基于非均勻翅片液冷板的電池?zé)峁芾硇阅苎芯?/h1>
2021-11-09 09:12:42溫達旸趙榮超李巍華
電源技術(shù) 2021年10期
溫達旸，趙榮超，葉 鳴，李巍華
(1.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510641；2.廣州華工機動車檢測技術(shù)有限公司，廣東廣州510641)
動力電池是推動電動汽車迅速發(fā)展的關(guān)鍵部件，其最佳工作溫度范圍為20～40 ℃[1]，在過高或過低的溫度條件下充放電將對鋰電池的效率、壽命和安全性產(chǎn)生負(fù)面影響。在充放電過程中，由于電池自身產(chǎn)熱導(dǎo)致電池溫度升高，因此需要對其進行熱管理，將電池?zé)崃總鬟f到環(huán)境中，同時保持電池組的溫度均勻性。一般認(rèn)為，電池組內(nèi)部溫差應(yīng)小于5 ℃[2]，否則在充放電循環(huán)中，電池單體間的容量及功率衰退程度將產(chǎn)生顯著差異。
電池?zé)峁芾矸椒òL(fēng)冷、液冷、熱管、相變材料冷卻以及這些方法相結(jié)合的方法。其中液冷方法由于對流換熱系數(shù)較大而優(yōu)于風(fēng)冷，同時復(fù)雜性和成本低于相變材料冷卻和熱管冷卻，目前廣泛應(yīng)用于乘用車。并行微通道是當(dāng)前液冷板所采用的主要設(shè)計方式，其優(yōu)點在于可大幅降低通道內(nèi)壓降。HUO 等[3]對平行通道冷板的冷卻性能進行了數(shù)值研究，結(jié)果表明，最高溫度隨并行通道數(shù)和質(zhì)量流量的增加而降低。為進一步降低微通道中的壓降損失，HUANG 等[4]對并行微通道開展了流線型設(shè)計，使壓降從6 581 Pa 降低到3 877 Pa，且不影響冷卻性能。JIN 等[5]提出了一種新的結(jié)構(gòu)，通過在流動通道上增加斜翅片增強傳熱。實驗結(jié)果表明，在熱負(fù)荷1 240 W、流量小于0.9 L/min 的情況下，電池表面平均溫度可維持在50 ℃以下。李瀟等[6]提出了一種基于對角雙向流道結(jié)構(gòu)的液冷板設(shè)計方案，使電池組的最大溫差為2.4 ℃。王文豪等[7]提出了一種基于雙層分形微通道的液冷板，通過優(yōu)化使最高溫度下降了0.51 ℃，溫差下降了1.7 ℃，進出口壓差降低了176 Pa。評價液冷板性能的主要參數(shù)包括最高溫度、溫差、壓降和冷卻板質(zhì)量等，其中流動壓降直接影響水泵功耗。為了獲得最優(yōu)的性能參數(shù)，LI 等[8]開展了微通道液冷板的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，將溫差降低5.7%，壓降損失降低44.53%。DENG 等[9]基于遺傳算法對雙層液冷板結(jié)構(gòu)開展了優(yōu)化，綜合考慮最高溫度、溫度標(biāo)準(zhǔn)差和流動壓降。
為了同時降低電池的最高溫度、溫度差異、流動壓降和液冷板質(zhì)量，本文提出了一種新穎的非均勻翅片液冷板結(jié)構(gòu)。通過實驗測試獲得了電池在5C放電倍率下的產(chǎn)熱率，運用Fluent 軟件建立了液冷板與電池的熱管理仿真模型，基于仿真模型研究翅片直徑變化規(guī)律對最高溫度、溫度標(biāo)準(zhǔn)差、壓降及液冷板質(zhì)量的影響，獲得翅片直徑的最優(yōu)變化規(guī)律，并與傳統(tǒng)并行微通道液冷板的性能進行了對比。
