(jù)和仿真結果的最大誤差小于 3.5% ，證明電池熱仿真模型準確可靠。本次試驗選用騰川可程式恒溫箱，溫度范圍在 -40～150C 之間，溫度精度控制在 以內，該設備的標準使用功率為 4kW 。溫度采集儀選用KSE36AOR溫度采集儀，標準模式下可采集溫度范圍為 ，溫度精度控制在 以內。采集溫度所用的傳感器為K型熱電偶。

圖6示出電池在 下以1C倍率放電時，SOC從 100% 降至 20% 過程中電池產熱功率變化。在后續(xù)的數(shù)值模擬中，為了簡化計算模型，對電池產熱采用穩(wěn)態(tài)計算，產熱功率為1C倍率下電池產熱的平均值 。

2 結果與討論

為研究斜翅片結構參數(shù)對冷卻液流動和傳熱的影響，本研究首先采用正交試驗法分析了斜翅片的高度、厚度、并列斜翅片間距、冷卻液流向上斜翅片間距及斜翅片角度（分別用 A，B，C，D，E 代表這

5個因素）對電池表面最高溫度 、電池表面最大溫差 及進出口壓降 的影響。通過極差分析得到響應量最敏感的參數(shù)，并分析該參數(shù)對液冷板熱力性能的影響機理和規(guī)律。

2.1 正交試驗

正交試驗可以在多因素中確定哪些因素對試驗結果有顯著影響，并可以使用極差分析確定這些因素的影響程度。式（2）和式（3）為極差計算公式[34]。

式中： 為因素 i 在水平 j 下對應的試驗指標的均值； n 為水平數(shù)； 為因素 下 的極差；本次研究中，

通過綜合考慮斜翅片和液冷板的尺寸確定斜翅片相關參數(shù)取值范圍（見表3）。本次正交試驗為5因素3水平試驗，故選用 正交表，18組正交試驗結果如表4所示。通過式（2）和式（3）可計算出斜翅片相關參數(shù)對3個響應量的極差，如表5所示。從中分析可知，以電池表面最高溫度為評價指標時，響應量對斜翅片相關參數(shù)的敏感度依次為A，B，E，C/D ；當以電池表面溫差為評價指標時，響應量對斜翅片相關參數(shù)的敏感度依次為 A，B/E ， ；當以液冷板壓降為評價指標時，響應量對斜翅片相關參數(shù)的敏感度依次為 ?？梢缘贸?個響應量都是對斜翅片的高度參數(shù)最為敏感，其次為斜翅片的厚度和角度。進一步分析表5可知，響應量對斜翅片高度的敏感度是斜翅片厚度的3倍，是斜翅片角度的4倍。因此，對于液冷板內流體的流動和傳熱性能的影響，斜翅片的高度起到了關鍵作用。

2.2斜翅片高度變化對液冷板內流動特性的影響

通過上述分析可知斜翅片的高度是對 ， 和 影響最大的參數(shù)，因此本節(jié)重點研究不同斜翅片高度 （0.5mm，1mm，1.5mm，2mm） 液冷板在不同入口雷諾數(shù) 下的流動和傳熱特性。為了排除其他斜翅片結構參數(shù)交互作用的影響，除斜翅片高度外的結構參數(shù)保持不變，即斜翅片的角度為 ，厚度為 1mm ，并列斜翅片間距為 6mm ，流向上翅片間距為 7mm 。

圖7示出了雷諾數(shù)為200和1400時在兩個不同斜翅片高度（ 和 下，液冷板在 x-z 平面的速度分布云圖、速度矢量圖和 y 平面的速度分布云圖。通過 x-z 平面速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著斜翅片高度的增加，斜翅片上方的流通截面積逐漸減小，流體更多集中在主流道區(qū)域，因此主流道區(qū)域的流速逐漸增大。與常規(guī)管內流動不同的是，當斜翅片高度為 0.5mm 時，其上方流通間隙尺寸為斜翅片高度的3倍，流體高速區(qū)集中在斜翅片下底面處，隨著雷諾數(shù)的增大，其速度集中情況更為明顯。這是由于斜翅片高度較低時，斜翅片對流體的擾動作用影響區(qū)域有限，斜翅片周圍的流動呈現(xiàn)為橫掠斜翅片流動，在流經(jīng)斜翅片時冷卻液的流通截面積縮小，流速增加。隨著斜翅片高度的增加，冷卻液由橫掠流動逐步發(fā)展為管內流動。當斜翅片高度為 2mm 時，液冷板內的冷卻液完全變?yōu)楣軆攘鲃印?/p>

