混合动力车用锂电池液冷散热器流道优化设计①
毕方淇，王文丽，宫玉敏，陈金利，蒋　鑫，李　志，张荣彬
（淄博市农业机械研究所，山东淄博　２５５０００）
摘要：电池是混合动力汽车的核心部件之一，良好、均匀的冷却有利于保证电池的持久、正常使用。本文通过建立不同流道布局方式进行相同参数的仿真分析，互为对照，尝试获得最佳流道布局方式。发现，电池液冷流道在设计时，流道首先通入温度最高区域，有利于降低电池的最高温度和提高电池表面温度均匀性；流道长度应尽量短，较短的管路长度能够降低管路压力损失，提高冷却液在管路内流动速度，从而促进冷却液循环，提高冷却效率。针对本文管路布局方式，布局（ｃ）冷却效果最佳，不仅冷却效果好，而且用料更少，压力损失更小，为同类型电池组流道布局提供参考。
关键词：电池；仿真；优化；散热
中图分类号：ＴＭ９２１  文献标识码：Ａ  文章编号：１００８－７９２３（２０２０）０６－０３００－０４
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｃｈａｎｎｅｌ
ｆｏｒ　Ｒａｄｉａｔｏｒ　ｏｆ　ＨＥＶ　Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｂａｔｔｅｒｙ
ＢＩ　Ｆａｎｇ－ｑｉ，ＷＡＮＧ　Ｗｅｎ－ｌｉ，ＧＯＮＧ　Ｙｕ－ｍｉｎ，ＣＨＥＮ　Ｊｉｎ－ｌｉ，ＪＩＡＮＧ　Ｘｉｎ，ＬＩ　Ｚｈｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｒｏｎｇ－ｂｉｎ（Ｚｉｂｏ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｉｂｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，２５５０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｔｔｅｒｙ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ｈｙｂｒｉｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｕｎｉｆｏｒｍｃｏｏｌｉｎｇ　ｉｓ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｂａｔｔｅｒｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔｒｉｅｓ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｎｅｌｌａｙｏｕｔ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｎｎｅｌｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｅａｃｈ　ｃａｓｅ　ｗａｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈ　ｅａｃｈ　ｏｔｈｅｒ．Ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｓｈｏｕｌｄ　ｃｏｖｅｒｓ　ｔｈｅ　ｈｏｔｔｅｓｔ　ｒｅｇｉｏｎ　ｆｉｒｓｔｌｙ　ｗｈｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｂａｔｔｅｒｙ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ　ｔ
ｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ；ｔｈｅ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ａｓ　ｓｈｏｒｔ　ａｓ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ，ｓｈｏｒｔｅｒ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｃｏｕｌｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｌｏｓｓ，ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ｃｏｏｌａｎｔ，ｓｏ　ａｓ　ｔｏｐｒｏｍｏｔｅ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｏｌａｎｔ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ　ｌａｙｏｕｔ（ｃ）ｈａｓ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔｃｏｏｌｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｍｏｎｇ　ｏｔｈｅｒｓ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｌａｙｏｕｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｙｐｅ　ｏｆｂａｔｔｅｒｙ　ｐａｃｋｓ．
