空間電池組液冷效果的數(shù)值模擬研究

果晶晶 GUO Jing-jing

（河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，邢臺(tái) 054035）

0 引言

鋰離子電池組因其重量輕、成本低、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-3]。然而，高密度的鋰離子電池組在充放電過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量；一旦這些熱量不能及時(shí)排出，會(huì)導(dǎo)致電池組局部過(guò)熱；不僅會(huì)影響鋰離子電池組的壽命，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生電池?zé)崾Э兀踔量赡苡斜?、燃燒等危險(xiǎn)[4-5]。因此，空間鋰電池組的溫度均勻性問(wèn)題一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)空間電池組的熱管理系統(tǒng)開(kāi)展了大量的研究[6]。作為高效空間電池?zé)峁芾砑夹g(shù)之一的液冷技術(shù)，其冷板的結(jié)構(gòu)是制約電池組冷卻效果好壞的關(guān)鍵因素。本文以空間電池組為研究對(duì)象，借助CFD模擬研究三種不同液冷板的流道結(jié)構(gòu)、冷卻水流速對(duì)電池組溫度分布均勻性的影響，以期為后續(xù)高溫度均勻性冷板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒意義。

1 模型描述

1.1 物理模型

所要模擬研究的液冷空間站電池組和電源控制器（PCU）如圖1所示，單體電池發(fā)熱功率為12W，PCU為50W，外界環(huán)境溫度為3K[6]。為了簡(jiǎn)化模擬，將電池單體視為圓柱體，忽略電其正極；按表1所示工況進(jìn)行對(duì)比分析普通U型、S型、Z型結(jié)構(gòu)的冷板對(duì)空間電池組冷卻效果的影響，并將冷板流道寬度、間距、高度用a-b-c來(lái)表示[7]。模擬用到的相關(guān)物性參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表1 模擬工況

表2 材料相關(guān)的物性參數(shù)

圖1 研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

如圖2所示，電池組冷板散熱過(guò)程可假定為三部分：①固體壁面（電池、PCU、冷板）向外界的輻射散熱；②固體壁面的熱傳導(dǎo)；③流道內(nèi)流體的強(qiáng)制對(duì)流換熱。為了研究方便，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：①重力、體積力的影響忽略不計(jì)；②冷卻水視為為不可壓縮牛頓流體；③相關(guān)材料的物性參數(shù)均為常數(shù)；④冷卻水流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)、單相、層流。因此，該模型的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程如下所示：

圖2 電池組冷板散熱機(jī)理

式中，ρf為冷卻水密度，kg·m-3；u、v、w分別為冷卻水流速在x、y、z三個(gè)方向上的分量，m·s-1；μ為冷卻水動(dòng)力粘度，Pa·s；p為冷卻水微元體上的壓力kg·m-1·s-2；cp為冷卻水的比熱容，J·kg-1·K-1；T為微元體的溫度，K；λ為冷卻水導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；S為由于黏性作用冷卻水機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，即黏性耗散項(xiàng)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

定義液冷冷板的進(jìn)出口壓力損失△P，如下所示

式中：Pin為冷卻水進(jìn)口平均壓力，MPa；Pout為冷卻水出口平均壓力，MPa?！鱌越大，泵耗越大，經(jīng)濟(jì)成本越高。

2 結(jié)果與討論

2.1 流道尺寸相同的三種流道結(jié)構(gòu)的冷板對(duì)電池組冷卻效果的影響

冷卻水流速為0.1m/s，流道尺寸如表1所示的條件下，模擬出各電池單體的溫差分布如圖3所示。

由圖3可以看出，在流道尺寸相同的情況下，采用S型、Z型對(duì)空間電池組進(jìn)行冷卻時(shí)，各電池單體的溫差分布較均勻；采用普通U型冷板時(shí)，靠近冷卻水的進(jìn)出口側(cè)的電池單體溫差較大，靠近PCU側(cè)的電池單體溫差較??；由冷卻水的進(jìn)出口側(cè)至電源控制器側(cè)，電池單體的溫差大體呈下降的趨勢(shì)，具體電池最大、最小溫差如表3所示，由此可見(jiàn)，采用S型冷板進(jìn)行冷卻時(shí)，電池單體溫差較小，電池單體溫度分布相對(duì)較均勻，其次是Z型冷板，普通U型冷板冷卻時(shí)的電池單體溫差較大。

