一種用于動力電池熱管理的均溫液冷板

李隆鍵，李維平，崔文智

（重慶大學 能源與動力工程學院，重慶 400030）

隨著動力電池能量密度的增大，風冷已難于滿足電池熱管理要求。液冷板由于其結構緊湊，能夠將液體與電池分離，從而增強了電池系統的安全性，近年來已成為主動液體冷卻系統的一個重要組成部分[1]。在汽車電池組液冷板的設計中，不同的應用場合可能需要不同的通道設計和幾何形狀，目前對液冷板的研究大多基于矩形通道幾何形狀[2-4]，以及液冷板布置和流量等參數對電池模組溫度分布的影響[5-6]，而忽略了冷卻液沿程溫度變化對模組溫度均勻性的影響。

眾所周知，隨著電池與液冷板之間的傳熱，冷卻液溫度沿程是逐漸升高的，為滿足動力電池熱管理要求，一方面要采用足夠大的冷卻液流量，以便將電池生熱帶出，保證電池在合適的溫度范圍內工作。另一方面，通過設計復雜的冷卻液流道結構，以保證電池模組溫度的均勻性。流量增大不利于熱管理系統的輕量化設計要求，復雜的流道設計增加了系統的制造成本和運行功耗。

本文提出了一種沿程非線性強化傳熱的液冷板結構，從理論上分析了保證液冷板加熱側均溫性的可行性以及各個設計參數對非線性強化傳熱過程的影響關系，為液冷均溫板設計提供理論指導。此外，針對某一電池模組液冷散熱要求，設計了一種均溫液冷板，并運用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法對其流動傳熱過程進行了數值模擬，以驗證均溫液冷板的可行性。

1 基本原理

動力電池液冷板本質上可視為一間壁式換熱器，如圖1所示，厚度為t的壁面上電池組件所需的散熱熱流密度為qW，冷卻流道寬度為b，高度為l，冷卻液質量流量為m(kg/s)，比熱容為Cp[J/(kg·K)]。則沿流向x方向任意dx微元段上應遵循以下能量平衡關系式：

式中：K為加熱壁面與冷卻流體之間的傳熱系數，W/(K·m2)；Tw為壁面溫度，℃；Tf為流體溫度，℃。由式（1）可知，如果加熱壁面熱流qW為常數，qW=C，則有：

圖1 間壁式傳熱示意圖

式（2）表明，如果加熱壁面熱流qW恒定，則流體溫度Tf與壁面溫度Tw沿流動方向線性變化，且兩者之間溫差恒定。對式（1）從0～x積分，經變換得到式（3）：

2 應用實例

針對某電池模組液冷要求設計了一種可調換熱強度液冷板。一個電池模組液冷板尺寸為150 mm2×350 mm2。原有熱管理參數：實測液冷板散熱功率約為4 000 W/m2，冷卻液（50%水和50%乙二醇的混合物）原設計流量為2.5 L/min。本文采用的流量為1.25 L/min，入口溫度約為20 ℃。加熱壁面預期溫度Tw=28 ℃。基于以上結構和運行參數，根據式（3）計算得到加熱壁與冷卻液之間的傳熱系數K的變化曲線，如圖2所示。

采用在液冷流道內布置圓柱狀擴展表面的方法逼近式（3）所要求的K值變化規律，如圖3所示。柱狀擴展表面起強化傳熱的作用。實現傳熱系數K值沿程非線性變化的具體方法是：首先從流道入口開始，分段進行基于流量和液冷板流通界面尺寸的熱設計計算，初步確定各段擾流圓柱的個數和布置方式。

圖2 傳熱系數沿程變化曲線

圖3 均溫板液冷流道結構

經初步設計以后，采用CFD方法對液冷板的傳熱過程進行了數值模擬計算。經若干次試算和局部調整，最終實現了液冷板加熱壁面的溫度均勻，整個液冷板加熱壁面上最大溫差不超過0.5 ℃。通過數值計算得到的動力電池液冷板加熱壁與冷卻液溫度沿程變化曲線，如圖4所示。

