基于非垂直結(jié)構(gòu)的Z 型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱性能研究

摘要：本研究基于CFD（計算流體動力學(xué)）模擬與實驗數(shù)據(jù)分析，評估了Z 型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在不同冷卻液流速與環(huán)境溫度下的散熱性能和充電效率。實驗數(shù)據(jù)顯示，在流速4 m/s 時，電池內(nèi)部溫差控制在±2 ℃以內(nèi)，高溫區(qū)域面積縮小至63 mm2，有效提升了溫度分布的均勻性。同時，冷卻流速的提升使充電轉(zhuǎn)換效率（CCE）從84.8% 上升至93.7%，能量損耗明顯降低，內(nèi)阻降至0.039 Ω。這些數(shù)據(jù)表明，Z 型流道在提升電池?zé)岱€(wěn)定性和充電效率方面的有效作用，以及其對于高性能動力電池的散熱需求的適用性。

關(guān)鍵詞：Z 型電池；熱管理系統(tǒng)；散熱性能研究

中圖分類號：U224.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基金項目：2024 年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目《基于新能源汽車的雙有源橋DC-DC 變換器優(yōu)化控制研究》（項目編號：2024KY1507

0 引言

動力電池在高倍率充電時會產(chǎn)生大量的熱，若散熱不及時，將導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加，影響充電效率和使用壽命[1]。然而，傳統(tǒng)的平行冷卻流道由于散熱能力有限，難以有效控制電池內(nèi)部的溫差[2]。針對這一問題，Z 型冷卻流道結(jié)構(gòu)通過非垂直冷卻路徑設(shè)計，提升了冷卻液在高熱區(qū)域的換熱效率，從而有效優(yōu)化電池的溫度分布和熱管理性能。本研究采用CFD 模擬結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析的方法，系統(tǒng)評估了Z 型流道結(jié)構(gòu)在不同冷卻液流速與環(huán)境溫度下的散熱性能和充電效率。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 Z 型流道結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理

動力電池在3-5C 倍率充電過程中會產(chǎn)生大量焦耳熱，電池單元內(nèi)部的溫度迅速升高[3]。這種現(xiàn)象不僅會導(dǎo)致電池材料熱降解，還會大幅增加電池的內(nèi)阻，從而影響電池的充電速度和壽命[4]。若此時散熱性能不足，使得電池內(nèi)部溫度超過60.0 ℃，就會導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象[5]。與傳統(tǒng)平行流道不同的是，Z 型流道結(jié)構(gòu)通過在高熱區(qū)增加冷卻液的流速來提高熱量的傳遞效率，利用冷卻液迅速帶走熱量，減少熱量在電池內(nèi)部的累積，使電池內(nèi)部溫度始終保持在40.0 ℃以下的安全范圍內(nèi)，從而解決上述問題。

如圖1 所示，該結(jié)構(gòu)中，冷卻液熱量密集的電池核心區(qū)域速度為4 m/s，而在其他溫度相對較低的區(qū)域保持在1-2 m/s，以此避免電池內(nèi)部溫差過大。

1.2 流速對充電效率的影響機(jī)制

冷卻液流速對電池充電效率的影響，主要通過其對熱傳遞效率和電池內(nèi)部溫度分布的調(diào)控來實現(xiàn)[6]。冷卻液流速提升后，流道內(nèi)冷卻液的對流換熱系數(shù)將增大，使其能夠迅速將高倍率充電過程中產(chǎn)生的焦耳熱從電池核心區(qū)域傳遞至冷卻流道外部。這種加速的熱傳遞降低了電池核心區(qū)域的溫度，抑制了由溫升引起的材料熱應(yīng)力積累，保證了充電過程中電池內(nèi)部溫度的相對均衡，減小了局部過熱的可能性。在高流速條件下，冷卻液能夠穩(wěn)定電池的溫度場分布，確保溫差在電池模塊內(nèi)的最小化。該溫差控制對于充電效率至關(guān)重要，因為它直接影響電池材料的電化學(xué)穩(wěn)定性和電流傳導(dǎo)特性。冷卻液高效的散熱功能維持了較低的電池內(nèi)阻，減少了充電過程中不必要的能量損耗，優(yōu)化了充電能量的轉(zhuǎn)化效率。流速提升引發(fā)的湍流效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)了冷卻液的熱傳遞效果，有助于均勻地冷卻電池模塊內(nèi)的各個區(qū)域，從而提高電池在高倍率充電下的整體穩(wěn)定性和效率。

