范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能

能源阿阳 2023年7月11日浏览：1728 收藏：1

作者：陈雅( 范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图1 ), 范立云( 范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图2 ), 李晶雪, 李美斯, 徐超, 顾远琪

单位：哈尔滨工程大学

引用： 陈雅, 范立云, 李晶雪, 等. 二次流蛇形通道锂离子电池散热性能[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(6): 1880-1889.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0006

摘要针对传统蛇形流道的大压降、高功耗问题，结合二次流结构，设计了一种新型的二次流蛇形液冷板，建立仿真模型，对比了传统蛇形液冷板和二次流蛇形液冷板的性能。另外，进一步研究了不同流速下二次流通道数量、通道宽度、通道角度、通道距离对二次流蛇形流道传热和压降特性的影响。结果表明，传统蛇形液冷板在增加了二次流结构后，液冷板进出口压降下降了90.69%，很大程度上解决了传统蛇形流道的问题；随着流速的增大，不同结构参数的液冷板的冷却效果增强，在流速大于0.4 m/s后，最高温度维持在303 K左右，最大温差维持在4.5 K左右，压降和泵功随流速增大而增加；各个结构参数都存在最优值，当通道数量为7，通道宽度为4 mm，通道角度为75°，通道距离为8 mm时，系统的压降大大降低，很大程度上节省了泵功。

关键词锂离子电池；液冷；蛇形流道；二次流

气候及环境问题是目前全人类所需共同攻克的难题，并且随着碳达峰、碳中和目标的推进，未来要求提高能源利用率而减少污染排放也是大势所趋。在全球减碳行动下，汽车和船舶产业向新能源转型也是必然，其中电动汽车和电动船舶，因其能耗小、污染小等优点，成为应对目前环境污染和能源危机的关键。

锂离子电池作为电动汽车和电动船舶的核心部件之一，具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低等优点。但是电池充放电过程中，由于其内部的化学反应会导致热量的聚集，进一步引起温度的升高。温度的持续升高会影响电池的充放电循环寿命、安全和整体性能。研究表明，锂电池的最佳温度在20～40 ℃，温差应该控制5 ℃以内。为了保证电池的工作性能，采取有效的热管理措施尤为重要。其中液冷具有对流换热系数大、冷却效率高、稳定等优势，在众多热管理技术中脱颖而出。

目前，液冷系统的研究主要集中在通道几何参数、冷却板结构和流体流动分布的优化方法。许多新结构被提出，例如仿生叶脉通道、带斜翅片的发散通道、特斯拉阀通道等，但结构的复杂化也带来了制造加工的困难。这些年来，蛇形流道作为一种基础流型，结构相对简单，被广泛研究与应用。然而传统蛇形流道因其多次弯曲的流道走向，通常面临着压降大、均温性差等缺点。大部分研究者针对蛇形流道进行改进研究。Osman等研究了平行直通道、波浪形通道、蛇形通道的冷却性能，结果表明在同一工况下，虽然蛇形流道的散热能力最好，但是会产生更高的压降，从综合评价系数来看，波浪形通道性能更加优异。Imran等设计了一种迷宫蛇形微通道，在不同质量流量下与直通道进行了对比，研究发现在所有质量流量下，迷宫蛇形微通道的底板温度均小于直通道，压降均大于直通道。Deng等通过数值仿真研究了传统蛇形通道冷板的通道数量、布局和冷却液入口温度对冷却板热性能的影响，研究表明沿着液冷板长度方向布置的5通道蛇形液冷板具有最佳的冷却性能，但是需要消耗更多的泵功来实现。元佳宇等设计了具有单向流通结构和双向对流结构的蛇形管路电池组热管理系统，比较了不同质量流量下两种结构的热力性能，结果表明双向流结构有效提高了电池模块的均温性。Sheng等设计了一种具有双入口和出口的新型蛇形通道液体冷却板，研究表明入口和出口布置在另一侧比在同一侧的热管理能力强，大大提高了温度均匀性。Jaffal等将肋板与传统蛇形通道结合，肋板的加入明显改善了系统的散热性能，但是同时也增加了系统的压降。

综上所述，蛇形流道的改进研究多集中于优化流道来改善散热性能。然而，在提高系统冷却能力的同时，通常伴随着压降的增大，反而降低了系统的综合性能。本工作针对上述问题作出了改进，结合二次流结构，设计了一种新型二次流蛇形通道结构，建立了仿真模型，并且进一步对不同冷却液流速下的结构参数进行了研究。该结构的提出对于蛇形流道降低压降、节省泵功具有重要意义。

