基于雙層分形微通道的純電動(dòng)汽車鋰離子電池液冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 飛

(常州市高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213161)

0 前言

純電動(dòng)汽車具有尾氣零排放、噪聲低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在成本高、電池散熱不均勻等問題。純電動(dòng)汽車使用的電池存在一定的安全隱患，尤其是當(dāng)電池發(fā)生短路時(shí)容易引發(fā)著火或爆燃。考慮到電池的結(jié)構(gòu)，探索合適的動(dòng)力電池冷卻板結(jié)構(gòu)是提高動(dòng)力電池冷卻性能的有效方法之一[1]。本文介紹了一種具有雙層對(duì)稱結(jié)構(gòu)的動(dòng)力電池液冷板，并重點(diǎn)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 液冷板概述

1.1 液冷板的幾何模型

為了緩解電池單通道散熱模型溫度不均勻的問題，本文提出了一種新型雙層分形微通道液冷板結(jié)構(gòu)，其傳熱能力更強(qiáng)、溫度分布更均勻。該液冷板由嵌入式對(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙層微型通道組成，每對(duì)方形鋰電池之間布設(shè)有1塊液冷板。液冷板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液冷板結(jié)構(gòu)圖

該液冷板的長度為140.0 mm，寬度為65.0 mm，高度為3.0 mm，收集層和連接通道的厚度為0.5 mm，分散層的厚度為1.0 mm，流道上下方各有1塊厚度為0.5 mm 的鋁板。液冷板入口寬度為3.0 mm，高度為0.5 mm，出口寬度為3.0 mm，高度為1.0 mm。

1.2 液冷板的工作原理

雙層通道包括上層的冷卻液收集層和下層的冷卻液分散層，在液冷板中心處布置有1個(gè)圓形的連接通道，該通道貫穿上下兩層。冷卻液順著4個(gè)方向沿液冷板對(duì)角線的入口流入收集層，隨后冷卻液通過連接通道進(jìn)入分散層，反向通過板上2個(gè)出口離開液冷板。

2 液冷板散熱分析

2.1 冷卻液質(zhì)量流量對(duì)散熱性能的影響

研究發(fā)現(xiàn)，冷卻液質(zhì)量流量對(duì)液冷板的溫度具有較大影響。為了分析模型中冷卻液質(zhì)量流量對(duì)液冷板散熱性能的影響，選擇了質(zhì)量流量分別為0.001 kg/s、0.002 kg/s、0.003 kg/s、0.004 kg/s、0.005 kg/s和0.006 kg/s的6種情況來討論質(zhì)量流量對(duì)液冷板冷卻性能的影響[2]。表1示出了室溫為300 K 工況下，液冷板及內(nèi)部流道的最高溫度和溫差隨質(zhì)量流量變化的情況。

表1 不同冷卻液質(zhì)量流量下冷卻板的最高溫度和最大溫差

由表1可知，在其他條件相同的情況下，冷卻液質(zhì)量流量越大，液冷板的散熱效果和溫度均勻性越好。但當(dāng)冷卻液質(zhì)量流量超過0.002 kg/s后，液冷板的最高溫度和溫差減小速度開始降低。冷卻液質(zhì)量流量增大，流道內(nèi)的壓力差隨之增大，同時(shí)冷卻系統(tǒng)的能量消耗也增大，并且質(zhì)量流量的增大還可能會(huì)對(duì)電池組冷卻液管道產(chǎn)生較大的沖擊。

2.2 冷卻液入口溫度對(duì)散熱性能的影響

冷卻液的入口溫度也是影響液冷板散熱性能的重要因素之一。為了分析入口處溫度對(duì)散熱性能效果的影響，選擇了質(zhì)量流量為0.001 kg/s，冷卻液入口溫度分別為283 K、288 K、293 K、300 K 和308 K 等5種情況，分析入口溫度對(duì)散熱性能的影響。表2示出了冷卻板最高溫度、溫差與冷卻液溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 不同冷卻液入口溫度下冷卻板最高溫度和最大溫差