2 數(shù)值模擬與參數(shù)設(shè)置

2.1 CFD（計算流體動力學(xué)）模擬

本文使用CFD 技術(shù)對Z 型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱性能進(jìn)行模擬分析。進(jìn)行模擬之前，需要構(gòu)建電池模塊及其冷卻流道的三維幾何模型，并將Z 型流道路徑沿電池模塊按照Z 字形狀進(jìn)行分布。在幾何模型構(gòu)建后，需要進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，來確保捕捉到的冷卻液在流道中的微觀流動細(xì)節(jié)。隨后進(jìn)行物理模型的設(shè)置，此步驟的作用在于利用基本的流體動力學(xué)方程描述冷卻液的流動和熱傳遞，以及利用連續(xù)性方程描述冷卻液在流道內(nèi)的質(zhì)量守恒，如公式1 所示。

式中：ρ 表示冷卻液密度；t 表示時間；v 表示速度向量。

動量方程則是基于納維- 斯托克斯方程，如公式2 所示。

式中：ρ 表示冷卻液密度；t 表示時間；μ 表示冷卻液粘度，?p 為壓力梯度；F 為外力項。

能量方程則用于描述電池內(nèi)部熱傳遞的過程，如公式3 所示。

式中：ρ 表示冷卻液密度；Cp 為冷卻液的比熱容；?T 為溫差；k 為導(dǎo)熱系數(shù)；S 為熱源項；v 為流速。

能量方程用于模擬電池工作期間的熱傳遞，特別是高倍率充電過程中電池產(chǎn)生的熱量如何通過冷卻液傳導(dǎo)并擴(kuò)散至冷卻流道中。隨后，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型對湍流進(jìn)行處理。并在邊界條件設(shè)置方面，選用乙二醇水溶液作為冷卻液，入口溫度設(shè)定為25 ℃，流速范圍為2 ～ 5 m/s，密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等物理屬性均設(shè)定為數(shù)值。熱管理系統(tǒng)示意如圖2 所示。

2.2 網(wǎng)格獨立性驗證

為了確保CFD 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率，本研究對網(wǎng)格劃分進(jìn)行獨立性驗證。首先，將計算區(qū)域按不同網(wǎng)格密度劃分為粗、中、細(xì)三種方案，分別對應(yīng)網(wǎng)格單元數(shù)為50 萬、100 萬和150 萬。其中各網(wǎng)格方案在相同的邊界條件和物理參數(shù)下運行，以電池核心區(qū)域的最高溫度作為對比標(biāo)準(zhǔn)，觀察其在不同網(wǎng)格密度下的穩(wěn)定性。在模擬過程中，粗網(wǎng)格方案表現(xiàn)出一定的溫度偏差，核心溫度較精細(xì)網(wǎng)格高出約2 ℃ ；而中等密度和細(xì)密度網(wǎng)格的計算結(jié)果相差小于0.5 ℃，表明中密度網(wǎng)格已足夠精確；細(xì)密度網(wǎng)格的計算時間明顯增加，達(dá)到中密度網(wǎng)格的1.8 倍。在綜合考慮計算精度和效率的基礎(chǔ)上，本研究最終選擇中等密度網(wǎng)格作為最佳方案。

3 實驗設(shè)計

3.1 實驗對象與條件

本次實驗的對象選擇磷酸鐵鋰電池（LiFePO，LFP）和三元鋰電池（NCM），其中，LFP 電池具有較高的熱穩(wěn)定性，而NCM電池的能量密度則更高，因此兩種電池在散熱性能和充電效率方面各具特點。本次實驗的過程中將把這兩種電池放置在不同工作條件下分析二者的溫度變化和散熱性能。實驗使用的電池組為標(biāo)準(zhǔn)模組（48 V，100 A · h），每組電池由若干個串聯(lián)單元組成，確保足夠的功率密度和熱量生成，以符合高倍率充電條件下的測試要求。實驗的工作條件設(shè)置為25.0 ℃常溫環(huán)境和45.0 ℃高溫環(huán)境兩種環(huán)境溫度，來模擬不同散熱負(fù)荷對電池性能的影響。實驗使用的冷卻液為乙二醇水溶液，并通過冷卻系統(tǒng)將其流速設(shè)置為2 ～ 5 m/s 以評估散熱效率。