1 模型建立

本工作以20 Ah软包电池作为研究对象，该电池液冷模组由液冷板和电池组成，其中电池模组包含25块单体电池并联，每一块电池的尺寸为187 mm×125 mm×9.5 mm，其中正负极柱的尺寸为30 mm×30 mm×0.26 mm，电池由两侧的液冷板进行冷却，液冷板的尺寸为187 mm×125 mm×2 mm，如图1(a)所示。考虑到计算成本，利用整体电池模组的对称性，取其中一个重复单元作为研究对象，如图1(b)所示，包括3块液冷板、2块完整的电池和2块半电池。本工作以传统的蛇形流道作为基础结构，增加二次流结构，设计了一种新型的二次流蛇形液冷板，如图1(c)所示。图1(c)中的二次流结构是由直的主通道和与主通道有一定角度的副通道组成，其中相邻副通道镜像对称。主通道更宽，流道内的流体为主流，副通道内的流体为二次流。这些副通道的存在打通了相邻的主通道，增强了流体扰动。其中液冷板的主要结构参数包括二次流通道的数量 n、通道的宽度 d、通道的角度 α、通道距离 L。表1为电池的物性参数。

范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图3

图1 几何模型(a)电池模组(b)计算单元(c)冷却板结构设计

表1 电池物性参数

2 数学模型

2.1　控制方程

上述图1(b)的计算单元包含电池、液冷板和冷却液，各个计算区域的控制方程如下。

（1）冷却液

流体区域的质量守恒方程

(1)

冷却液入口速度为0.1 m/s，入口尺寸为1 mm×6 mm，计算可得雷诺数小于2300，其流动状态为层流，则其动量守恒方程：

(2)

能量方程：

(3)

其中

、

、

、

、

为冷却液的密度、黏度、比热容、导热系数、温度； P为微元体所受的压力。

（2）液冷板

能量守恒方程：

(4)

其中

、

、

、

为液冷板的密度、比热容、温度、导热系数。

（3）电池

能量守恒方程：

(5)

其中

、

、

、

、

、

为电池的密度、比热容，沿着 x轴的导热系数、沿着 y轴的导热系数、沿着 z轴的导热系数、温度。范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图25

为电池主体的体积生热率，根据叶海军的实验结果可得，电池的体积生热率转换为时间的多项式，其为：

(6)

极耳生热率为

(7)

其中

、

、

、

、

、

为极耳的生热量、体积、电阻、电阻率、高度、横截面积； I为电流。

2.2　边界条件

仿真过程中整个计算单元的环境温度为298 K，壁面为绝热面，自然对流系数为0 W/(m ²·K)。液冷板内冷却液为50%乙二醇水溶液，入口为速度入口边界条件，为0.1 m/s，流动状态为层流。出口为压力出口，为1atm(101325 Pa)。液冷板为铝。

2.3　网格和时间步长无关性验证

在仿真计算中，计算结果的精度离不开网格数量和时间步长的影响。网格数量越多，计算时间越长，计算精度也越高。时间步长越小，同样面临着更长的计算时间。为同时满足计算精度和计算时间，对传统蛇形液冷板液冷电池模组和二次流蛇形液冷板液冷电池模组进行网格和时间步长无关性验证。图2为传统蛇形流道的网格无关性验证图，从图中可以看到，随着网格数量达到10160521，即图中所标红点处，网格数量继续增加，液冷板的压降△ P和电池模组的最高温度 T _max基本不再有变化。表2为传统蛇形流道的时间步长无关性验证表，从表中看到时间步长从1 s增加到20 s，各时间步长的仿真模型的液冷板压降的误差始终在0.01%以下，电池模组的最高温度误差始终在0.1%内。最终选择20 s的时间步长进行仿真。使用同样的验证方法，得到二次流蛇形液冷板电池模组的网格数量为10051731，时间步长为20 s。

范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图34

图2 传统蛇形液冷板的网格无关性验证

表2 传统蛇形液冷板的时间步长无关性验证表

2.4　模型验证

考虑到仿真结果的可靠性，针对单体电池的热模型做了验证，以文献[ 20]中的实验数据对仿真数据进行验证。图3为单体电池热模型验证图，单体电池以1C、2C、3C放电倍率进行放电，放电过程中监测电池表面平均温度。从图中可以看到，以不同放电倍率放电时，仿真和实验所监测的单体电池表面平均温度相差基本都在1 ℃内，故仿真值与实验值相差不大，这也证明仿真结果是准确的。