圖4 液冷板加熱壁與冷卻液溫度沿程變化曲線

由圖4可知，沿長度方向冷卻液溫升至2.6 ℃左右。而液冷流道內通過沿程分段強化傳熱，加熱壁面溫升得到有效抑制，整個長度方向溫度波動不超過0.5 ℃。該工況下液冷流道阻力為43.8 Pa。這說明本文提出的非線性強化傳熱的方式實現均溫液冷板的理論和方法是可行的。

該均溫板同樣可應用于高熱流密度下的電力電子設備散熱。假定電力電子器件（如IGBT）的散熱流密度為qw=40 000 W/m2，冷卻液進口溫度Tf0=20 ℃，期望加熱壁面溫度85 ℃，冷卻液流量為 2.0 L/min。通過數值模擬得到IGBT的液冷板加熱壁與冷卻液溫度沿程變化曲線，如圖5所示。

圖5 液冷板加熱壁與冷卻液溫度沿程變化曲線

由模擬計算結果可知，該均溫液冷板用于電力電子功率器件散熱時，在較低冷卻液流量下，冷卻液溫升18.3 ℃，整個加熱壁面溫度波幅小于3 ℃，液冷流道阻力為71.3 Pa。

3 影響因素分析

在均溫液冷板熱設計中，影響傳熱K的因素較多。由式（3）可知，影響K值沿程變化的有壁面加熱熱流qW、冷卻液流量m、進口溫度Tf0、冷卻液物性參數等。當然，有些參數被組合為一個參數，譬如C′=(b?qW)/(m?CP)。本文主要討論加熱壁溫Tw與冷卻液進口溫度Tf0差ΔT=T-Twf0，以及參數C′對傳熱系數K沿程變化規律的影響。

3.1 加熱壁溫度的影響

在給定液冷板結構和運行參數，以及冷卻液進口溫度的情況下，期望維持的加熱壁面溫度Tw影響均溫液冷板K值的設計。基于上節動力電池均溫液冷板的應用實例，考察進口冷卻液溫度不變、不同加熱壁面溫度，即不同壁溫和冷卻液進口溫差ΔT所需要的傳熱系數K沿程變化規律，如圖6所示。

圖6 不同溫差下的傳熱系數沿程變化曲線

由圖6可知，加熱壁面與冷卻液進口溫差越小，所需傳熱系數越大，且K值沿流動方向的非線性越強烈，即沿流動方向的傳熱系數所需強化比越高。當然，對于采用圓柱裝擴展表面方法強化傳熱方式，其所能達到的進出口間的傳熱系數比除了受圓柱直徑的影響外，還受到液冷流道高度的限制。

3.2 參數C'的影響

C′是一個與加熱壁面熱流、冷卻液流量和物性有關的組合參數，其物理意義是沿冷卻液流動方向單位長度的溫升。不同參數C′所要求的傳熱系數K值沿程變化曲線如圖7所示。

圖7 不同參數C′下傳熱系數沿程變化曲線

由圖7可知，沿流動方向單位長度冷卻液溫升C′越大，所要求的傳熱系數K沿程非線性變化越強烈，進出口傳熱系數比越大。由定義可見，影響其大小的變量主要是加熱熱流密度qW和冷卻液流量m。如果C′較大，導致K沿程非線性強化的難度加大，可以通過適當增大流量的方法降低C′的值。

4 結論

（1）本文提出采用液冷流道非線性傳熱強化的均溫液冷板，并從理論上推導了給定液冷板結構參數和運行參數時實現加熱壁面溫度均勻的條件。

（2）基于某電池模組散熱參數，采用柱狀擴展表面分段強化傳熱方式設計了一種均溫板流道結構，并采用CFD方法對其流動傳熱過程進行了數值分析。結果表明，其具有較好的加熱壁面均溫性能，證明本文提出的均溫液冷板是可行的。

（3）討論了設計參數對非線性傳熱系數沿程變化的影響規律，為均溫液冷板設計提供理論指導。