流道設(shè)計分為兩種：傳統(tǒng)平行流道和Z 型流道，流道內(nèi)部截面為圓形，直徑為10 mm，以保證冷卻液在高熱區(qū)的快速流動。溫度傳感器采用Omega Engineering 的K 型熱電偶，分布于電池表面和內(nèi)部，實時監(jiān)控電池的溫度變化，測量精度為±0.1 ℃。溫度數(shù)據(jù)通過 N（I National Instruments）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄，保證數(shù)據(jù)采集的高精度與可靠性。仿真實驗圖片如3 所示。

3.2 實驗測量與數(shù)據(jù)采集

為了準(zhǔn)確評估Z 型結(jié)構(gòu)的散熱性能和不同冷卻條件下的充電效率，本實驗在電池的核心區(qū)域、表面、冷卻液的入口和出口等關(guān)鍵位置布置了K 型熱電偶傳感器。這些傳感器以1 Hz 的采樣頻率記錄實時溫度數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)捕捉充電過程中溫度的動態(tài)變化。實驗設(shè)計涵蓋了冷卻液流速的不同設(shè)定，流速范圍為2-5 m /s，并使用精密控制模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，來控制冷卻液的流動以實現(xiàn)對散熱性能的細(xì)致評估。在充電效率的測量方面，使用Fluke435-II電能質(zhì)量分析儀，記錄充電過程中的電流、電壓和功率，精確監(jiān)測電池的能耗及功率變化。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 Z 型熱管理系統(tǒng)的散熱性能

實驗結(jié)果顯示，在流速2 m/s 條件下，電池核心區(qū)域溫度最高可達(dá)50.2 ℃，溫度分布不均且高溫區(qū)域面積廣達(dá)102 mm2 ；當(dāng)流速增至3 m/s 時，核心溫度降至45.1 ℃，溫度均勻性提升，溫差控制在±3.4 ℃以內(nèi)，高溫區(qū)域縮小至78 mm2。流速進(jìn)一步提高至4 m/s 后，核心溫度降至40.6 ℃，溫差縮小至±2.1 ℃，高溫區(qū)域進(jìn)一步縮小至63 mm2 ；而在5 m/s 流速下，核心溫度最低降至38.3 ℃，高溫區(qū)域縮減至49 mm2。

實驗后的詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1 所示，可以看出，冷卻液流速的增加有效降低了電池內(nèi)部的溫度峰值，減少了溫差，同時縮小了高溫區(qū)域。這一系列優(yōu)化使得電池溫度得到均勻的分布，并有效緩解了因局部高溫導(dǎo)致的材料的劣化和性能的衰退。

4.2 散熱性能對充電效率的間接影響

實驗結(jié)果顯示，在流速2 m/s 條件下，充電轉(zhuǎn)換效率（CCE）為84.8%，能量損耗為12.5 kW · h，內(nèi)阻為0.082 Ω。流速增至3 m/s 時，CCE 提升至87.6%，能量損耗降至9.3 kW · h，內(nèi)阻減至0.061 Ω ；當(dāng)流速達(dá)到4 m/s，CCE 進(jìn)一步提升至91.9%，能量損耗減少至6.2 kW · h，內(nèi)阻降至0.049 Ω ；在5 m/s 流速下，CCE 達(dá)到最高的93.7%，能量損耗降至5.1 kW · h，內(nèi)阻最低至0.039 Ω。具體實驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表2 所示，可以看出，冷卻液流速的增加有效地提升了充電效率，并降低了能量損耗與內(nèi)阻。

5 結(jié)束語

本研究通過CFD 模擬與實驗，驗證了Z 型流道結(jié)構(gòu)在動力電池?zé)峁芾碇械拿黠@優(yōu)勢，表明其設(shè)計不僅能在高倍率充電下有效控制電池核心區(qū)域的溫度分布，還能減少能量損耗與內(nèi)阻，有效提升電池的充電轉(zhuǎn)換效率。研究結(jié)果顯示，優(yōu)化冷卻液流速可提高溫度均勻性并降低內(nèi)阻，進(jìn)而提升散熱性能與充電效率，為動力電池在高倍率充電中的熱穩(wěn)定性提供了技術(shù)保障。在日后的進(jìn)一步研究過程中，可結(jié)合智能流體控制技術(shù)，實現(xiàn)流量的精確調(diào)節(jié)，推動Z 型流道結(jié)構(gòu)在高效熱管理系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展，以更精細(xì)地實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，持續(xù)優(yōu)化散熱和充電性能。

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作者簡介：

陳麗春，本科，講師，研究方向為汽車。