范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图36

图3 单体电池热模型验证

3 结果与分析

3.1　两种结构仿真结果对比

为研究新型二次流蛇形液冷板的性能，与传统蛇形液冷板做了对比，以3C放电倍率放电结束后，取电池模组最高温度 T _max，最大温差∆ T，液冷板进出口压降∆ P作为评价指标。如图4所示，与蛇形结构对比，在增加了二次流结构后，最高温度升高了0.157%，最大温差升高了11.6%，液冷板进出口压降下降了90.69%。二次流蛇形液冷板虽然在冷却性能上略逊于传统蛇形液冷板，但是却能很大程度上降低压降，减少泵功消耗。综合来看，这种新型液冷板可以在满足电池热需求的基础上，进一步减少整个系统的能耗。

范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图37

图4 两种结构放电结束后对比

针对电池模组放电结束后的状态做了进一步的研究，如图5所示。图5(a)为计算单元整体温度云图，可以看到蛇形通道的整体温度从进口向出口方向温度逐渐升高，二次流蛇形流道的温度从进口沿着对角线温度逐渐升高。为了进一步探究二次流蛇形流道内部流体流动状态，取计算单元中心截面，即 x=17.25 mm截面，做出截面的温度(b)、速度(c)、压力(d)分布云图。不同于蛇形流道，由于二次流结构打通了蛇形流道中的相邻通道，大部分的低温冷却液从靠近进口的二次流通道抢先一步进入下一级蛇形流道中，导致左侧的冷却效果减弱，且随着一级级的传递，这种影响越来越大，最终导致左下角的热量集中，形成高温区域。从速度分布云图能够更清楚地看到流体的流动状态，蛇形流道由于单向一致的流向，具有更大的速度，大部分流体区域的速度在0.15～0.16 m/s之间，在流道拐弯处由于流向的突然变化，壁面处的流速也随之增大到0.19 m/s。二次流结构的增加破坏了蛇形通道的流动，使各通道的流量被重新分配，且因其狭小的空间加速了冷却液流动，但流体先一步进入下一级也导致了远端的流速小于进口近端的流速。另外二次流结构缓解了蛇形流道带来的大压降，整体流道压力分布更加均匀。

范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图38

图5 两种结构仿真结果云图对比

3.2　流道数量n的影响

为进一步评价结构参数所带来的影响，引入新的评价指标，即泵功

(8)

其中 v _in为进口流速，单位为m/s； A _in为进口的面积，单位为m ²；范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图40

为进出口的压降，单位为Pa。

为了分析不同通道数量对系统性能的影响，取1、2、3、4、5、6、7七组不同的通道数量，在0.1～0.5 m/s的流速下进行模拟仿真计算，如图6所示。图6即为不同流速下流道数量对系统性能的影响。从图6(a)、(b)中看到，随着流速的增加，不同通道数量的电池模组最高温度和最大温差均逐渐降低，在流速大于0.4 m/s后，流速带来的冷却效果增益消失，最高温度维持在303 K，最大温差在4.5 K。在小流速下，2条通道的电池模组的最高温度和最大温差最小，随着流速增大，7条通道的电池模组的最高温度和最大温差最低。整体来看，通道数量对电池模组的最高温度和最大温差的影响不太显著，在同一流速下，不同通道数量的系统温差维持在1 K以内。从图6(c)、(d)看到，随着流速的增加，不同通道数量的进出口的压降和消耗的泵功都逐渐增大；在同一流速下，随着通道数量的增加，进出口的压降和泵功逐渐减小，但减小的速率变小。说明通道数量越多，越有利于降低压降，节省泵功，在0.5 m/s时，7通道的压降比1通道的压降降低79.2%。考虑到电池模组的最佳工作温度范围为20～40 ℃，最大温差在5 ℃以内。为达到最佳的冷却效果和节省泵功，我们选择7通道，进行后续研究。

范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图41

图6 不同流速下通道数量对系统性的影响

3.3　通道宽度d的影响

为了分析不同通道宽度 d对系统性能的影响，取1、2、3、4、5 mm五组不同的通道宽度、在0.1～0.5 m/s的流速下进行模拟仿真计算，如图7所示。图7为不同通道宽度对系统性能的影响。从图7(a)、(b)可以看到，随着流速的增大，通道宽度变化对电池模组的最高温度和最大温差带来的影响先逐渐变大后逐渐变小，当流速大于0.4 m/s后，通道宽度的改变基本不会影响系统的热力学性能，最高温度维持在303 K左右，最大温差维持在4.5 K左右。在同一流速下，随着通道宽度的增大，电池模组的最高温度和最大温差逐渐增大，1 mm时的最高温度和最大温差最小，但是1 mm和5 mm的最高温度和最大温差相差也仅为1 K左右。这说明同样通道宽度对系统的冷却效果影响不大。从图7(c)、(d)看到，随着流速的增大，系统的压降和泵功逐渐增大；在同一流速下，通道宽度越大，压降和泵功越小，这是因为通道宽度变大意味着冷却液的流动阻力减小，则需要更少的动力去驱动冷却液流动。当通道宽度为5 mm时，泵功相比于1 mm的通道宽度节省了79.9%。