1 實驗及數(shù)值方法描述
1.1 電池產(chǎn)熱
本研究采用的電池單體為鋰聚合物方形軟包電池，如圖1所示。表1 展示了電池單體主要參數(shù)：電池容量為22 Ah，標(biāo)稱電壓3.8 V，最大連續(xù)放電電流7.6C；充放電截止電壓分別為4.35 和3.0 V。
圖1 鋰聚合物電池單體
表1 電池單體參數(shù)細節(jié)
鋰電池在充放電工況下產(chǎn)生大量熱量，為了保證CFD 結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對產(chǎn)熱率進行計算。假設(shè)電池內(nèi)部產(chǎn)熱均勻，其產(chǎn)生的熱量可以用式(1)進行計算[10]：
由于電池內(nèi)阻的原因，路端電壓與電池電動勢之間有差別。內(nèi)阻包括歐姆電阻(RΩ)和極化電阻(RP)。方程的第一項可以改為內(nèi)阻形式表示，如式(2)所示：
熵?zé)嵯禂?shù)為計算反應(yīng)熱的關(guān)鍵參數(shù)，表征開路電壓隨環(huán)境溫度的變化程度，其在不同荷電狀態(tài)下數(shù)值不同。電池等效電路模型可用Thevenin 模型表示，如圖2所示，其中UOC為電池開路電壓，RO為電池歐姆內(nèi)阻，RP為電池極化內(nèi)阻，電容CP描述極化內(nèi)阻的超電勢。本研究通過混合脈沖功率表征(HPPC)實驗測得鋰聚合物電池在不同SOC下的內(nèi)阻，通過在不同荷電狀態(tài)下改變環(huán)境測試箱溫度測得電池熵?zé)嵯禂?shù)，從而校核電池產(chǎn)熱率，實驗平臺如圖3所示。
圖2 Thevenin等效電路模型
圖3 電池充放電測試設(shè)備
1.2 流動傳熱耦合模型
在仿真設(shè)置中，冷卻板材料設(shè)為鋁，采用水作為冷卻劑，將流體視為不可壓縮，液冷板視為各向同性。微通道內(nèi)的流動滿足質(zhì)量和動量守恒，如式(3)～式(4)所示：
此外，流道中冷卻液的能量守恒方程如式(5)所示：
式中：ρl為冷卻液密度；cp,l為冷卻液比熱容；T為冷卻劑溫度；v為冷卻液速度；kl為冷卻劑的導(dǎo)熱系數(shù)。
電池內(nèi)部的能量守恒方程如式(6)所示，左邊一項為電池內(nèi)部熱能的增量，右邊的第一項表示通過熱傳導(dǎo)傳遞的能量，右邊的第二項是電池單體內(nèi)的熱源，由式(2)得到。
如圖4所示，使用ANSYS workbench 17.0 軟件建立流固兩相網(wǎng)格，采用四面體和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對冷卻板和電池模型進行離散，并在壁面附近建立五層邊界層以捕捉邊界層內(nèi)的流動。為提高計算效率，在對稱面上應(yīng)用對稱邊界條件以減少計算量，同時給出進口溫度和質(zhì)量流量作為進口邊界條件，在出口邊界施加靜壓。入口冷卻液溫度設(shè)定為298 K，進口冷卻劑的質(zhì)量流量為0.004 kg/s。為平衡計算誤差和計算成本，進行了網(wǎng)格獨立性分析，選用網(wǎng)格數(shù)為738 000 的網(wǎng)格進行計算，如圖5所示。
圖4 模型網(wǎng)格及邊界層展示
圖5 網(wǎng)格獨立性分析
本研究采用四個指標(biāo)對冷卻板的性能進行評價，用電池最高溫度決定電池工作工況上限，用電池與冷卻板接觸面溫度標(biāo)準(zhǔn)差表征電池單體溫度均勻性，用冷卻液壓降反映驅(qū)動冷卻系統(tǒng)所需的泵送功率，用液冷板質(zhì)量表征液冷板設(shè)計的輕量化性能。
