冷板流道結構對空間電池組冷卻效果的影響

果晶晶 GUO Jing-jing

（河北科技工程職業技術大學，邢臺 054035）

0 引言

作為電源關鍵部件的空間站一次電源化學蓄電池組，數量眾多、排列密集、工作模式多變[1-4]。在高密度的電池組充放電過程中，因各類物理和電化學變化，產生大量熱量；一旦無法有效排出將導致不均勻的熱量積聚，使得電池單體內部溫度不均、電池組局部升溫過快，整體溫度均勻性變差；這不僅會影響電池組的壽命和性能，還會增加電池熱失控的幾率，甚至可能有爆炸、火災的危險。因此電池的均勻散熱問題是亟待解決的核心技術難題。

電池組的冷卻方式主要有空冷[5]、液冷[6]、相變冷卻[7]，以及兩兩組合的復合冷卻方式[8]等。其中，液冷是空間站一次電源化學蓄電池組最有效的熱管理方式之一。目前，有關液冷冷板結構對地面熱源的冷卻效果研究較多，對處于特殊環境下的空間電池組冷卻研究較少；人們更多的關注于采用什么樣的冷卻方式來對空間電池組進行熱管理，使電池組的溫度分布更均勻，而對液冷冷板結構對空間電池組冷卻效果的研究較少。本文通過CFD數值模擬，分析空間電池組冷板內不同流道結構隨流道尺寸的變化對電池組溫度分布的影響規律，以期歸納總結高溫度均勻性冷板的設計方法。

1 模型描述

1.1 物理模型

圖1為所要研究的空間站圓柱形鋰離子蓄電池、電源控制器（PCU）以及冷板的三維幾何模型。圖1（a）為電池組、PCU以及冷板的相對位置示意圖，為了研究問題的方便，忽略電池的正極，將鋰電池視為一根假想的圓柱體；圖1（b）為電池組的幾何模型，該電池組依據相應擺放位置，按照6行（j）8列（i）進行電池單體的編號；圖1（c）為對比分析的（普通U型、S型、Z型）三種不同流道結構的冷板。以圖1所示的空間電池組模型為研究對象，分別從表1所示的2組工況進行對比分析，以期探索冷板內不同流道結構對電池組冷卻效果的影響規律。

圖1 研究對象的結構示意圖

表1 模擬工況

在本文研究中，為了描述問題的方便，將冷板流道寬度為a、流道間距為b、流道高度為c的尺寸簡稱a-b-c。

計算時首先設定計算域入口、出口、流固耦合壁面、電池產熱等邊界條件，相應地邊界條件設置具體如下[8]：

①冷板入口的邊界條件選擇速度入口；出口選擇outflow自由流出作為其邊界條件；

②電池單體的發熱功率為12W，電源控制器PCU的發熱功率為50W；

③外界的環境為真空，溫度為3K。

進行冷板流道結構對電池組冷卻效果的數值模擬時，選定冷板的材質為鋁，水作為流經冷板的冷卻工質，進口流速為0.1m/s，進口溫度為293K，所用到的相關物性參數具體見表2。

表2 材料相關的物性參數

為了保證模擬結果的精準性，選取流道尺寸為2-2-10S型冷板、水的進口流速為0.2m/s、進口溫度為293K，分別進行數值模擬和物理實驗；對比其數值模擬結果與同等工況下的實驗結果，發現水的進出口溫差分別為3.0K和3.6K，電池的最大溫差分別為6.6K和7.2K，故而模擬結果與實驗結果較為吻合。

