工字形流道液冷板式换热器用于电池热管理的数值研究.pdf
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1、第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Journal of RefrigerationVol.44,No.5October,2023文章编号:0253-4339(2023)05-0078-10doi:10.3969/j.issn.0253-4339.2023.05.078工字形流道液冷板式换热器用于电池热管理的数值研究何 平1 卢 浩1 范益伟2 张 强1 黄泽忠1 朱银锋1(1 安徽建筑大学机械与电气工程学院 合肥 230601;2 武汉科技大学冶金装备及其控制省部共建教育部重点实验室 武汉 430081)摘 要 为解决动力电池工作过程中温度过高的问题,本文基于结构理论
2、提出了一种双层工字形流道液冷板。通过充放电实验建立电池的产热模型,然后利用 FLUENT 软件建立液冷板的计算流体力学模型。通过正交试验设计研究 3 个结构参数(长度比、宽度比和流道厚度)对温度和压降的影响,得出最佳组合方案:长度比为 0.70、宽度比为 0.85、流道厚度为 2.5 mm。此外,讨论不同入口速度对液冷板性能的影响。最后,将工字形流道与蛇形流道在相同传热面积和入口速度的条件下进行综合性能对比。结果表明:随着流速的增加,液冷板的最高温度下降了 17.493 2 K,表面温度标准差下降了 63.4%,最大压力增加了 726.789 Pa。工字形流道液冷板的最高温度比蛇形流道液冷板降
3、低了 1.333 0 K,表面温度标准差降低了 1.386 5 K,压降相比于蛇形流道降低了 24.38%。关键词 电池冷却;板式换热器;工字形流道;传热系数中图分类号:TB61+1;TM912文献标识码:ANumerical Investigation of Battery Thermal Management Using Liquid-cooling Plate Exchanger with I-shaped Flow Channel He Ping1 Lu Hao1 Fan Yiwei2 Zhang Qiang1 Huang Zezhong1 Zhu Yinfeng1(1.School
4、of Mechanical and Electrical Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei,230601,China;2.Key Labo-ratory of Metallurgical Equipment and Its Control,Ministry of Education,Wuhan University of Science and Technolo-gy,Wuhan,430081,China)AbstractTo solve the problem of high temperatures during the operatio
5、n of power batteries,a double-layer liquid-cooling plate heat-dissipation system with an I-shaped flow channel is proposed based on structural theory.The heat production model of the battery was established through charging/discharging experiments,and the computational fluid dynamics model of the li
6、quid-cooling plate was established using FLUENT software.The effects of three structural parameters(length ratio,width ratio,and channel thickness)on the temperature and pressure drops were investigated using the orthogonal experimental design.The optimal combination of a length ratio of 0.70,width
7、ratio of 0.85,and channel thickness of 2.5 mm was determined.In addition,the effects of different inlet velocities on the performance of liquid-cooling plates were considered.The comprehensive performances of I-shaped and serpentine channels were compared at the constraint of constant heat transfer
8、area and inlet velocity.The results showed that with an increase in the flow rate,the maximum temperature of the liquid-cooling plate decreased 17.493 2 K,the standard deviation of the surface temperature decreased by 63.4%,and the maximum pressure increased by 726.789 Pa.The maximum temperature of