2 液冷板參數(shù)化研究
在非均勻翅片液冷板設(shè)計中，冷卻液的進出口呈對角布置，圓柱形翅片按每行三個，每列七個布置，如圖6所示。允許的最大翅片直徑如式(7)所示，其中W為液冷板內(nèi)部寬度，L為液冷板內(nèi)部長度，m為每一行的翅片數(shù)目，n為每列上的翅片數(shù)目。
圖6 液冷板結(jié)構(gòu)
引入了歸一化直徑，以表征翅片的相對尺寸，如式(8)所示，其中d為翅片的實際尺寸。因此，dr=1 表示該流道被翅片填滿，dr=0 表示翅片在該位置不存在。
本文研究中規(guī)定翅片直徑在X或Y方向上呈等差分布，因此，沿X、Y方向的最大遞增或最大遞減量受到限制，如式(9)和式(10)所示：
為表征翅片直徑的變化程度，定義翅片歸一化直徑增量，如式(11)所示，其中δ為相鄰翅片直徑實際變化量。因此，δr=0表示所有翅片直徑相同，δr=1 表示變化程度達到允許范圍內(nèi)的最大值。
3 結(jié)果與討論
3.1 固定幾何翅片液冷板的性能分析
本節(jié)將分析討論固定幾何翅片方案中翅片歸一化直徑(dr)對液冷板性能的影響。圖7(a)顯示了歸一化翅片直徑在0.3～0.8 時對應(yīng)的最高溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差，隨著直徑增大，最高溫度從34.047 ℃線性減小到32.618 ℃，但冷卻液壓降及液冷板質(zhì)量迅速增加，如圖7(b)所示。dr=0.8 時的壓降是dr=0.3時的283.7%，這表明在固定幾何翅片設(shè)計下，需要更大的泵送功率才能獲得良好的冷卻性能。歸一化直徑從0.3 增大到0.8 時，電池表面溫度變化如圖8所示。與大直徑設(shè)計相比，小直徑設(shè)計左下角溫度明顯升高，原因是當(dāng)翅片直徑較小時，缺乏足夠的冷卻液到達遠離通道中心的區(qū)域。相反，大翅片使得冷卻液在微通道內(nèi)流動均勻。此外，翅片中心區(qū)域相比周圍區(qū)域冷卻性能稍差，如圖8(f)所示。綜上所述，隨翅片尺寸增大，冷卻性能改善，但壓降和質(zhì)量也大幅增加。
圖7 液冷板性能指標(biāo)隨歸一化直徑變化函數(shù)關(guān)系
圖8 不同直徑翅片設(shè)計下電池表面溫度云圖
3.2 非均勻翅片液冷板的性能分析
單純增大或減小翅片直徑無法同時兼顧冷卻、壓降和質(zhì)量，本節(jié)將研究非均勻翅片冷卻板的性能。圖9 為翅片直徑沿X方向和Y方向變化時對應(yīng)的最高溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)歸一化直徑增量（δr）值為正值時，表示沿此方向翅片直徑增大，反之為直徑減小。如圖9所示，X方向存在一個最佳值，使其最高溫度與溫度標(biāo)準(zhǔn)差最優(yōu)。而在翅片直徑沿Y方向遞增的設(shè)計中，最高溫度略微下降，溫度標(biāo)準(zhǔn)差變化較小。圖10 則顯示了冷卻液壓降、液冷板質(zhì)量和δr的函數(shù)關(guān)系，增大直徑變化程度會引起壓降和質(zhì)量顯著增大。
圖9 歸一化直徑變化時液冷板溫度性能指標(biāo)
圖10 歸一化直徑變化時液冷板壓降及輕量化性能指標(biāo)