由圖7液冷板在 x-y 平面速度分布云圖可以看出，在同一雷諾數(shù)下隨著斜翅片高度的增加，斜翅片上表面與液冷板上蓋板間冷卻液速度逐漸減小。這是因為隨著間隙的減小，間隙內流動阻力逐漸增大，流量分配減小，流速減小。然而，在斜翅片高度相同時，隨著雷諾數(shù)的增大，間隙處冷卻液慣性力增大，黏性力所帶來的影響逐漸減小，因此間隙處流速增大。

在Y.J.LEE等[35]提出的斜翅片結構中，次流道設計寬度值較小，主流道內冷卻液在次流道的進出口處存在有明顯的壓力差，使得一部分冷卻液通過次流道與相鄰主流道內冷卻液混合。這種二次流動現(xiàn)象可以有效地提高散熱的能力，但也使液冷板內出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，流動的不均勻會使得散熱器的表面溫度梯度增大。本研究所提出的斜翅片結構通過增大相鄰斜翅片間的距離，削弱了二次流動強度（如圖8所示），從而很好地解決了偏流問題，同時保留了斜翅片優(yōu)秀的擾流作用，通過打斷邊界層的進一步發(fā)展增強液冷板的整體換熱效率。

2.3斜翅片高度變化對液冷板壓降的影響

流體在流經(jīng)不同高度的斜翅片時，由于流通截面積的變化，其體積會受到不同程度的壓縮，這對液冷板內的壓降變化有著極大的影響。不同斜翅片高度下壓降和壓降比隨雷諾數(shù)的變化見圖9。圖9a示出不同高度的斜翅片流道內壓降隨雷諾數(shù)的變化情況。由圖可知，當斜翅片高度小于 1.5mm 時，隨著雷諾數(shù)的增大，液冷板內壓降逐漸增大。這是由于隨著雷諾數(shù)的增大，冷卻液流層間的內摩擦力也增大，導致壓力損失增大，因此壓降也隨之增大。另外，斜翅片高度決定了冷卻液流經(jīng)斜翅片的過流截面積，冷卻液的過流截面積越小，則冷卻液流速越大，其沿程阻力損失和局部阻力損失都隨之增大。因此，在同一雷諾數(shù)下，隨著斜翅片高度的增加，液冷板內的壓降也隨之增大。但是對比斜翅片高度1.5mm 和 2mm 的結果可以發(fā)現(xiàn)，在小雷諾數(shù)時，兩種結構的壓降幾乎相當；當雷諾數(shù) R e？600 時， 的液冷板壓降比 的液冷板壓降略大。在 R e 為 和1400時， 1.5mm 比 壓降分別高 0.84%，2.83% 和2.47% 。這是由于 時，斜翅片上表面和液冷板上蓋板間存在 0.5mm 的間隙，冷卻液流過這個間隙時總體呈現(xiàn)出速度大、壓力小的特點，這會導致在這個間隙內流體層間的內摩擦力急速增大。當 時，冷卻液和斜翅片上表面不存在固液接觸面，因此就不會產生內摩擦力。這就會使得當雷諾數(shù) R e？600 時， 的液冷板壓降始終略大于 的液冷板壓降。

不同高度斜翅片通道內的壓降比隨雷諾數(shù)的變化如圖9b所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著雷諾數(shù)的增大，壓降比的曲線斜率逐漸減小。即隨著雷諾數(shù)的增大，相比于線性增大的直流道的流動損失，斜翅片結構所帶來的額外流動損失所占比例在逐漸減小。

