基于双层分形微通道的纯电动汽车锂离子电池液冷板结构优化

王 飞

(常州市高级职业技术学校，江苏 常州 213161)

0 前言

纯电动汽车具有尾气零排放、噪声低、效率高、结构简单和维修方便等优点，但同时也存在成本高、电池散热不均匀等问题。纯电动汽车使用的电池存在一定的安全隐患，尤其是当电池发生短路时容易引发着火或爆燃。考虑到电池的结构，探索合适的动力电池冷却板结构是提高动力电池冷却性能的有效方法之一[1]。本文介绍了一种具有双层对称结构的动力电池液冷板，并重点对该结构进行了优化设计。

1 液冷板概述

1.1 液冷板的几何模型

为了缓解电池单通道散热模型温度不均匀的问题，本文提出了一种新型双层分形微通道液冷板结构，其传热能力更强、温度分布更均匀。该液冷板由嵌入式对称结构的双层微型通道组成，每对方形锂电池之间布设有1块液冷板。液冷板的结构如图1所示。

图1 液冷板结构图

该液冷板的长度为140.0 mm，宽度为65.0 mm，高度为3.0 mm，收集层和连接通道的厚度为0.5 mm，分散层的厚度为1.0 mm，流道上下方各有1块厚度为0.5 mm 的铝板。液冷板入口宽度为3.0 mm，高度为0.5 mm，出口宽度为3.0 mm，高度为1.0 mm。

1.2 液冷板的工作原理

双层通道包括上层的冷却液收集层和下层的冷却液分散层，在液冷板中心处布置有1个圆形的连接通道，该通道贯穿上下两层。冷却液顺着4个方向沿液冷板对角线的入口流入收集层，随后冷却液通过连接通道进入分散层，反向通过板上2个出口离开液冷板。

2 液冷板散热分析

2.1 冷却液质量流量对散热性能的影响

研究发现，冷却液质量流量对液冷板的温度具有较大影响。为了分析模型中冷却液质量流量对液冷板散热性能的影响，选择了质量流量分别为0.001 kg/s、0.002 kg/s、0.003 kg/s、0.004 kg/s、0.005 kg/s和0.006 kg/s的6种情况来讨论质量流量对液冷板冷却性能的影响[2]。表1示出了室温为300 K 工况下，液冷板及内部流道的最高温度和温差随质量流量变化的情况。

表1 不同冷却液质量流量下冷却板的最高温度和最大温差

由表1可知，在其他条件相同的情况下，冷却液质量流量越大，液冷板的散热效果和温度均匀性越好。但当冷却液质量流量超过0.002 kg/s后，液冷板的最高温度和温差减小速度开始降低。冷却液质量流量增大，流道内的压力差随之增大，同时冷却系统的能量消耗也增大，并且质量流量的增大还可能会对电池组冷却液管道产生较大的冲击。

2.2 冷却液入口温度对散热性能的影响

冷却液的入口温度也是影响液冷板散热性能的重要因素之一。为了分析入口处温度对散热性能效果的影响，选择了质量流量为0.001 kg/s，冷却液入口温度分别为283 K、288 K、293 K、300 K 和308 K 等5种情况，分析入口温度对散热性能的影响。表2示出了冷却板最高温度、温差与冷却液温度之间的对应关系。

表2 不同冷却液入口温度下冷却板最高温度和最大温差

由表2可知，在冷却液质量流量为0.001 kg/s时，当冷却液入口温度从308 K 降至283 K 时，温差几乎不变，但冷却板的最高温度下降了25 K，说明液冷板温度均匀性得到了较大提升。散热性能得到改善的原因是入口处温度降低加大了液冷板内部的温度差。由于该液冷板模型采用了双层流道结构，且发散层设计为回形的对称结构，因此冷却液的分布更加均匀合理。

3 液冷板结构优化

增加冷却液的质量流量与降低冷却液温度内可有效提升液冷板的散热效果，但随之带来的问题是冷却泵消耗能量更大[3]。因此，对液冷板结构进行了优化，设计了不同的收集层流道外管弯曲半径。在室温为300 K，质量流量为0.001 kg/s工况下，分别对外管弯曲半径为4 mm、5 mm、6 mm 和7 mm 的液冷板进行了试验研究，探讨了外管弯曲半径对液冷板冷却性能和对流体压力差的影响。表3示出了外管弯曲半径与冷却板性能的关系。

表3 弯曲半径与冷却板性能的关系

由表3可知，4种不同弯曲半径的外管液冷板结构优化后最高温度的降幅维持在0.4～0.5 K。当外管弯曲半径为4 mm 时，液冷板最高温度下降幅度最大，为0.5 K。当外管弯曲半径从4 mm 增至6 mm 时，液冷板最高温度趋于平衡。当外管弯曲半径从6 mm 增至7 mm 时，液冷板最高温度略有上升，但增幅较小。优化后的液冷板温差降幅为1.2～1.7 K，温差下降较为显著。

不同的外管弯曲半径对液冷板结构优化后的压差也有影响。当弯曲半径为4 mm时，压差为1 297.7 Pa，冷却泵耗能减小，优化效果明显。当弯曲半径从5 mm持续增加时，压差减小幅度开始减缓，这是因为冷却液流动受阻减小，压力损失也逐渐减小，最后趋于稳定。

通过模型优化前后散热效果和压差的对比，发现优化冷却板结构可以降低液冷板的最高温度和温差，且降低了压差，减小了冷却系统的耗能，为液冷板的设计与优化提供了依据。

4 优化后模型与单通道模型对比分析

为验证优化后液冷板的散热性能，将优化后模型与单层单通道的液冷板进行了对比分析。设定冷却液质量流量为0.006 kg/s，冷却液温度为293 K，外管弯曲半径为4 mm，在2倍电池放电倍率(2C)时对模型进行了仿真分析。表4为2种模型的仿真结果。图2为2种模型在相同工况下的温度云图。

表4 两种模型的对比分析结果

图2 2种模型在相同工况下的温度云图

由表4和图2可知，传统的液冷板采用单层结构，其最大的弊端是冷却液进出口处的温度差异很大，最高温差达到5.7 K。而优化后液冷板的温度均匀性得到了大幅提升，最高温度为301.0 K，与单层通道液冷板的最高温度相比，下降了0.5 K。优化后液冷板的最高温差下降至3.8 K，降幅为33.3%。冷却液进出口的压力差从64 488.8 Pa下降到10 798.9 Pa，降幅为83.25%。

电池在2C放电时，优化后模型的散热效果优异，最高温度和温差能较好地满足电池工作温度的要求。此外，优化后的模型也能够有效降低冷却泵的能量消耗。

5 结语

本文介绍了一种新型双层分形微通道液冷板，分析了纯电动汽车锂电池液冷板结构优化后的各个关键参数。与传统的冷却板结构相比，优化后冷却板的最高温度、温差、压力差和冷却泵能量的消耗均有明显改善，锂离子电池的散热效果得到明显提升。