北京换车Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｂａｔｔｅｒｙ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；Ｈｅａｔ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ
１　引言
作为混合动力汽车的核心部件之一，电池对混合动力汽车的加速、安全、持续性都有重要影响。随着锂离子电池的迅速发展，为提升续航里程，采用更高的充放电倍率和大批量串、并联来提升充电速度和电池容量已成为重要发展方向之一［１－４］。
锂离子电池在大负荷工作时，内部产生大量热，电池快速升温，需要采用合适降温手段，以确保电池
①作者简介：
毕方淇（１９８８－），男，山东人，硕士，农业装备研究与开发工作。Ｅｍａｉｌ：５６２０８５８５＠ｑｑ．ｃｏｍ
性能正常发挥和足够的循环寿命。随着高密度锂电池的出现和发展［５－７］，风冷不仅难以满足电池热管理要求［８］，因提高散热效果而采用的较大单体电池间距［９］也将使得电池包体积增大，挤占车内空间。
液冷技术的发展和液冷成本的降低，使得电池包液冷技术正在被越来越广泛的使用，对液冷技术的研究也越来越深入。当前，对于液冷流道的研究多基于矩形截面［１０－１２］。王普浩等人设立了一款圆形截面动力电池液冷流道，采用了Ｙ型三通接头等连接件的结构参数来调整各流道流量和冷却效果［１３］，但Ｙ型管路加工较为复杂。邓元望等人虽然设计了一款圆形截面液冷流道［１４］，但未进行管路优化，散热管路利用率有所不足。
本文通过提出６种不同流道设计方案，互为对照，尝试优化选出一种更为合理的，应用于锂电池的，圆形截面的，单路液冷流道布局方案。以期通过优化流道布局，提高锂电池散热效果、散热均匀性、有较小的流道压力损失的同时，管路能够更短，从而节省液冷材料，降低液冷成本。
２　理论模型
对于流场分析，作如下假设：
１）工作介质为不可压缩连续流体；
２）流场计算收敛后处于稳定状态，流场物理量只与空间欧拉坐标有关而与时间无关；
流场按纳维－斯托克斯方程（Ｎ－Ｓ方程）和连续性基本微分方程共同计算。
纳维－斯托克斯方程（Ｎ－Ｓ方程）为：
Ｘ－１
ρ
ｐ
ｘ
陆昂
＋ｖ ２μｘ＝
μｘ
ｔ
＋μｘ
μｘ
ｘ
＋μｙ
μｘ
ｙ
＋μｚ
μｘ
ｚ
Ｘ－１
ρ
ｐ
ｙ
＋ｖ ２μｙ＝
μｙ
ｔ
＋μｘ
μｙ
ｘ
＋μｙ
μｙ
ｙ
＋μｚ
μｙ
ｚ
Ｘ－１
ρ
ｐ
ｚ
qiche＋ｖ ２μｚ＝
μｚ
ｔ
＋μｘ
用车成本
μｚ
ｘ
＋μｙ
μｚ
ｙ
＋μｚ
μｚ
ｚ
烅
烄
烆
（１）其中拉普拉斯算子：
２＝ ２
ｘ２＋
２
ｙ２
＋
２
ｚ２
（２）
式中：ｆ为总的质量力，Ｎ；Ｘ、Ｙ、Ｚ分别为３个坐标方向的质量力，Ｎ；ρ为流体密度，ｋｇ／ｍ３；ｐ为压强，Ｐａ；μ为速度，ｍ／ｓ；ｖ为运动学粘性系数，ｍ２／ｓ。
连续性基本微分方程：
ρ ｔ＋
（ρＵｘ）
ｘ
＋
（ρＵｙ）
ｙ
＋
（ρＵｚ）
ｚ
＝０（３）
式中Ｕｘ、Ｕ
ｙ、Ｕ
ｚ
分别为某时刻通过流体质点的３
个流速分量，ｍ／ｓ；ρ为流体密度，ｋｇ／ｍ３。
３　几何模型
几何模型根据用于混合动力汽车的方形锰酸锂
电池建立，单体电池容量１０Ａｈ，最大电压４．２Ｖ，尺
寸为６５×１７×１２２ｍｍ。选取２块电池组成电池组，
间隔材料为铝制冷板。冷板内部设置流道，共３条流
道，中间流道直径５．８ｍｍ，两侧流道直径５ｍｍ。
整体几何模型如图１所示。
图１　几何模型，其中，１入口，２冷板，３电池，４出口
Ｆｉｇ．１　Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｍｏｄｅｌ　Ａｍｏｎｇ　ｔｈｅｍ，
１ｉｎｌｅｔ，２ｃｏｌｄ　ｐｌａｔｅ，３ｂａｔｔｅｒｙ　ａｎｄ　４ｏｕｔｌｅｔ．
根据当前几何模型，按照等间距原则布置流道，
同一流道中，任意两竖直流道轴线距离均为１０ｍｍ。
分别设置６种不同走向流道，流道布局方式如图２所
示。箭头方向为工作介质流动方向。
图２　流道布局方式
Ｆｉｇ．２　Ｆｌｏｗ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｌａｙｏｕｔ．
流道不同的布局方式轴线长度如表１所示。