2.4斜翅片高度變化對液冷板傳熱特性的影響

基于對不同高度斜翅片液冷板內流場的討論，本節(jié)對不同高度斜翅片液冷板換熱性能進行分析。對于斜翅片型液冷板的換熱特性，通過努塞爾數(shù)N u （見式（4））表征工質在液冷板內的對流換熱強度。提高 N u 可以強化液冷板的換熱效率，但 N u 的提高往往會引起阻力系數(shù) f （見式（5））的增加，因此，通過引人應用性能評估指標（performanceeval-uationcriteria，PEC）[12]對液冷板的換熱能力進行綜合評價（見式（6））。

對不同雷諾數(shù)下不同高度斜翅片的努塞爾數(shù)進行了比較（見圖10）。通過對比發(fā)現(xiàn)，在同一斜翅片高度下，隨著雷諾數(shù)的增大液冷板的努塞爾數(shù)也逐漸增大，液冷板的冷卻效率不斷提高；在相同雷諾數(shù)下，隨著翅片高度的增加液冷板的冷卻效率也不斷提升。相對于增加雷諾數(shù)而言，增加斜翅片的高度可以給液冷板帶來更好的散熱性能。這是由于隨著斜翅片高度的增加，液冷板內的有效換熱面積增加，這就在一定程度上加強了液冷板的換熱效率；另一方面，隨著斜翅片高度的增加，斜翅片所帶來的擾流效果的影響范圍也逐步增大，不斷破壞邊界層的產生，冷卻液的流動一直處于入口發(fā)展階段，進一步提升了液冷板的整體換熱性能。

為了更加直觀地展示斜翅片液冷板與傳統(tǒng)直流道液冷板散熱性能的差異，引入了努塞爾數(shù)比 。由圖11可見，努塞爾數(shù)比 α ，都是大于1的，這說明相比于傳統(tǒng)直流道，具有斜翅片結構的液冷板有更好的換熱能力。另一方面，采用斜翅片結構雖然提高了液冷板的換熱效率，但同時也會帶來更大的壓降，壓降的增加就意味著泵的功率需求的增加。

通過圖12可以看出，斜翅片結構的引入可以有效提升液冷板整體換熱性能，隨著斜翅片高度的增加，換熱強化效果也愈加明顯。雖然更高高度的斜翅片增加了液冷板的壓降，但在一定的雷諾數(shù)范圍內，其帶來的高散熱性能可以彌補其帶來的壓降損失。根據(jù)圖12對比可以得出，在所研究雷諾數(shù)范圍內，斜翅片貫穿整個流道高度的液冷板（ 2mm 的綜合換熱性能是最高的。

2.5斜翅片高度變化對電池表面溫度分布的影響

電池的表面溫度分布與液冷板的換熱性能有著密切關系。圖13示出了 R e=200 和 R e=1400 時不同斜翅片高度（ 和 下電池底面的溫度云圖。由于電池底面直接和液冷板接觸，因此電池底面溫度分布可以更為準確地反映液冷板的換熱性能。由圖13可以看出， R e=200 時， 的液冷板對應的電池底面溫度比傳統(tǒng)直流道（ 的降低了 35.37% 。當 R e 增大到1400時，這一差距擴大到了 51.06% ，斜翅片型液冷板展現(xiàn)出了更好的均溫能力。原因主要有以下兩點：一是流道內的斜翅片結構可以起到很好的擾流作用，破壞邊界層的發(fā)展，從而增大了壁面處的對流換熱系數(shù)；二是斜翅片結構增大了冷卻液的有效對流換熱面積，從而提高了液冷板的整體換熱能力。此外，隨著雷諾數(shù)的增加，液冷板的換熱能力隨之增強，但當流速增大到一定閾值后，液冷板的換熱效果提升不再明顯，同時液冷板的壓力損失卻仍會顯著增大，對泵功率的需求也不斷增大。因此，在進行電池液冷板設計時，需要綜合考慮電池整體的散熱效果和泵的功率損失。

2.6不同放電倍率下電池溫度變化

為檢驗綜合冷卻效率最高的液冷板（斜翅片高度為 2mm， 在極端工況下的冷卻作用，分別對電池1.5C和2C放電倍率下的工況進行了數(shù)值計算。圖14示出電池在1.5C和2C放電倍率下的溫度云圖。由圖14可知，在1.5C放電倍率下電池表面最高溫度為 ，溫差為 ；2C倍率下，電池表面最高溫度為 ，溫差為 。

