范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能

能源阿陽

2023年7月11日 17:03

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作者：陳雅( 范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖1 ), 范立云( 范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖2 ), 李晶雪, 李美斯, 徐超, 顧遠琪

單位：哈爾濱工程大學

引用： 陳雅, 范立云, 李晶雪, 等. 二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能[J]. 儲能科學與技術, 2023, 12(6): 1880-1889.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0006

摘要針對傳統蛇形流道的大壓降、高功耗問題，結合二次流結構，設計了一種新型的二次流蛇形液冷板，建立仿真模型，對比了傳統蛇形液冷板和二次流蛇形液冷板的性能。另外，進一步研究了不同流速下二次流通道數量、通道寬度、通道角度、通道距離對二次流蛇形流道傳熱和壓降特性的影響。結果表明，傳統蛇形液冷板在增加了二次流結構后，液冷板進出口壓降下降了90.69%，很大程度上解決了傳統蛇形流道的問題；隨著流速的增大，不同結構參數的液冷板的冷卻效果增強，在流速大于0.4 m/s后，最高溫度維持在303 K左右，最大溫差維持在4.5 K左右，壓降和泵功隨流速增大而增加；各個結構參數都存在最優值，當通道數量為7，通道寬度為4 mm，通道角度為75°，通道距離為8 mm時，系統的壓降大大降低，很大程度上節省了泵功。

關鍵詞鋰離子電池；液冷；蛇形流道；二次流

氣候及環境問題是目前全人類所需共同攻克的難題，并且隨著碳達峰、碳中和目標的推進，未來要求提高能源利用率而減少污染排放也是大勢所趨。在全球減碳行動下，汽車和船舶產業向新能源轉型也是必然，其中電動汽車和電動船舶，因其能耗小、污染小等優點，成為應對目前環境污染和能源危機的關鍵。

鋰離子電池作為電動汽車和電動船舶的核心部件之一，具有能量密度高、循環壽命長、自放電率低等優點。但是電池充放電過程中，由于其內部的化學反應會導致熱量的聚集，進一步引起溫度的升高。溫度的持續升高會影響電池的充放電循環壽命、安全和整體性能。研究表明，鋰電池的最佳溫度在20～40 ℃，溫差應該控制5 ℃以內。為了保證電池的工作性能，采取有效的熱管理措施尤為重要。其中液冷具有對流換熱系數大、冷卻效率高、穩定等優勢，在眾多熱管理技術中脫穎而出。

目前，液冷系統的研究主要集中在通道幾何參數、冷卻板結構和流體流動分布的優化方法。許多新結構被提出，例如仿生葉脈通道、帶斜翅片的發散通道、特斯拉閥通道等，但結構的復雜化也帶來了制造加工的困難。這些年來，蛇形流道作為一種基礎流型，結構相對簡單，被廣泛研究與應用。然而傳統蛇形流道因其多次彎曲的流道走向，通常面臨著壓降大、均溫性差等缺點。大部分研究者針對蛇形流道進行改進研究。Osman等研究了平行直通道、波浪形通道、蛇形通道的冷卻性能，結果表明在同一工況下，雖然蛇形流道的散熱能力最好，但是會產生更高的壓降，從綜合評價系數來看，波浪形通道性能更加優異。Imran等設計了一種迷宮蛇形微通道，在不同質量流量下與直通道進行了對比，研究發現在所有質量流量下，迷宮蛇形微通道的底板溫度均小于直通道，壓降均大于直通道。Deng等通過數值仿真研究了傳統蛇形通道冷板的通道數量、布局和冷卻液入口溫度對冷卻板熱性能的影響，研究表明沿著液冷板長度方向布置的5通道蛇形液冷板具有最佳的冷卻性能，但是需要消耗更多的泵功來實現。元佳宇等設計了具有單向流通結構和雙向對流結構的蛇形管路電池組熱管理系統，比較了不同質量流量下兩種結構的熱力性能，結果表明雙向流結構有效提高了電池模塊的均溫性。Sheng等設計了一種具有雙入口和出口的新型蛇形通道液體冷卻板，研究表明入口和出口布置在另一側比在同一側的熱管理能力強，大大提高了溫度均勻性。Jaffal等將肋板與傳統蛇形通道結合，肋板的加入明顯改善了系統的散熱性能，但是同時也增加了系統的壓降。

