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電池模組液冷板沖壓結(jié)構(gòu)設計及其散熱性能研究

2022-01-16 09:47:23·  來源：電動學堂  作者：楊志紅等  
　
文章來源：1.湖南交通職業(yè)技術(shù)學院2.湖南大學機械與運載工程學院新能源汽車替代傳統(tǒng)燃油車是今后的技術(shù)發(fā)展趨勢。鋰離子電池在工作時會產(chǎn)生一定的熱量，如果得不
文章來源：1.湖南交通職業(yè)技術(shù)學院2.湖南大學機械與運載工程學院
新能源汽車替代傳統(tǒng)燃油車是今后的技術(shù)發(fā)展趨勢。鋰離子電池在工作時會產(chǎn)生一定的熱量，如果得不到很好的控制，會對電池的壽命和安全性形成嚴重威脅，甚至造成熱失控。因此，電池的散熱管理引起了廣泛的重視。電池的散熱主要可以分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻。目前的電動汽車普遍采用大容量鋰離子電池組，空氣冷卻方式很難勝任。而相變材料冷卻尚處于研究階段，商業(yè)化應用還不多。液體冷卻以其散熱均溫性能好而被廣泛采用。
目前，電池模組的液冷散熱主要是通過帶有內(nèi)流通道的液冷單元與電池模組表面緊密貼合進行換熱。AnthonyJarrett等設計了一個蛇形通道冷卻板。通過改變流道的幾何參數(shù)(長度、寬度和路徑)，使系統(tǒng)的平均溫度、溫度均勻性和系統(tǒng)壓降維持在合適的范圍內(nèi)?？紤]到不同工況條件下的影響，又進行了改進。ShangZZ等發(fā)現(xiàn)增大流量可以有效地降低最高溫度，但是在提升溫度一致性方面則不太明顯。這是因為:僅僅優(yōu)化單一因素很難提升電池的整體性能。為此通過單因素分析和正交試驗，對影響電池熱性能的3個因素(質(zhì)量流量、入口溫度、冷卻板寬度)進行了優(yōu)化。最終得到入口溫度為18℃、冷卻板寬度為70mm、質(zhì)量流量為0.21kg·s－1時，可獲得最佳的冷卻性能。鄂加強等分析了管道寬度、管道高度、管道數(shù)量、冷卻液流速對液冷電池熱管理模型冷卻效果的影響，發(fā)現(xiàn)就溫度均勻性而言，管道數(shù)量和冷卻液流速具有相似的影響，兩者均為主要因素。閔小滕等基于微小通道扁管設計了液冷電池系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)多通道和大接觸角更有利于電池散熱。
不同流道結(jié)構(gòu)的液冷單元對電池模組散熱性能的影響非常大，一個結(jié)構(gòu)設計優(yōu)良的液冷單元可以明顯提升電池模組的散熱均溫性能。本文提出一種中心回轉(zhuǎn)式液冷板結(jié)構(gòu)，從流道沖壓結(jié)構(gòu)設計、強化傳熱結(jié)構(gòu)等角度探究液冷系統(tǒng)散熱、均溫、能耗性能的影響規(guī)律，為電池熱管理系統(tǒng)提供參考。
1液冷板設計
1.1液冷板沖壓結(jié)構(gòu)設計
本文以某電池模組的液冷單元為研究對象，液冷單元主要由液冷板、導熱墊、電池模組以及其他的輔助部件組成，如圖1所示。電池模組采用VDA標準設計尺寸，每4個電池單體組成一個模組，然后采用1并4串的連接方式。
液冷板沖壓結(jié)構(gòu)如圖2所示，由上冷板和下冷板焊接組成，上冷板通過導熱墊與電池模組底部直接貼合，下冷板為帶有流道的沖壓結(jié)構(gòu)。為了滿足散熱均勻性的要求，下冷板采用中心回轉(zhuǎn)式對稱結(jié)構(gòu)設計，一共有9個流道，根據(jù)散熱要求可設計為不同的寬度和深度。液冷板材料采用3003鋁合金，鋁板厚度為1.5mm，采用沖壓工藝一次性成形，適合于大批量生產(chǎn)。
1.2液冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)設計
液冷板流道的截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，液冷板一共設計有9個流道，從左往右的寬度W依次為W1、W2、W3、W4、W5、W4、W3、W2、W1，流道布置為左右對稱，中心流道寬度為W5。其中，D為流道深度。