圖11 比較了X方向變直徑設(shè)計下電池表面的溫度輪廓。歸一化直徑增量δr=0.4 與δr=0.7 的設(shè)計左下角和右邊緣溫度偏高。其原因為在δr=0.4 的設(shè)計中，冷卻液主要通過冷卻板的中心。當(dāng)δr增大到0.7 時，流體的不均勻分布加劇，且壓降升高。而在δr=-0.4 的設(shè)計中，冷卻板上部區(qū)域溫差相當(dāng)大。當(dāng)δr=-0.7 時，三分之一的冷卻板區(qū)域溫度達到32 ℃以上，原因是第一列的大直徑翅片使冷卻液大量分布到冷卻板的右側(cè)?？梢奨方向變直徑的設(shè)計下流體分布不均勻，溫差控制不夠理想。
圖11 翅片直徑沿X方向變化時電池表面溫度云圖
圖12 為翅片直徑沿Y方向變化時的電池表面溫度輪廓。在歸一化直徑增量δr=0.4 設(shè)計中，電池整體溫度控制在32 ℃以內(nèi)，冷卻液分布均勻，冷卻效果優(yōu)良。對于δr=0.7的設(shè)計，溫度控制程度更優(yōu)。而對于翅片直徑沿Y方向遞減的設(shè)計，電池上部區(qū)域溫度均勻性較差，左下角流速較低，冷卻效果欠佳。
圖12 翅片直徑沿Y方向變化時電池表面溫度云圖
綜上，歸一化直徑可變設(shè)計與固定直徑設(shè)計相比，沿Y方向增加直徑的翅片具有較大的溫度控制潛力，且壓降和質(zhì)量性能也有所改善。
3.3 非均勻翅片與并行微通道液冷板性能對比
在上述研究方案中，當(dāng)翅片直徑沿Y方向遞增，歸一化直徑增量為δr=0.4 時，液冷板性能最優(yōu)。取此方案與并行微通道設(shè)計進行對比。二者性能指標(biāo)對比如表2所示，液冷板質(zhì)量從56.13 g 減輕至39.07 g，下降30.39%；功耗從3.48 mW下降至3.09 mW，下降11.2%；電池最高溫度從33.2 ℃下降至31.87 ℃，改善4.01%；電池與冷板接觸面溫度標(biāo)準(zhǔn)差由0.957 2 ℃下降至0.926 2 ℃，改善3.24%。如圖13所示，相比于并行通道液冷板設(shè)計，非均勻翅片液冷板對角與邊緣溫度控制效果明顯改善，中央?yún)^(qū)域溫度更低，不良散熱區(qū)域更小。
圖13 最優(yōu)變直徑翅片設(shè)計與并行微通道設(shè)計溫度云圖對比
表2 最優(yōu)變直徑翅片設(shè)計與并行通道設(shè)計性能指標(biāo)對比
4 結(jié)論
本文提出了一種新穎的非均勻翅片液冷板設(shè)計，以實現(xiàn)控溫效果好、功耗低、質(zhì)量小的目標(biāo)。論文通過實驗測試方法獲得了5C放電下的電池產(chǎn)熱率，基于計算流體動力學(xué)方法研究了固定幾何翅片、沿X方向非均勻翅片和沿Y方向非均勻翅片設(shè)計對液冷板性能的影響，結(jié)果表明翅片直徑沿Y方向遞增設(shè)計與其他設(shè)計相比取得了更好的性能。研究獲得的結(jié)論如下：
(1)對于固定幾何翅片設(shè)計，僅增加或減少翅片直徑不能同時降低最大溫度、溫度標(biāo)準(zhǔn)差、壓降和冷卻板質(zhì)量，需要在各項性能指標(biāo)之間進行取舍；
(2)與固定幾何翅片和沿X方向非均勻設(shè)計翅片相比，翅片直徑沿Y方向遞增的設(shè)計在降低溫度、壓力損失和質(zhì)量方面具有更大的潛力；
(3)與傳統(tǒng)并行微通道液冷板相比，最優(yōu)變直徑液冷板設(shè)計使質(zhì)量、功耗、溫度標(biāo)準(zhǔn)差和最高溫度分別降低30.39%、11.2%、3.24%和1.33 ℃。
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1 實驗及數(shù)值方法描述