綜上所述，蛇形流道的改進研究多集中于優化流道來改善散熱性能。然而，在提高系統冷卻能力的同時，通常伴隨著壓降的增大，反而降低了系統的綜合性能。本工作針對上述問題作出了改進，結合二次流結構，設計了一種新型二次流蛇形通道結構，建立了仿真模型，并且進一步對不同冷卻液流速下的結構參數進行了研究。該結構的提出對于蛇形流道降低壓降、節省泵功具有重要意義。

1 模型建立

本工作以20 Ah軟包電池作為研究對象，該電池液冷模組由液冷板和電池組成，其中電池模組包含25塊單體電池并聯，每一塊電池的尺寸為187 mm×125 mm×9.5 mm，其中正負極柱的尺寸為30 mm×30 mm×0.26 mm，電池由兩側的液冷板進行冷卻，液冷板的尺寸為187 mm×125 mm×2 mm，如圖1(a)所示。考慮到計算成本，利用整體電池模組的對稱性，取其中一個重復單元作為研究對象，如圖1(b)所示，包括3塊液冷板、2塊完整的電池和2塊半電池。本工作以傳統的蛇形流道作為基礎結構，增加二次流結構，設計了一種新型的二次流蛇形液冷板，如圖1(c)所示。圖1(c)中的二次流結構是由直的主通道和與主通道有一定角度的副通道組成，其中相鄰副通道鏡像對稱。主通道更寬，流道內的流體為主流，副通道內的流體為二次流。這些副通道的存在打通了相鄰的主通道，增強了流體擾動。其中液冷板的主要結構參數包括二次流通道的數量 n、通道的寬度 d、通道的角度 α、通道距離 L。表1為電池的物性參數。

范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖3

圖1 幾何模型(a)電池模組(b)計算單元(c)冷卻板結構設計

表1 電池物性參數

2 數學模型

2.1　控制方程

上述圖1(b)的計算單元包含電池、液冷板和冷卻液，各個計算區域的控制方程如下。

（1）冷卻液

流體區域的質量守恒方程

(1)

冷卻液入口速度為0.1 m/s，入口尺寸為1 mm×6 mm，計算可得雷諾數小于2300，其流動狀態為層流，則其動量守恒方程：

(2)

能量方程：

(3)

其中

、

、

、

、

為冷卻液的密度、黏度、比熱容、導熱系數、溫度； P為微元體所受的壓力。

（2）液冷板

能量守恒方程：

(4)

其中

、

、

、

為液冷板的密度、比熱容、溫度、導熱系數。

（3）電池

能量守恒方程：

(5)

其中

、

、

、

、

、

為電池的密度、比熱容，沿著 x軸的導熱系數、沿著 y軸的導熱系數、沿著 z軸的導熱系數、溫度。范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖25

為電池主體的體積生熱率，根據葉海軍的實驗結果可得，電池的體積生熱率轉換為時間的多項式，其為：

(6)

極耳生熱率為

(7)

其中

、

、

、

、

、

為極耳的生熱量、體積、電阻、電阻率、高度、橫截面積； I為電流。

2.2　邊界條件

仿真過程中整個計算單元的環境溫度為298 K，壁面為絕熱面，自然對流系數為0 W/(m ²·K)。液冷板內冷卻液為50%乙二醇水溶液，入口為速度入口邊界條件，為0.1 m/s，流動狀態為層流。出口為壓力出口，為1atm(101325 Pa)。液冷板為鋁。