9、the I-shaped flow channel liquid-cooling plate was 1.333 0 K lower than that of the serpentine flow channel;the standard deviation of the surface temperature was 1.386 5 K smaller,and the pressure drop was 24.38%lower than that of the serpentine channel.Keywords battery cooling;plate heat exchanger;
10、I-shaped flow channel;coefficient of heat transfer 基金项目:国家自然科学基金(51877001)资助项目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51877001).)收稿日期:2022-10-10;修回日期:2022-12-09 随着环境污染和能源短缺等问题的日益凸显,以电动汽车(electric vehicle,EV)为代表的新能源行业得到了快速发展。EV 的续航增强以及快速充电技术的实现都离不开电池技术的创新,动力
11、电池为 EV 的性能提供了保障1。锂离子电池因高能量密度、高标称电压和低自放电等优点成为现阶段 EV 的首选2。然而,锂离子电池的性能发挥极易受到温度的影响,温度过高会造成热失控,永久损伤电池3。87第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月工字形流道液冷板式换热器用于电池热管理的数值研究Vol.44,No.5October,2023锂离子电池的最佳工况温度区间为 1540 4。因此,高效的电池热管理系统是非常必要的。电池热管理系统根据冷却介质的不同分为:空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和上述冷却策略的组合5-7。液体冷却因其高效的冷却效率已成为现阶段电池热管理系统研发的热点。液体冷却分为
12、直接接触冷却和间接接触冷却8。直接接触冷却受到电池密封封装技术的限制,冷却液一旦侵入电池内部就会损伤电池寿命9。间接接触冷却通过冷却液在液冷板内部流道流动带走热量,从而解决了冷却液外泄的问题10。有关液冷板的研究主要集中于内部流道的优化设计。K.Monika 等11在相同的流道体积下研究蛇形、U 形、直线型和六角形流道的散热性能。结果表明,分流流道相比于螺旋流道具有更好的均匀性和传热能力。孔为等12设计了一种对称蛇形流道来解决传统流道耗能高的问题。由于子流道的设计,对称蛇形流道能够显著减小电池热管理系统的能耗,其压降相比于蛇形流道降低 42.6%。Xu Jing 等13为了提高电池能量密度设计
13、了一种不规则 F2 型液冷板并采用 M 形排布方式。结果表明:电池的最高温度降低了 4.3%,散热效率和功耗也更为优越。李浩等14以均温板为研究对象,向流道注入环保工质R1233zd,研究均温板表面温度变化。实验中,热源功率分别为 345、690 W;蒸发器进口温度分别为 0、-5。结果表明:当热源功率不变时,降低蒸发器入口温度,均温板表面平均温度下降 7.69,表面温差下降 9.10。此外,已有学者对双层通道液冷板的开发进行了研究。Deng Tao 等15设计了一种双层叶状流道液冷板。通过构造结构参数,建立液冷系统传热能力与压降之间的函数关系,采用遗传算法进行优化。结果显示,在最高温度和表面
14、温度标准差降低的同时压降也随之减小。Fan Yiwei 等16基于结构理论提出一种双层树枝状流道液冷系统。将液冷板与蛇形和平行流道进行了传热对比。实验结果显示,优化的液冷板最高温度、表面温度标准差和压降分别下降了13.29、3.35 和 382.1 Pa。本文以锂离子电池为研究对象,提出一种双层工字形流道液冷板,研究锂离子电池体积热源的产热模型,通过构造结构参数研究液冷板最佳传热性能,通过正交试验得出结构参数的最佳组合。最后,对比在不同入口条件下,液冷板最高温度、表面温度标准差和压降的变化情况。将优化后的双层工字形液冷板与具有相同传热面积的蛇形流道液冷板进行对比。1 模型与方法1.1 液冷板的
15、设计 参考仿生学对于分形结构的研究,设计了双层工字形流道液冷板,如图 1(a)所示。液冷板顶部有 32块锂离子电池串并联放置。液冷板的外部尺寸为439 mm313 mm12 mm,冷却剂的入口和出口分别位于液冷板的对立侧。液冷板内部流道分为上层的散热层(红色箭头流向)和下层的收集层(蓝色箭头流向),如图 1(b)所示。内部流道的总厚度为 8 mm。液冷板的上下层流道除了冷却剂入口和出口流道外均是对称的,单层流道在 x-y 平面上也是对称的。图 1 液冷板结构Fig.1 Structure of cold plate1.2 控制方程 为了简化计算热响应,进行如下假设:97第 44 卷 第 5 期
16、2023 年 10 月制 冷 学 报Journal of RefrigerationVol.44,No.5October,20231)冷板是均匀的,传热性在各个方向上是相同的;2)稳态流动;3)不可压缩流体;4)电池在充放电过程中各部分发热均匀;5)忽略热辐射;6)冷却剂在流道中均匀流动17;7)铝材料和液态水的热物理性质与温度无关;8)忽略接触电阻18。选择铝作为液冷板的材料,冷却剂为水,具体参数如表 1 所示。表 1 水和铝的特性Tab.1 Properties of water and aluminum参数铝水导热系数/W/(m K)237.00.6比热容/J/(kg K)9034 18
17、2动力粘度/(Pa s)8.8910-4密度/(kg/m3)2702998 基于上述假设,液冷板的能量控制方程可以表示为:(lclTl)=-(lTl)(1)冷却剂的质量、动量和能量控制方程如下:wv()=0(2)wvv()+p=2v(3)wcwvTw()=w2Tw(4)1.3 电池的产热模型 本研究采用 40 Ah 矩形锂离子电池,电池规格如表 2 所示。实验装置 如 图 2 所 示。温 度 测 量 仪(TAD-6407,东莞市科联电子有限公司)用于监测实验过程中锂离子电池表面温度变化;电子负载(DCL-8003,常州市鼎臣电子有限公司)为锂离子电池提供实验所需负载;温度控制箱(HSG-50B