1.1 電池產(chǎn)熱
本研究采用的電池單體為鋰聚合物方形軟包電池，如圖1所示。表1 展示了電池單體主要參數(shù)：電池容量為22 Ah，標(biāo)稱電壓3.8 V，最大連續(xù)放電電流7.6C；充放電截止電壓分別為4.35 和3.0 V。
圖1 鋰聚合物電池單體
表1 電池單體參數(shù)細節(jié)
鋰電池在充放電工況下產(chǎn)生大量熱量，為了保證CFD 結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對產(chǎn)熱率進行計算。假設(shè)電池內(nèi)部產(chǎn)熱均勻，其產(chǎn)生的熱量可以用式(1)進行計算[10]：
由于電池內(nèi)阻的原因，路端電壓與電池電動勢之間有差別。內(nèi)阻包括歐姆電阻(RΩ)和極化電阻(RP)。方程的第一項可以改為內(nèi)阻形式表示，如式(2)所示：
熵?zé)嵯禂?shù)為計算反應(yīng)熱的關(guān)鍵參數(shù)，表征開路電壓隨環(huán)境溫度的變化程度，其在不同荷電狀態(tài)下數(shù)值不同。電池等效電路模型可用Thevenin 模型表示，如圖2所示，其中UOC為電池開路電壓，RO為電池歐姆內(nèi)阻，RP為電池極化內(nèi)阻，電容CP描述極化內(nèi)阻的超電勢。本研究通過混合脈沖功率表征(HPPC)實驗測得鋰聚合物電池在不同SOC下的內(nèi)阻，通過在不同荷電狀態(tài)下改變環(huán)境測試箱溫度測得電池熵?zé)嵯禂?shù)，從而校核電池產(chǎn)熱率，實驗平臺如圖3所示。
圖2 Thevenin等效電路模型
圖3 電池充放電測試設(shè)備
1.2 流動傳熱耦合模型
在仿真設(shè)置中，冷卻板材料設(shè)為鋁，采用水作為冷卻劑，將流體視為不可壓縮，液冷板視為各向同性。微通道內(nèi)的流動滿足質(zhì)量和動量守恒，如式(3)～式(4)所示：
此外，流道中冷卻液的能量守恒方程如式(5)所示：
式中：ρl為冷卻液密度；cp,l為冷卻液比熱容；T為冷卻劑溫度；v為冷卻液速度；kl為冷卻劑的導(dǎo)熱系數(shù)。
電池內(nèi)部的能量守恒方程如式(6)所示，左邊一項為電池內(nèi)部熱能的增量，右邊的第一項表示通過熱傳導(dǎo)傳遞的能量，右邊的第二項是電池單體內(nèi)的熱源，由式(2)得到。
如圖4所示，使用ANSYS workbench 17.0 軟件建立流固兩相網(wǎng)格，采用四面體和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對冷卻板和電池模型進行離散，并在壁面附近建立五層邊界層以捕捉邊界層內(nèi)的流動。為提高計算效率，在對稱面上應(yīng)用對稱邊界條件以減少計算量，同時給出進口溫度和質(zhì)量流量作為進口邊界條件，在出口邊界施加靜壓。入口冷卻液溫度設(shè)定為298 K，進口冷卻劑的質(zhì)量流量為0.004 kg/s。為平衡計算誤差和計算成本，進行了網(wǎng)格獨立性分析，選用網(wǎng)格數(shù)為738 000 的網(wǎng)格進行計算，如圖5所示。
圖4 模型網(wǎng)格及邊界層展示
圖5 網(wǎng)格獨立性分析
本研究采用四個指標(biāo)對冷卻板的性能進行評價，用電池最高溫度決定電池工作工況上限，用電池與冷卻板接觸面溫度標(biāo)準(zhǔn)差表征電池單體溫度均勻性，用冷卻液壓降反映驅(qū)動冷卻系統(tǒng)所需的泵送功率，用液冷板質(zhì)量表征液冷板設(shè)計的輕量化性能。