2.3　網格和時間步長無關性驗證

在仿真計算中，計算結果的精度離不開網格數量和時間步長的影響。網格數量越多，計算時間越長，計算精度也越高。時間步長越小，同樣面臨著更長的計算時間。為同時滿足計算精度和計算時間，對傳統蛇形液冷板液冷電池模組和二次流蛇形液冷板液冷電池模組進行網格和時間步長無關性驗證。圖2為傳統蛇形流道的網格無關性驗證圖，從圖中可以看到，隨著網格數量達到10160521，即圖中所標紅點處，網格數量繼續增加，液冷板的壓降△ P和電池模組的最高溫度 T _max基本不再有變化。表2為傳統蛇形流道的時間步長無關性驗證表，從表中看到時間步長從1 s增加到20 s，各時間步長的仿真模型的液冷板壓降的誤差始終在0.01%以下，電池模組的最高溫度誤差始終在0.1%內。最終選擇20 s的時間步長進行仿真。使用同樣的驗證方法，得到二次流蛇形液冷板電池模組的網格數量為10051731，時間步長為20 s。

范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖34

圖2 傳統蛇形液冷板的網格無關性驗證

表2 傳統蛇形液冷板的時間步長無關性驗證表

2.4　模型驗證

考慮到仿真結果的可靠性，針對單體電池的熱模型做了驗證，以文獻[ 20]中的實驗數據對仿真數據進行驗證。圖3為單體電池熱模型驗證圖，單體電池以1C、2C、3C放電倍率進行放電，放電過程中監測電池表面平均溫度。從圖中可以看到，以不同放電倍率放電時，仿真和實驗所監測的單體電池表面平均溫度相差基本都在1 ℃內，故仿真值與實驗值相差不大，這也證明仿真結果是準確的。

范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖36

圖3 單體電池熱模型驗證

3 結果與分析

3.1　兩種結構仿真結果對比

為研究新型二次流蛇形液冷板的性能，與傳統蛇形液冷板做了對比，以3C放電倍率放電結束后，取電池模組最高溫度 T _max，最大溫差? T，液冷板進出口壓降? P作為評價指標。如圖4所示，與蛇形結構對比，在增加了二次流結構后，最高溫度升高了0.157%，最大溫差升高了11.6%，液冷板進出口壓降下降了90.69%。二次流蛇形液冷板雖然在冷卻性能上略遜于傳統蛇形液冷板，但是卻能很大程度上降低壓降，減少泵功消耗。綜合來看，這種新型液冷板可以在滿足電池熱需求的基礎上，進一步減少整個系統的能耗。

范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖37

圖4 兩種結構放電結束后對比

針對電池模組放電結束后的狀態做了進一步的研究，如圖5所示。圖5(a)為計算單元整體溫度云圖，可以看到蛇形通道的整體溫度從進口向出口方向溫度逐漸升高，二次流蛇形流道的溫度從進口沿著對角線溫度逐漸升高。為了進一步探究二次流蛇形流道內部流體流動狀態，取計算單元中心截面，即 x=17.25 mm截面，做出截面的溫度(b)、速度(c)、壓力(d)分布云圖。不同于蛇形流道，由于二次流結構打通了蛇形流道中的相鄰通道，大部分的低溫冷卻液從靠近進口的二次流通道搶先一步進入下一級蛇形流道中，導致左側的冷卻效果減弱，且隨著一級級的傳遞，這種影響越來越大，最終導致左下角的熱量集中，形成高溫區域。從速度分布云圖能夠更清楚地看到流體的流動狀態，蛇形流道由于單向一致的流向，具有更大的速度，大部分流體區域的速度在0.15～0.16 m/s之間，在流道拐彎處由于流向的突然變化，壁面處的流速也隨之增大到0.19 m/s。二次流結構的增加破壞了蛇形通道的流動，使各通道的流量被重新分配，且因其狹小的空間加速了冷卻液流動，但流體先一步進入下一級也導致了遠端的流速小于進口近端的流速。另外二次流結構緩解了蛇形流道帶來的大壓降，整體流道壓力分布更加均勻。

