液冷板流道結構對動力電池模組熱管理影響仿真分析

楊煥璋

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434）

0.引言

在鋰離子電池工作過程中，為了延長電池的工作壽命、提高使用過程中的安全性，應采用可靠的熱管理措施，使其溫度始終保持在安全范圍內，防止熱失控、汽車自燃等問題的發生。Basu等[1]在電池的外部使用了圓柱形金屬導熱墊，以增強電池與冷板之間的導熱性。邱翔等[2]采用直接液冷的方法，通過在壁面處增加肋條，成功降低了電池最大溫度與最大溫差。高明等[3]考慮了添加翅片對空氣自然對流的影響，討論了翅片厚度與放電倍率對電池最大溫差、最大溫升的影響。Jin等[4]改進了流道的流道結構，并增加了傾斜的小散熱片以破壞流道中的層流，從而增強冷板對流傳熱。

為了探索設計具有更高傳熱效率的液冷板流道結構，本文采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱“CFD”）仿真方法，建立了4種具有不同流道結構液冷板（以下簡稱“冷板”）的動力電池模組（以下簡稱“模組”）三維瞬態模型，通過對溫度、冷卻液壓降等關鍵數據的分析，評估流道結構對動力電池模組熱管理的影響。

1.數學模型

模組中包含12個電芯，在模型建立中假設電芯是一個整體，熱模型如公式（1）所示。

其中，ρ表示電芯的密度，C表示電芯在1030J/（kg·K）恒定壓力下的比熱容，λx，λy，λz表示電芯沿x，y，z方向的電導率，T表示電芯的溫度，q表示電芯發熱量。

由于電芯的外表面是高度拋光的鋁質，表面相對較光滑且具有足夠的接觸面積，因此忽略了相應的接觸熱阻。電芯產生的熱量主要由冷板中的冷卻液帶到外部。為了進行數值建模，建立CFD控制模型。由于冷板中的冷卻液流速較高、流道的幾何結構可能會發生變化，并且流體被視為不可壓縮的流，因此使用湍流模型進行仿真計算?？刂品匠倘缦拢?/p>

連續性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

其中，u為流體速度，ρf為流體密度，CP為流體比熱容，kT為熱導率，T為溫度。

標準k-ε方程：

2.仿真模型

2.1 幾何模型構建

電芯與電芯直接接觸，電芯與冷板之間通過導熱膠接觸，同時延長了入口與出口段的管長，使流動充分發展。本文討論的四種冷板流道結構如圖1所示。

圖1 冷板流道結構

2.2 參數設置

為了保證仿真計算的精度，模組中所有的零部件均采用多面體網格進行劃分，總網格數量約在61萬個?？紤]到冷卻液在冷板中流動狀態的改變，采用標準k-ε方程對湍流流動進行求解。由于冷卻液溫度變化的幅度不大，所以冷卻液設置為恒密度，同時認為其不可壓縮。另外，冷卻液入口為質量流量入口，出口為壓力出口，以保證模型的收斂。模組熱管理系統的主要參數設置如表1所示。

表1 模組熱管理系統主要參數設置

3.結果與討論

3.1 流道結構對模組熱管理的影響

模組初始溫度為25.0℃，采用直流道結構冷板的情況下，仿真得出在1C、2C、3C放電倍率放電結束時，模組的最高溫度分別為27.0℃、34.5℃、45.9℃。高放電倍率導致模組溫度快速上升，有效的熱管理是十分必要的。圖2為模組在3C放電倍率放電結束時的溫度分布情況。

圖2 模組在3C放電倍率放電結束時的溫度分布

在3C放電倍率放電結束（第1200s）時，采用直流道結構的模組最高溫度最高，其余流道結構的最高溫度相對接近，但四者最大的溫差小于0.1℃。直流道結構的模組最低溫度最高，采用波形流道結構、直流道翅片結構的模組最低溫度接近且最低，但四者最大的溫差仍然小于0.1℃。因此，四種流道結構對模組溫度的影響并不顯著。

3.2 流道結構對冷卻液壓降的影響

由于采用了瞬態仿真模型，在熱管理系統開始運行時，冷卻液的壓降有明顯的增大與波動，然后再趨于穩定。在四種流道結構中，波形流道翅片結構所造成的壓降最大、直流道結構的壓降最小，說明提高液冷板流道結構的復雜程度并不是完全有益的，復雜的流道結構易于造成更大的壓力損失。

4.結語

本文通過CFD仿真對動力電池模組溫度、冷卻液壓降等關鍵數據進行分析，發現液冷板流道結構改變會帶來動力電池模組散熱量的改變，但四種流道結構對模組溫度的影響差異小于0.1℃，影響并不顯著。同時，提高液冷板流道結構的復雜程度并不是完全有益的，復雜的流道結構易于造成更大的壓力損失。因此，在設計復雜的液冷板流道結構時應考慮適當降低流阻，以保障動力電池模組的換熱效果。