為了分析流道的沖壓結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻性能的影響，共設計了5種截面的流道，分別用C1～C5表示，如表1所示。其中，C1的各流道寬度均為22.0mm，其余4種流道寬度呈等差數(shù)列分布，從中心流道往兩側(cè)，流道寬度遞增。以C1流道為研究對象，流道深度設計參數(shù)如表2所示。其中，D1～D4為不同流道深度。
1.3流道強化傳熱結(jié)構(gòu)設計
針對流道深度為3.0mm的C1流道添加傳熱結(jié)構(gòu)，如圖4所示。其中A0為進水口，A1為出水口。
T1為全部添加強化傳熱結(jié)構(gòu)，T2～T5為部分添加強化傳熱結(jié)構(gòu)，所有強化傳熱結(jié)構(gòu)均采用沖壓成形工藝加工而成。
2CFD流固熱耦合數(shù)值計算
2.1邊界參數(shù)設置
在仿真分析前，首先要確定單個電池模組的發(fā)熱功率，一般情況下，電池放電時的發(fā)熱功率大于充電時的發(fā)熱功率，因此，只要測試電池在1C放電倍率下的電池模組發(fā)熱功率即可，其可作為邊界熱輸入條件。根據(jù)試驗測試結(jié)果，本文選用的電池模包在1C放電倍率下測得的發(fā)熱功率為27W，所以，單個模組的發(fā)熱功率確定為108W。
其次，為了便于分析，對電池模組作以下假設:(1)電池模組在充放電過程中產(chǎn)生的熱量全部通過導熱墊傳遞給冷卻液帶走，即電池模組其余部分與外界的接觸面為絕熱狀態(tài);(2)由于電池模組通過導熱墊將熱量傳遞給液冷系統(tǒng)，基于前述假設，可將電池模組熱源邊界簡化為導熱墊表面的熱流邊界，即CFD數(shù)值求解分析中，不考慮電池模組，該簡化可以節(jié)約大量計算資源。
冷卻液在進水口處的溫度為25℃，冷卻液流量為1.25L·min－1。其他邊界參數(shù)如導熱墊規(guī)格及其熱流密度等如表3所示。
液冷系統(tǒng)的導熱墊材料為有機硅膠復合材料，液冷板為鋁合金材料，冷卻液為乙二醇水溶液，其體積配比為1∶1，動力粘度μ為0.00339Pa·s，液冷系統(tǒng)的物性參數(shù)如表4所示。
2.2CFD數(shù)值計算收斂性與準確性判斷
電池模組及冷卻系統(tǒng)的物理模型比較復雜，因此，在CFD數(shù)值計算分析過程中，要考慮模型簡化是否合理、網(wǎng)格質(zhì)量是否滿足CFD流固熱耦合數(shù)值計算結(jié)果準確性要求。本文涉及到多個不同模型工況的計算，最終流體網(wǎng)格計算數(shù)量為186.67萬，固體域網(wǎng)格計算數(shù)量為99.03萬。流體區(qū)域的邊界層為3層，每層的厚度隨著流量在0.15～0.30mm之間變化。固體域的計算步數(shù)為2400步，流體區(qū)域的最大迭代步數(shù)為12000步。本文選用的湍流模型為k-ε模型，所有算例的殘差均控制在10－6以內(nèi)。本文中所有算例的流固交界面換熱功率、出口水溫溫升與一維計算結(jié)果的對比如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，所有算例的誤差均非常小，均在2.2‰之內(nèi)，故認為上述網(wǎng)格劃分和迭代可以保證本文中CFD數(shù)值計算的收斂性和準確性。
3計算結(jié)果與散熱性能分析
3.1流道寬度的影響分析
圖6為不同中心流道寬度下導熱墊表面平均溫度和最大溫差的變化曲線。隨著中心流道寬度W5的增加，導熱墊表面的平均溫度在波動中上升，最大溫差先降后升，且呈線性增加。W5為7mm(C4)時，導熱墊表面平均溫度為36.95℃，最大溫差為7.66℃，比W5為22mm(C1)時的平均溫度降低了2.5%，最大溫差降低了7.7%。當W5為15mm(C4)時，導熱墊表面平均溫度相比C1流道時降低了1.0%，最大溫差降低了3.5%。隨著中心流道寬度的減小，液冷系統(tǒng)的散熱均溫性能越來越好，但中心流道寬度也非越小越好。相比于平均溫度，減小流道間距對最大溫差的降低更明顯。
不同冷卻流道寬度下流阻ΔP、傳熱系數(shù)h、熱阻R的變化曲線如圖7所示，隨著中心流道寬度W5的遞增，流阻ΔP與傳熱系數(shù)h的變化曲線基本一致，在波動中下降，而熱阻R呈上升趨勢。可以看出，中心流道寬度越大，流阻ΔP越小，相應的能耗就越低。