范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖38

圖5 兩種結構仿真結果云圖對比

3.2　流道數量n的影響

為進一步評價結構參數所帶來的影響，引入新的評價指標，即泵功

(8)

其中 v _in為進口流速，單位為m/s； A _in為進口的面積，單位為m ²；范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖40

為進出口的壓降，單位為Pa。

為了分析不同通道數量對系統性能的影響，取1、2、3、4、5、6、7七組不同的通道數量，在0.1～0.5 m/s的流速下進行模擬仿真計算，如圖6所示。圖6即為不同流速下流道數量對系統性能的影響。從圖6(a)、(b)中看到，隨著流速的增加，不同通道數量的電池模組最高溫度和最大溫差均逐漸降低，在流速大于0.4 m/s后，流速帶來的冷卻效果增益消失，最高溫度維持在303 K，最大溫差在4.5 K。在小流速下，2條通道的電池模組的最高溫度和最大溫差最小，隨著流速增大，7條通道的電池模組的最高溫度和最大溫差最低。整體來看，通道數量對電池模組的最高溫度和最大溫差的影響不太顯著，在同一流速下，不同通道數量的系統溫差維持在1 K以內。從圖6(c)、(d)看到，隨著流速的增加，不同通道數量的進出口的壓降和消耗的泵功都逐漸增大；在同一流速下，隨著通道數量的增加，進出口的壓降和泵功逐漸減小，但減小的速率變小。說明通道數量越多，越有利于降低壓降，節省泵功，在0.5 m/s時，7通道的壓降比1通道的壓降降低79.2%。考慮到電池模組的最佳工作溫度范圍為20～40 ℃，最大溫差在5 ℃以內。為達到最佳的冷卻效果和節省泵功，我們選擇7通道，進行后續研究。

范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖41

圖6 不同流速下通道數量對系統性的影響

3.3　通道寬度d的影響

為了分析不同通道寬度 d對系統性能的影響，取1、2、3、4、5 mm五組不同的通道寬度、在0.1～0.5 m/s的流速下進行模擬仿真計算，如圖7所示。圖7為不同通道寬度對系統性能的影響。從圖7(a)、(b)可以看到，隨著流速的增大，通道寬度變化對電池模組的最高溫度和最大溫差帶來的影響先逐漸變大后逐漸變小，當流速大于0.4 m/s后，通道寬度的改變基本不會影響系統的熱力學性能，最高溫度維持在303 K左右，最大溫差維持在4.5 K左右。在同一流速下，隨著通道寬度的增大，電池模組的最高溫度和最大溫差逐漸增大，1 mm時的最高溫度和最大溫差最小，但是1 mm和5 mm的最高溫度和最大溫差相差也僅為1 K左右。這說明同樣通道寬度對系統的冷卻效果影響不大。從圖7(c)、(d)看到，隨著流速的增大，系統的壓降和泵功逐漸增大；在同一流速下，通道寬度越大，壓降和泵功越小，這是因為通道寬度變大意味著冷卻液的流動阻力減小，則需要更少的動力去驅動冷卻液流動。當通道寬度為5 mm時，泵功相比于1 mm的通道寬度節省了79.9%。