2 液冷板參數(shù)化研究
在非均勻翅片液冷板設(shè)計中，冷卻液的進出口呈對角布置，圓柱形翅片按每行三個，每列七個布置，如圖6所示。允許的最大翅片直徑如式(7)所示，其中W為液冷板內(nèi)部寬度，L為液冷板內(nèi)部長度，m為每一行的翅片數(shù)目，n為每列上的翅片數(shù)目。
圖6 液冷板結(jié)構(gòu)
引入了歸一化直徑，以表征翅片的相對尺寸，如式(8)所示，其中d為翅片的實際尺寸。因此，dr=1 表示該流道被翅片填滿，dr=0 表示翅片在該位置不存在。
本文研究中規(guī)定翅片直徑在X或Y方向上呈等差分布，因此，沿X、Y方向的最大遞增或最大遞減量受到限制，如式(9)和式(10)所示：
為表征翅片直徑的變化程度，定義翅片歸一化直徑增量，如式(11)所示，其中δ為相鄰翅片直徑實際變化量。因此，δr=0表示所有翅片直徑相同，δr=1 表示變化程度達到允許范圍內(nèi)的最大值。
3 結(jié)果與討論
3.1 固定幾何翅片液冷板的性能分析
本節(jié)將分析討論固定幾何翅片方案中翅片歸一化直徑(dr)對液冷板性能的影響。圖7(a)顯示了歸一化翅片直徑在0.3～0.8 時對應(yīng)的最高溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差，隨著直徑增大，最高溫度從34.047 ℃線性減小到32.618 ℃，但冷卻液壓降及液冷板質(zhì)量迅速增加，如圖7(b)所示。dr=0.8 時的壓降是dr=0.3時的283.7%，這表明在固定幾何翅片設(shè)計下，需要更大的泵送功率才能獲得良好的冷卻性能。歸一化直徑從0.3 增大到0.8 時，電池表面溫度變化如圖8所示。與大直徑設(shè)計相比，小直徑設(shè)計左下角溫度明顯升高，原因是當(dāng)翅片直徑較小時，缺乏足夠的冷卻液到達遠離通道中心的區(qū)域。相反，大翅片使得冷卻液在微通道內(nèi)流動均勻。此外，翅片中心區(qū)域相比周圍區(qū)域冷卻性能稍差，如圖8(f)所示。綜上所述，隨翅片尺寸增大，冷卻性能改善，但壓降和質(zhì)量也大幅增加。
圖7 液冷板性能指標(biāo)隨歸一化直徑變化函數(shù)關(guān)系
圖8 不同直徑翅片設(shè)計下電池表面溫度云圖
3.2 非均勻翅片液冷板的性能分析
單純增大或減小翅片直徑無法同時兼顧冷卻、壓降和質(zhì)量，本節(jié)將研究非均勻翅片冷卻板的性能。圖9 為翅片直徑沿X方向和Y方向變化時對應(yīng)的最高溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)歸一化直徑增量（δr）值為正值時，表示沿此方向翅片直徑增大，反之為直徑減小。如圖9所示，X方向存在一個最佳值，使其最高溫度與溫度標(biāo)準(zhǔn)差最優(yōu)。而在翅片直徑沿Y方向遞增的設(shè)計中，最高溫度略微下降，溫度標(biāo)準(zhǔn)差變化較小。圖10 則顯示了冷卻液壓降、液冷板質(zhì)量和δr的函數(shù)關(guān)系，增大直徑變化程度會引起壓降和質(zhì)量顯著增大。
圖9 歸一化直徑變化時液冷板溫度性能指標(biāo)
圖10 歸一化直徑變化時液冷板壓降及輕量化性能指標(biāo)