圖8為不同中心流道寬度下導熱墊表面與流固交界面的溫度分布云圖。當流道類型為C5(W5=22mm)時，高溫區(qū)域集中在液冷系統(tǒng)的兩側(cè);當流道類型為C2(W5=7mm)時，流道的中心流道窄、兩側(cè)流道寬，兩側(cè)的高溫明顯降低，系統(tǒng)的散熱均溫性能明顯提升;W5為6mm時，液冷板的最大溫差較高，均溫性能很差。這是因為:隨著中心流道寬度的進一步減小，中心區(qū)域溫度升高，反而惡化了液冷板的均溫性能。
3.2流道深度的影響分析
圖9為不同流道深度下導熱墊表面溫度的變化曲線。隨著流道深度D的增加，平均溫度、最大溫差均不斷增加。當液冷板流道深度D從2mm增加至5mm時，導熱墊表面平均溫度由35.2℃提升至39.0℃，升高了10.8%，最大溫差由6.65℃提升至9.90℃，升高了48.9%。可以看出，在冷卻液進口流量不變的情況下，小流道深度意味著流道內(nèi)的冷卻液流速高，有利于散熱。
圖10為不同流道深度下流阻ΔP、傳熱系數(shù)h、熱阻R的變化曲線。隨著流道深度D的增加，系統(tǒng)流阻ΔP與傳熱系數(shù)h均逐步降低，熱阻R逐步升高。與流道深度D=5mm相比，D=2mm時的液冷系統(tǒng)流阻升高了3.4倍，傳熱系數(shù)提升了92%，熱阻降低了32%。散熱性能提升的同時，液冷系統(tǒng)的能耗也大幅增加。
3.3強化傳熱結(jié)構(gòu)的影響分析
圖11為不添加強化結(jié)構(gòu)的設計方案(C1)與5種添加強化傳熱結(jié)構(gòu)的設計方案(T1～T5)的導熱墊表面溫度對比。與C1流道類型相比，T1強化傳熱結(jié)構(gòu)設計下的導熱墊表面平均溫度下降了3.8%，最大溫差下降15.1%。T2～T4強化傳熱結(jié)構(gòu)設計下的液冷系統(tǒng)平均溫度變化不明顯，最大溫差卻有不同程度的降低?？梢缘贸觯砑訌娀瘋鳠峤Y(jié)構(gòu)可以改善液冷系統(tǒng)的散熱性能。由流體力學理論可知，在冷卻流道內(nèi)設計強化傳熱結(jié)構(gòu)，使冷卻介質(zhì)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳎瑥亩淖兞死鋮s液介質(zhì)的流動狀態(tài)，改善液冷系統(tǒng)的散熱均溫性能。
添加強化傳熱結(jié)構(gòu)對液冷系統(tǒng)流阻ΔP、傳熱系數(shù)h和熱阻R的影響如圖12所示。相比C1流道類型，T1～T5強化傳熱結(jié)構(gòu)的流道流阻ΔP、傳熱系數(shù)h均有一定的增加，熱阻R均有一定的減小。其中，T1強化傳熱結(jié)構(gòu)設計的流阻ΔP升高了11.5%，傳熱系數(shù)h上升了27.5%，熱阻R減小了14.3%。由圖4可以看出，T1為整體添加強化傳熱結(jié)構(gòu)，T2～T4在T1的基礎上去掉部分強化傳熱結(jié)構(gòu)。T4相比T1減少了46%的強化傳熱結(jié)構(gòu)，此時導熱材料表面的平均溫度升高了4.8%，最大溫差升高了2.4%，而流阻降低了8.5%。隨著強化傳熱結(jié)構(gòu)的減少，系統(tǒng)的散熱均溫性能會變差一點，但流阻的降低幅度更高。相比T1整體區(qū)域添加強化傳熱結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域添加強化傳熱結(jié)構(gòu)可以提升系統(tǒng)的散熱性能、降低能耗、降低工藝難度，在實際工程中是更為合理的選擇。
4結(jié)論
(1)根據(jù)電池模組散熱要求，設計了一種中心回轉(zhuǎn)式液冷板沖壓結(jié)構(gòu)的液冷單元，對流道的沖壓結(jié)構(gòu)參數(shù)和強化傳熱結(jié)構(gòu)進行了分析。
(2)探討了不同流道結(jié)構(gòu)的液冷單元對電池模組散熱性能的影響，隨著中心流道寬度W5的減小，電池模組的散熱均溫性能越來越好，但中心流道寬度也不是越小越好。流道深度越小，越有利于電池模組散熱均溫性能的提升，但是流道深度過小，不僅會增加制造工藝難度，還會引起系統(tǒng)能耗的大幅增加。
(3)添加強化傳熱結(jié)構(gòu)可以改善電池模組的散熱均溫性能，使其平均溫度降低了3.8%，最大溫差下降15.1%。相比整體區(qū)域添加強化傳熱結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域添加強化傳熱結(jié)構(gòu)可以減少流阻、降低能耗，而不引起系統(tǒng)的散熱均溫性能的顯著變化。
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