冷板的努塞爾數(shù)增大了約1.6倍，換熱能力得到了極大提升。而當放電倍率繼續(xù)增加到2C時，液冷板的換熱能力基本不變。這是由于隨著電池放電倍率的增加，電芯產熱量增大，固體和冷卻液間的溫度梯度增大，促使更多的熱量從固體傳遞到冷卻液中。但當電池放電倍率達到2C時，液冷板的冷卻能力已經(jīng)達到飽和狀態(tài)，所以在放大倍率從1.5C增大到2C時液冷板的努塞爾數(shù)不會發(fā)生較大變化。因此，在短時間內電池以高倍率放電，液冷板是可以滿足需求的，但是隨著放電倍率或者高倍率時長的增加，單一的底部冷卻已無法滿足鋰電池的溫差控制要求，需要配合其他冷卻布局或冷卻方式來保證電池的性能和使用安全。

3結論

a）采用正交試驗對斜翅片的結構參數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)響應量對斜翅片高度變化最為敏感，其對高度的敏感度是斜翅片角度的3倍，厚度的4倍；

b）液冷板內冷卻液的流動形態(tài)會隨著斜翅片高度的變化而變化；增加斜翅片結構和提高流速均可以達到提升液冷板換熱能力效果，但是當流速增加達到一定閾值后，流速的提升對液冷板換熱能力的提升效果逐漸減弱，而流動損失卻仍逐漸增大；

c）當 時，斜翅片上表面與液冷板上蓋板的間隙導致總體呈現(xiàn)出速度大、壓力小的特點，使得流層間內摩擦力急劇增大，在 R e 為600，1000和1400時， 的壓降比 2mm 時分別高 0.84%，2.83% 和 2.47%

d） ，且 R e=1400 時，相比于傳統(tǒng)直流道液冷板，努塞爾數(shù)和壓降分別上升了 68.31% 和 85.46% ，電池底面最高溫度下降 51.06% ；通過PEC綜合評價指標對比發(fā)現(xiàn)，斜翅片貫穿整體流道高度的液冷板（ 在所研究雷諾數(shù)范圍內展示出了最好的綜合換熱性能。

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Flow and Heat Transfer Based on Oblique-Fin-Typed Liquid-Cooling Plate

ZHANG Yushun，MUNasi，HAN Yong，PAN Di （Schoolof MechanicalandAutomotive Engineering，Xiamen Universityof Technology，Xiamen36lo24，China）

Abstract：Theheatexchangeeficiencyandtemperaturedistributionofliquid-colingplateinsidethelithiumbaterypackare thekeyfactorsdeterminingthetemperaturecontrolofbatterycelsinsidethepackand thediferenceintemperature.Therefore，thestructuraldesignandlayoutofliquid-cooling platehasalwaysbenthemostcriticalobjectinthedevelopmentof batterythermalmanagementsystem.Anewhigh-eficiencyheatexchangeoblique-fin-typedliquid-colingplatestructurewas proposed tobesuitablefortheliquidcolingsystemin lithium batterypack，and theorthogonaltestmethodwasusedto studythe structurewithfullcharacteristicstructuralparameters.Themaximum baterysurface temperature，thetemperaturediference betweenthe batery surfaceandtheliquid-cooling plate pressuredrop were selectedasresponsequantities.Thestructural parameterthatwas the most sensitive totheamountofresponse，the heightofobliquefin，wasthusobtained bypolaranalysis. Finaly，thenumerical simulationandperformanceevaluationcriteria（PEC）wereappliedtofullyinvestigateandanalyzethe efectsofobliquefinheightandinletReynoldsnumberontheoverallthermalperformanceof liquid-cooling plate.Theesults showthatincreasingtheobliquefinstructureinthetraditionalDCchannelcanefectivelycausedisturbedflowandincreasethe efectiveconvectiveheatexchangeareaofliquid-colingplate，whichgreatlyimproves theheatexchangeperformanceofliquidcolingplate.ComparedtothetraditionalDCchaneliquid-colingplates，higherobliquefinstendtobringacertainamountof pressure drop loss，but its excellent heat dissipation performance can compensate for the extra loss.

Keywords：lithium batry；liquid coling；cooling system；pressuredrop；temperature；flow characteristic [編輯：姜曉博]