1.2 數據處理

①本文主要研究三種不同流道結構的冷板在不同的流道尺寸的情況下，對空間電池組冷卻溫度均勻性的影響，故定義參數α來衡量各電池單體的溫度均勻程度的指標，具體如下：

②冷板的進出口壓差Δp

式中：Pin為進冷卻工質口平均壓力，MPa；Pout為出冷卻工質口平均壓力，MPa。Δp越大，消耗的泵功越大，對泵的要求也越高，經濟成本越高。

2 結果與討論

流道尺寸分別在表1所示工況的條件下，不同結構冷板對電池組進行冷卻時的穩態溫度場分布情況如圖2所示。

圖2 空間電池組溫度場分布情況

由圖2空間電池組的溫度場分布圖可知：冷卻工質進口側的電池單體溫度較低，靠近PCU側的電池單體溫度較高；冷板中間部分的電池溫度比邊部的電池溫度要高；所研究的任一尺寸下，普通U冷板冷卻下的電池組溫度均較高，冷卻效果都較差，這是因為普通U型冷板的流量分布具有嚴重的不均勻性，冷板上面熱流是均勻分布的，靠近進出口附近的流道內流量較大，冷卻工質在流動的過程中吸熱較多，相應位置的電池單體溫度較低；而遠離進出口流道內的流量相對較小；在同樣大小的熱流密度下，冷卻工質與冷板流道對流換熱面積小的區域，在流速較低的情況下，散熱效果較差，從而造成流量較小的區域的熱量大部分不能被冷卻工質帶走，進而出現高溫現象。其它兩種冷板冷卻下的電池組溫度較低，冷卻效果較好。S型冷板冷卻下的電池組溫度分布較均勻。

如圖3所示，在工況1的任一尺寸下，普通U型冷板對應的電池單體的溫度均勻程度曲線波動幅度較大，各電池單體的溫度均勻性較差；而Z型、S型所對應的電池單體溫度均勻程度的曲線波動幅度較小，對電池單體的冷卻均勻性較好；相較于普通U型、Z型冷板，S型冷板冷卻下的電池單體均勻性最好。

圖3 各電池單體的溫度均勻性

圖4不同尺寸下的模擬結果

圖4 （a）為工況1條件下，普通U型、S型、Z型三種結構冷板隨著流道尺寸縮小對電池組的最高、最低溫度的影響。由圖可知，隨著流道尺寸的減小，普通U型、Z型冷板的最高溫度先上升再下降，而S型冷板的最高溫度隨著流道尺寸的縮小，一直呈降低趨勢；Z型、S型最高溫度的降低均趨于平緩；三種結構冷板的最低溫度均隨著流道尺寸的減少而緩慢降低。當流道尺寸為5-5-10時，采用Z型冷板對空間電池組進行冷卻，電池組的最高溫度較低，溫差較??；其他流道尺寸的情況下，S型冷板能夠使電池組獲得較低的Tmax，較小的溫差。

圖4（b）為冷卻工質的進出口壓差。從圖7可以看出，流道尺寸為5-5-10時，冷卻工質流經Z型冷板的進出口壓差較大，為4.16 MPa，S型、普通U型冷板的的進出口壓差較低分別為0.29 MPa、0.14 MPa；隨著流道尺寸的減少，S型冷板的進出口壓差迅速增加，Z型冷板的進出口壓差降低，幅度趨于平緩；普通U型冷板的進出口壓差一直較低，是由于普通U型冷板的流量分布具有嚴重的不均勻性，靠近進出口附近的流道內流量較大，而遠離進出口區域的流道內的流量較小，較多的冷卻工質進入冷板流道后，沿進出口附近的流道返回出口，從而導致普通U型冷板的進出口壓差比較?。徊⑶矣蓤D4（b）可知，普通U型冷板隨流道尺寸的變化不明顯。當進出口壓差越小，意味著驅動冷卻工質在冷板內流動需要的泵功越小，經濟成本越合算。綜合考慮，在冷板尺寸為5-5-10，采用S型冷板能對空間電池組起到較好的冷板效果；而在其他流道尺寸時，建議采用Z型冷板對電池組進行冷卻。

3 結論

①冷卻工質進口側的電池單體溫度較低，靠近PCU側的溫度較高；冷板中間部分的電池溫度比邊部的電池溫度要高；所研究的任一尺寸下，普通U冷板對電池組的冷卻效果都較差。

②在流道尺寸為5-5-10時，S型冷板對電池組的冷卻效果較好，進出口壓差較??；隨著流道尺寸的縮減，S型冷板雖對電池組的冷卻效果依然較好，但進出口壓差較大，泵耗較大；流道尺寸縮小時，Z型冷板既能合理的控制電池組的溫度，又能減小進出口壓差，泵耗較低。

通過分析空間電池組冷板內不同流道結構隨流道尺寸對電池組溫度分布的影響規律，以期為歸納總結高溫度均勻性冷板的設計方法提供參考依據。