18、,深圳市德卡精密测量仪有限公司)为实验提供恒温恒湿的环境;电脑用于记录实验数据。实验系统如图3 所示。数值计算中对于电池的热物理参数主要关注密度()、导热系数()和比热容(c)。为了简化计算,假设电池由单一材料组成。因此,上述热物理参数被定义为常数。由于内部的电化学反应,锂离子电池在放电时会产生大量的热量。D.Bernardi 等19提出了一个广泛使用的发热模型:表 2 锂离子电池参数Tab.2 Parameters of lithium-ion battery参数数值阳极石墨阴极LiFePO4容量/Ah40电压/V3.2质量/kg0.935长宽高/(mmmmmm)1489127内阻/m1.3
19、充电条件最大充电电流:1 C充电电压:3.65 V放电条件最大连续放电电流:5 C放电截至电压:2.0 V体积/m30.364图 2 实验装置Fig.2 Experimental device图 3 实验系统Fig.3 Experiment systemQg=I2Rj+ITbUOCVTb(5)08第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月工字形流道液冷板式换热器用于电池热管理的数值研究Vol.44,No.5October,2023其中,I2Rj为焦耳热;ITbUOCVTb为电池内部电化学反应产生的热量。锂离子电池吸收的热量可表示为:Qa=mbcbdTbdt(6)在绝热环境中,锂离子电池产生
20、的热量等于锂离子电池吸收的热量。将式(5)和式(6)变换后得到:1IdTbdt=RjmbcbI+1mbcbTbUOCVTb(7)根据电池的产热理论,分别以 0.5、1、2 和 3 C(C指电流与标称电压之比)的速率依次放电 120、60、30 和 20 min,分别得到 4 组dTbdt值:0.001 306、0.004 306、0.012 333、0.023 083 K/s。通过实验可以建立1IdTbdt和 I 之间的线性关系,如图 4 所示。图 4 实验拟合结果Fig.4 Experimental fitting results线性方程如下:1IdTbdt=1.255 10-6I+4.96
21、7 10-5(8)锂离子电池的等效比热容可以通过上述方程计算,结果为 1 107.9 J/(kgK)。因此,单个电池的加热功率可以计算:Q=Qg=Qa=mbcbdTbdt(9)1.4 初始边界条件与网格独立性测试 初始边界条件:入口:入口速度为 10 g/s,冷却剂进口温度和环境温度均为 298 K。出口:以环境压力作为出口压力,为 0 Pa。壁面:如图 1(a)所示,液冷板的上壁面与电池接触,其余 5 个壁面均不与电池接触。因此,在数值模拟过程中,电池产生的热量作用于液冷板的上壁面。理想情况下,液冷板上壁面的热通量是恒定的,其余壁面为绝热。基于式(9),当电池在 2 C 放电时,热通量计算为
22、 3 197.09 W/m2(=nQ/A0)。雷诺数Re 可通过式(10)和式(11)计算,结果为 1 285.99。因此,流体流动状态为层流。Re=Dhv/(10)Dh=4f/C=2ab/(a+b)(11)基于上述边界条件,利用 ANSYS Fluent 2019 软件对模型进行网格划分。在冷板底部定义的表面温度标准差(T)是传热过程中的一个重要指标,它反映电池温度分布是否均匀,表达式如下:Tavg=ApTdAApdA(12)T=Ap(T-Tavg)2dAApdA(13)考虑最高温度和最大压力的网格独立性测试如图 5 所示。当网格数达到约 73 万,继续增加网格数对结果影响较小。细化网格将会
23、得到更加精确的结果,但代价是计算成本和时间的增加。因此,网格数选取 731 530 进行数值计算。图 5 网格独立性验证Fig.5 Grid independence verification2 电池热管理系统的正交优化2.1 构造结构参数 如图 1 所示,散热层和收集层通道结构相同,单层流道的结构是对称的。因此,散热层和收集层通道的中心流道尺寸均为 L1、W1。为了便于加工制造,所有流道的横截面均为矩形。对于给定 L1、W1,双层通道的平面布局可由长度比(A)和宽度比(B)获得。为了简化计算,散热层与收集层通道的厚度是相等18第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Jou
24、rnal of RefrigerationVol.44,No.5October,2023的。引入流道厚度(C)来控制冷却液的总流量。结构参数定义如下:A=LN+1/LN(14)B=WN+1/WN(15)2.2 正交试验设计 双层工字形流道液冷板的结构由长度比(A)、宽度比(B)和流道厚度(C)共同决定。流道的横截面尺寸是固定的:L1=150 mm,W1=15 mm。对于给定的 W1时,所有流道的宽度可由 B 计算,其预设为0.70、0.75、0.80 和 0.85;A 可以获取内部流道分裂点的位置,其预设为 0.55、0.60、0.65 和 0.70;C 的值预设为 1.0、1.5、2.0 和
25、 2.5 mm。正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法,具有效率高、成本低等优点20。正交试验利用 正交表,从全因子实验中挑选出多组实验,实验的选择具有正交性和代表性,即任一因素各水平出现次数相同,任意两因素所有水平组合均出现。本节提出一个三因素四水平的测试,选择正交表 L16(43)。因子水平表如表 3 所示,A,B,C 分别代表长度比、宽度比和流道厚度,实验结果如表 4 所示。表 3 正交设计因素水平表Tab.3 Design factors and levels水平因素ABC/mm10.550.701.020.600.751.530.650.802.040.700.852.5表 4
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