范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖42

圖7 通道寬度對系統性能的影響

3.4　通道的角度α的影響

為了分析通道角度對于系統性能的影響，取45°、60°、75°、90°、105°五組不同的通道角度，在0.1～0.5 m/s的流速下進行模擬計算，其結果如圖8所示。圖8即為不同通道角度 α帶來的影響，從圖8(a)、(b)可以看出，隨著流速的增大，電池模組的最高溫度和最大溫差逐漸減小，最高溫度從308 K降低到303 K，最大溫差從8.5 K降低到4.5 K；在同一流速下，隨著通道角度的增大，電池模組的最高溫度和最大溫差逐漸增大，0.4 m/s之后，流速增大和通道角度改變都不會再對電池模組的熱力學性能產生影響，電池模組最高溫度維持在303 K左右，最大溫差維持在4.5 K左右。當通道角度為105°時，相比于45°，最高溫度和最大溫差升高了1 K左右。這主要是因為通道角度變大，意味著通過二次流通道的流體流通體積減小，且流體的混合減緩，也就減弱了液冷板的傳熱效果，但是整體來看，通道角度的改變對于電池模組的熱力學性能影響不大。從圖8(c)和(d)可以看到，隨著流速的增大，系統的壓降和泵功逐漸增大；隨著通道角度的增大，壓降和泵功都逐漸減小，75°之后，通道角度的改變不再對泵功和壓降產生影響。當流速為0.5 m/s時，通道角度為75°的泵功比通道角度為45°時，減少了24.9%，壓降降低了23.5%。這主要是因為通道角度變大，流體通過二次流通道的距離縮短，沿程阻力減小，壓降和泵功也隨之減少。但是綜合來說，通道角度的改變對于系統的冷卻效果和泵功消耗方面影響都不是特別大。

范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖43

圖8 通道角度對系統性能的影響

3.5　通道距離L的影響

為了分析通道距離 L對于系統性能的影響，取4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm五組不同的通道距離，在0.1～0.5 m/s的流速下進行模擬計算，其結果如圖9所示。圖9即為不同通道距離帶來的影響，從圖9(a)、(b)可以看出，隨著流速的增大，電池模組的最高溫度和最大溫差逐漸減小，最高溫度從307.5 K降低到303 K，最大溫差從8 K降低到4.5 K；在同一流速下，隨著通道距離的增大，電池模組的最高溫度和最大溫差逐漸減小，在流速大于0.4 m/s之后，流速增大和通道距離改變都不會再對電池模組的熱力學性能產生影響，但是整體來看，通道距離的改變對于電池模組的熱力學性能影響不大。從圖9(c)和(d)可以看到，隨著流速的增大，系統的壓降和泵功逐漸增大；隨著通道距離的增大，壓降和泵功都逐漸減小，但是各個通道距離的壓降和泵功相差并不大。總體來看，通道距離的增大，在一定程度上改善了液冷板的冷卻效果，降低了系統的能耗，但是這種改善作用并不是特別明顯。

范立云等：二次流蛇形通道鋰離子電池散熱性能的圖44

圖9 通道距離對系統性能的影響

4 結論

本工作針對傳統蛇形液冷板作出改進，設計了一種新型二次流蛇形液冷板。通過數值模擬仿真對兩種液冷板進行對比，并對新型二次流蛇形液冷板的結構參數的影響做了研究分析，結論如下。

（1）新型二次流蛇形液冷板比傳統液冷板的最高溫度升高了0.157%，最大溫差升高了11.6%，液冷板進出口壓降下降了90.69%。雖然系統的冷卻效果有所下降，但是壓降卻大大降低，節省了泵功，綜合來說，新型二次流蛇形液冷板的性能更優秀。

（2）隨著流速的增大，不同結構參數的液冷板的最高溫度和最大溫差都均逐漸減小，但在流速大于0.4 m/s后，最高溫度維持在303 K左右，最大溫差維持在4.5 K左右，壓降和泵功隨流速增大而增加。

（3）不同結構參數都存在最佳取值范圍，當通道數量為7時，在大流速下，液冷板的冷卻效果最好，且壓降低，消耗泵功少。在0.5 m/s時，7通道的壓降比1通道的泵功降低79.2%；通道寬度為5 mm時，泵功相比于1 mm的通道寬度節省了79.9%；通道角度為75°時，泵功比45°時節省了24.8%；通道距離為8 mm時，液冷板的冷卻效果最好，消耗泵功最少。

第一作者：陳雅（1999—），女，碩士研究生，研究方向為新能源動力及電池熱管理技術，E-mail：752909415@qq.com；

通訊作者：范立云，教授，研究方向為新能源動力及電池熱管理技術，E-mail：fanliyun@hrbeu.edu.cn。

文章來源：儲能科學與技術

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