表3 電池的溫差變化范圍

圖3 各電池單體的溫差

2.2 流速對(duì)電池組冷卻效果的影響

2.2.1 流速對(duì)電池組最高、最低溫度的影響

相同尺寸的三種不同結(jié)構(gòu)冷板，所對(duì)應(yīng)的電池組的最高、最低溫度曲線如圖4所示。由圖4可知，冷卻水流速增加，電池組的最高、最低溫度均呈下降趨勢(shì)，下降趨勢(shì)越來(lái)越平緩，這說(shuō)明通過(guò)流速的增加來(lái)降低電池組的最高、最低溫度是有一定限度的；電池組的最低溫度隨著流速的增加，溫度下降趨勢(shì)比最高溫度的下降趨勢(shì)要緩慢；圖4（d）流道尺寸為1-2-10的普通U型冷板，當(dāng)冷卻水的進(jìn)口流速?gòu)?.05m/s增加至0.15m/s時(shí)，其電池組的最高溫度由320.7K，急速下降至301.51K，最高溫度下降比較顯著。

圖4 電池組的最高、最低溫度

2.2.2 流速對(duì)冷板進(jìn)出口損失的影響

圖5為相同尺寸的三種不同結(jié)構(gòu)冷板，所對(duì)應(yīng)的冷卻水的進(jìn)出口壓力損失。由圖5可以看出，隨著冷卻水流速的增加，三種結(jié)構(gòu)的冷板對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口壓力損失均呈上升的趨勢(shì)。如圖5（a）所示，在流道尺寸為5-5-10冷板中，Z型冷板的進(jìn)出口壓力損失隨著流速的增加而顯著上升，從流速為0.05m/s所對(duì)應(yīng)的1MPa，快速上升至流速為0.25m/s所對(duì)應(yīng)的26.29MPa；S型、普通U型冷板的進(jìn)出口壓力損失隨著流速的增加也上升，但上升比較緩慢，在此種流道尺寸的情況下，從減少泵功，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本的角度來(lái)考慮，選擇S型、普通U型的冷板對(duì)電池組進(jìn)行冷卻，是比較適宜的。在圖5（b）、（c）、（d）所示的流道尺寸縮小的情況下，隨著冷卻水流速的增加，S型冷板的進(jìn)出口壓力損失急劇上升；當(dāng)流道尺寸為1-2-10，進(jìn)口流速為0.25m/s，該冷板的進(jìn)出口壓力損失高達(dá)295.4MPa，泵耗巨大；相較于S型冷板，其他兩種結(jié)構(gòu)冷板所對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口壓力損失隨流速的增加而變化比較平緩；其中Z型冷板的進(jìn)出口壓力損失，隨流速增加上升緩慢，相較于普通U型所需要的泵耗還小。

圖5 冷卻水的進(jìn)出口壓力損失

3 結(jié)論

①在流道尺寸相同的情況下，采用S型、Z型對(duì)空間電池組進(jìn)行冷卻時(shí)，各電池單體的溫差分布較均勻；采用普通U型冷板時(shí)，靠近冷卻水的進(jìn)出口側(cè)的電池單體溫差較大，靠近PCU側(cè)的電池單體溫差較??；由冷卻水的進(jìn)出口側(cè)至電源控制器側(cè)，電池單體的溫差大體呈下降的趨勢(shì)。②采用S型冷板進(jìn)行冷卻時(shí)，電池單體溫差較小，電池單體溫度分布相對(duì)較均勻，其次是Z型冷板，普通U型冷板冷卻時(shí)的電池單體溫差較大。③冷卻水進(jìn)口流速增加，電池組的最高、最低溫度均下降，但下降越來(lái)越平緩；同時(shí)，冷板的進(jìn)出口壓力損失均增大。通過(guò)模擬研究不同冷板結(jié)構(gòu)、流速對(duì)空間電池組冷卻效果的影響，以期為設(shè)計(jì)出高溫度均勻性冷板提供一定的借鑒。