范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图42

图7 通道宽度对系统性能的影响

3.4　通道的角度α的影响

为了分析通道角度对于系统性能的影响，取45°、60°、75°、90°、105°五组不同的通道角度，在0.1～0.5 m/s的流速下进行模拟计算，其结果如图8所示。图8即为不同通道角度 α带来的影响，从图8(a)、(b)可以看出，随着流速的增大，电池模组的最高温度和最大温差逐渐减小，最高温度从308 K降低到303 K，最大温差从8.5 K降低到4.5 K；在同一流速下，随着通道角度的增大，电池模组的最高温度和最大温差逐渐增大，0.4 m/s之后，流速增大和通道角度改变都不会再对电池模组的热力学性能产生影响，电池模组最高温度维持在303 K左右，最大温差维持在4.5 K左右。当通道角度为105°时，相比于45°，最高温度和最大温差升高了1 K左右。这主要是因为通道角度变大，意味着通过二次流通道的流体流通体积减小，且流体的混合减缓，也就减弱了液冷板的传热效果，但是整体来看，通道角度的改变对于电池模组的热力学性能影响不大。从图8(c)和(d)可以看到，随着流速的增大，系统的压降和泵功逐渐增大；随着通道角度的增大，压降和泵功都逐渐减小，75°之后，通道角度的改变不再对泵功和压降产生影响。当流速为0.5 m/s时，通道角度为75°的泵功比通道角度为45°时，减少了24.9%，压降降低了23.5%。这主要是因为通道角度变大，流体通过二次流通道的距离缩短，沿程阻力减小，压降和泵功也随之减少。但是综合来说，通道角度的改变对于系统的冷却效果和泵功消耗方面影响都不是特别大。

范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图43

图8 通道角度对系统性能的影响

3.5　通道距离L的影响

为了分析通道距离 L对于系统性能的影响，取4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm五组不同的通道距离，在0.1～0.5 m/s的流速下进行模拟计算，其结果如图9所示。图9即为不同通道距离带来的影响，从图9(a)、(b)可以看出，随着流速的增大，电池模组的最高温度和最大温差逐渐减小，最高温度从307.5 K降低到303 K，最大温差从8 K降低到4.5 K；在同一流速下，随着通道距离的增大，电池模组的最高温度和最大温差逐渐减小，在流速大于0.4 m/s之后，流速增大和通道距离改变都不会再对电池模组的热力学性能产生影响，但是整体来看，通道距离的改变对于电池模组的热力学性能影响不大。从图9(c)和(d)可以看到，随着流速的增大，系统的压降和泵功逐渐增大；随着通道距离的增大，压降和泵功都逐渐减小，但是各个通道距离的压降和泵功相差并不大。总体来看，通道距离的增大，在一定程度上改善了液冷板的冷却效果，降低了系统的能耗，但是这种改善作用并不是特别明显。

范立云等：二次流蛇形通道锂离子电池散热性能的图44

图9 通道距离对系统性能的影响

4 结论

本工作针对传统蛇形液冷板作出改进，设计了一种新型二次流蛇形液冷板。通过数值模拟仿真对两种液冷板进行对比，并对新型二次流蛇形液冷板的结构参数的影响做了研究分析，结论如下。

（1）新型二次流蛇形液冷板比传统液冷板的最高温度升高了0.157%，最大温差升高了11.6%，液冷板进出口压降下降了90.69%。虽然系统的冷却效果有所下降，但是压降却大大降低，节省了泵功，综合来说，新型二次流蛇形液冷板的性能更优秀。

（2）随着流速的增大，不同结构参数的液冷板的最高温度和最大温差都均逐渐减小，但在流速大于0.4 m/s后，最高温度维持在303 K左右，最大温差维持在4.5 K左右，压降和泵功随流速增大而增加。

（3）不同结构参数都存在最佳取值范围，当通道数量为7时，在大流速下，液冷板的冷却效果最好，且压降低，消耗泵功少。在0.5 m/s时，7通道的压降比1通道的泵功降低79.2%；通道宽度为5 mm时，泵功相比于1 mm的通道宽度节省了79.9%；通道角度为75°时，泵功比45°时节省了24.8%；通道距离为8 mm时，液冷板的冷却效果最好，消耗泵功最少。

第一作者：陈雅（1999—），女，硕士研究生，研究方向为新能源动力及电池热管理技术，E-mail：752909415@qq.com；

通讯作者：范立云，教授，研究方向为新能源动力及电池热管理技术，E-mail：fanliyun@hrbeu.edu.cn。

文章来源：储能科学与技术