由表2可知，在冷卻液質(zhì)量流量為0.001 kg/s時(shí)，當(dāng)冷卻液入口溫度從308 K 降至283 K 時(shí)，溫差幾乎不變，但冷卻板的最高溫度下降了25 K，說明液冷板溫度均勻性得到了較大提升。散熱性能得到改善的原因是入口處溫度降低加大了液冷板內(nèi)部的溫度差。由于該液冷板模型采用了雙層流道結(jié)構(gòu)，且發(fā)散層設(shè)計(jì)為回形的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此冷卻液的分布更加均勻合理。

3 液冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

增加冷卻液的質(zhì)量流量與降低冷卻液溫度內(nèi)可有效提升液冷板的散熱效果，但隨之帶來的問題是冷卻泵消耗能量更大[3]。因此，對(duì)液冷板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了不同的收集層流道外管彎曲半徑。在室溫為300 K，質(zhì)量流量為0.001 kg/s工況下，分別對(duì)外管彎曲半徑為4 mm、5 mm、6 mm 和7 mm 的液冷板進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了外管彎曲半徑對(duì)液冷板冷卻性能和對(duì)流體壓力差的影響。表3示出了外管彎曲半徑與冷卻板性能的關(guān)系。

表3 彎曲半徑與冷卻板性能的關(guān)系

由表3可知，4種不同彎曲半徑的外管液冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后最高溫度的降幅維持在0.4～0.5 K。當(dāng)外管彎曲半徑為4 mm 時(shí)，液冷板最高溫度下降幅度最大，為0.5 K。當(dāng)外管彎曲半徑從4 mm 增至6 mm 時(shí)，液冷板最高溫度趨于平衡。當(dāng)外管彎曲半徑從6 mm 增至7 mm 時(shí)，液冷板最高溫度略有上升，但增幅較小。優(yōu)化后的液冷板溫差降幅為1.2～1.7 K，溫差下降較為顯著。

不同的外管彎曲半徑對(duì)液冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的壓差也有影響。當(dāng)彎曲半徑為4 mm時(shí)，壓差為1 297.7 Pa，冷卻泵耗能減小，優(yōu)化效果明顯。當(dāng)彎曲半徑從5 mm持續(xù)增加時(shí)，壓差減小幅度開始減緩，這是因?yàn)槔鋮s液流動(dòng)受阻減小，壓力損失也逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

通過模型優(yōu)化前后散熱效果和壓差的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化冷卻板結(jié)構(gòu)可以降低液冷板的最高溫度和溫差，且降低了壓差，減小了冷卻系統(tǒng)的耗能，為液冷板的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了依據(jù)。

4 優(yōu)化后模型與單通道模型對(duì)比分析

為驗(yàn)證優(yōu)化后液冷板的散熱性能，將優(yōu)化后模型與單層單通道的液冷板進(jìn)行了對(duì)比分析。設(shè)定冷卻液質(zhì)量流量為0.006 kg/s，冷卻液溫度為293 K，外管彎曲半徑為4 mm，在2倍電池放電倍率(2C)時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了仿真分析。表4為2種模型的仿真結(jié)果。圖2為2種模型在相同工況下的溫度云圖。

表4 兩種模型的對(duì)比分析結(jié)果

圖2 2種模型在相同工況下的溫度云圖

由表4和圖2可知，傳統(tǒng)的液冷板采用單層結(jié)構(gòu)，其最大的弊端是冷卻液進(jìn)出口處的溫度差異很大，最高溫差達(dá)到5.7 K。而優(yōu)化后液冷板的溫度均勻性得到了大幅提升，最高溫度為301.0 K，與單層通道液冷板的最高溫度相比，下降了0.5 K。優(yōu)化后液冷板的最高溫差下降至3.8 K，降幅為33.3%。冷卻液進(jìn)出口的壓力差從64 488.8 Pa下降到10 798.9 Pa，降幅為83.25%。

電池在2C放電時(shí)，優(yōu)化后模型的散熱效果優(yōu)異，最高溫度和溫差能較好地滿足電池工作溫度的要求。此外，優(yōu)化后的模型也能夠有效降低冷卻泵的能量消耗。

5 結(jié)語

本文介紹了一種新型雙層分形微通道液冷板，分析了純電動(dòng)汽車鋰電池液冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。與傳統(tǒng)的冷卻板結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后冷卻板的最高溫度、溫差、壓力差和冷卻泵能量的消耗均有明顯改善，鋰離子電池的散熱效果得到明顯提升。