圖11 比較了X方向變直徑設(shè)計下電池表面的溫度輪廓。歸一化直徑增量δr=0.4 與δr=0.7 的設(shè)計左下角和右邊緣溫度偏高。其原因為在δr=0.4 的設(shè)計中，冷卻液主要通過冷卻板的中心。當(dāng)δr增大到0.7 時，流體的不均勻分布加劇，且壓降升高。而在δr=-0.4 的設(shè)計中，冷卻板上部區(qū)域溫差相當(dāng)大。當(dāng)δr=-0.7 時，三分之一的冷卻板區(qū)域溫度達到32 ℃以上，原因是第一列的大直徑翅片使冷卻液大量分布到冷卻板的右側(cè)?？梢奨方向變直徑的設(shè)計下流體分布不均勻，溫差控制不夠理想。
圖11 翅片直徑沿X方向變化時電池表面溫度云圖
圖12 為翅片直徑沿Y方向變化時的電池表面溫度輪廓。在歸一化直徑增量δr=0.4 設(shè)計中，電池整體溫度控制在32 ℃以內(nèi)，冷卻液分布均勻，冷卻效果優(yōu)良。對于δr=0.7的設(shè)計，溫度控制程度更優(yōu)。而對于翅片直徑沿Y方向遞減的設(shè)計，電池上部區(qū)域溫度均勻性較差，左下角流速較低，冷卻效果欠佳。
圖12 翅片直徑沿Y方向變化時電池表面溫度云圖
綜上，歸一化直徑可變設(shè)計與固定直徑設(shè)計相比，沿Y方向增加直徑的翅片具有較大的溫度控制潛力，且壓降和質(zhì)量性能也有所改善。
3.3 非均勻翅片與并行微通道液冷板性能對比
在上述研究方案中，當(dāng)翅片直徑沿Y方向遞增，歸一化直徑增量為δr=0.4 時，液冷板性能最優(yōu)。取此方案與并行微通道設(shè)計進行對比。二者性能指標(biāo)對比如表2所示，液冷板質(zhì)量從56.13 g 減輕至39.07 g，下降30.39%；功耗從3.48 mW下降至3.09 mW，下降11.2%；電池最高溫度從33.2 ℃下降至31.87 ℃，改善4.01%；電池與冷板接觸面溫度標(biāo)準(zhǔn)差由0.957 2 ℃下降至0.926 2 ℃，改善3.24%。如圖13所示，相比于并行通道液冷板設(shè)計，非均勻翅片液冷板對角與邊緣溫度控制效果明顯改善，中央?yún)^(qū)域溫度更低，不良散熱區(qū)域更小。
圖13 最優(yōu)變直徑翅片設(shè)計與并行微通道設(shè)計溫度云圖對比
表2 最優(yōu)變直徑翅片設(shè)計與并行通道設(shè)計性能指標(biāo)對比
4 結(jié)論
本文提出了一種新穎的非均勻翅片液冷板設(shè)計，以實現(xiàn)控溫效果好、功耗低、質(zhì)量小的目標(biāo)。論文通過實驗測試方法獲得了5C放電下的電池產(chǎn)熱率，基于計算流體動力學(xué)方法研究了固定幾何翅片、沿X方向非均勻翅片和沿Y方向非均勻翅片設(shè)計對液冷板性能的影響，結(jié)果表明翅片直徑沿Y方向遞增設(shè)計與其他設(shè)計相比取得了更好的性能。研究獲得的結(jié)論如下：
(1)對于固定幾何翅片設(shè)計，僅增加或減少翅片直徑不能同時降低最大溫度、溫度標(biāo)準(zhǔn)差、壓降和冷卻板質(zhì)量，需要在各項性能指標(biāo)之間進行取舍；
(2)與固定幾何翅片和沿X方向非均勻設(shè)計翅片相比，翅片直徑沿Y方向遞增的設(shè)計在降低溫度、壓力損失和質(zhì)量方面具有更大的潛力；
(3)與傳統(tǒng)并行微通道液冷板相比，最優(yōu)變直徑液冷板設(shè)計使質(zhì)量、功耗、溫度標(biāo)準(zhǔn)差和最高溫度分別降低30.39%、11.2%、3.24%和1.33 ℃。
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