表１　不同布局方式流道轴线长度
Ｔａｂｌｅ　１　Ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　Ｆｌｏｗ　Ｃｈａｎｎｅｌ　ａｘｉｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌａｙｏｕｔｓ．
布局方式长度／ｍｍ布局方式长度／ｍｍ
（ａ）３６５．４０（ｄ）３５７．３８
（ｂ）３６５．４０（ｅ）３５１．６８
（ｃ）３５３．８０（ｆ）３６４．０３
４　仿真分析
采用ＩＣＥＭ对几何模型进行四面体非结构网格
划分，分别定义ｉｎｌｅｔ、ｏｕｔｌｅｔ、ｗａｌｌ和ｉｎｔｅｒ－ｗａｌｌ，其中
ｗａｌｌ为所有外壁面，ｉｎｔｅｒ－ｗａｌｌ为流道－冷板，冷板－电池交界面。单元大小１．２５ｍｍ，网格数２６８万。采用Ｆｌｕｅｎｔ对模型进行分析，采用Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｋ－ｅ模型，标准壁面函数Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｗａｌｌ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ。启用能量方程。设置电池材料参数，密度２　４００ｋｇ／ｍ３，比热容１　４００Ｊ／（ｋｇ·ｋ），热导率为各向异性，厚度方向为１Ｗ／（ｍ·Ｋ），其他两方向为２９Ｗ／（ｍ·Ｋ）。区域设置时，给电池分别设置发热功率１１６　０００Ｗ／ｍ３。边界条件，ｉｎｌｅｔ为质量入口，入口质量０．３ｇ／ｓ，入口温度２９８．１５Ｋ；ｏｕｔｌｅｔ为压力出口，回流水温３００Ｋ；ｗａｌｌ为固定壁面，与外界热对流系数１Ｗ／（ｍ２·Ｋ），外界温度２９８．１５Ｋ。
采用Ｃｏｕｐｌｅｄ算法，进行计算３　０００步，６工况均在１　８００步左右收敛。
５　结果分析
电池组温度结果如图３所示。
图３　电池组温度云图
Ｆｉｇ．３　Ｂａｔｔｅｒｙ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｎｔｏｕｒｓ．
根据温度云图可以发现，液冷流道入口处，电池温度最低，电池发出的热量快速传入流道并由其带出电池组。电池厚度方向温度梯度较大。
表２为温度结果汇总，如下：
表２　电池温度汇总
Ｔａｂｌｅ　２　Ｓｕｍｍａｒｙ　ｏｆ　Ｂａｔｔｅｒｙ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．
布局方式最高温度／Ｋ最低温度／Ｋ温差／Ｋ（ａ）３１５．４９　３０７．９２　７．５７
凌拓
（ｂ）３１５．２５　３０７．４７　７．７８
（ｃ）３１５．０７　３０７．３７　７．７
（ｄ）３１５．５０　３０７．８１　７．６９
（ｅ）３１５．５０　３０７．９６　７．５４
（ｆ）３１５．０９　３０７．４１　７．６８
  由表２可以看出，相比而言，采用布局（ｃ）时，电池最高温度最低，比对照组最大值低了０．４３Ｋ。电池最低温度，比对照组最大值低了０．５９Ｋ。
为分析不同流道布局对锂电池温度具体影响，在
液冷板与锂电池接触壁面上，以Ｚ方向中间对称线为基准，分别以６ｍｍ、１６ｍｍ、２６ｍｍ、３６ｍｍ、４６ｍｍ、５６ｍｍ建立６条直线，分别获取直线上温度，如图４所示。
图４　电池壁面不同位置直线温度曲线
Ｆｉｇ．４　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｕｒｖｅ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｗａｌｌ．通过图４可以发现，在冷板与电池接触壁面上，温度并不均匀，距离对称线越远，温差越大；其中方案（ｆ）壁面温度均匀性最差，温差变化范围为２－４．５Ｋ；其次为方案（ｂ），变化范围为０．８－４．５Ｋ；结合流道布局设计分析发现，方案（ｂ）与方案（ｆ）相比其他方案，最大不同在于入口直流道长度；其他方案均为５４ｍｍ，最长位置要超过电池宽度一半，而方案（ｆ）直流道最短，壁面温度变化也最大，方案（ｂ）次之。其他方案经对
比发现，各温度均匀性较为接近，但方案（ｃ）相比（ａ），（ｄ），（ｅ）方案温度更低，最大温差为０．３－３．３Ｋ。
无冷却时，电池壁面中心位置一般温度最高，结合以上分析，认为液冷流道设计时，应使得流道首先流经电池温度最高区域，这不仅有利于电池整体散热，也有利于提高电池表面温度均匀性。
不同布局下出入口压力均值、压力损失及最大速度等流动参数如表３所示。
表３　不同布局方式下冷却液流动参数汇总表
卡罗拉油耗Ｔａｂｌｅ　３　Ｓｕｍｍａｒｙ　ｏｆ　ｃｏｏｌａｎｔ　ｆｌｏｗ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌａｙｏｕｔｓ．布局方式入口压力／Ｐａ出口压力／Ｐａ压力损失／Ｐａ最大流速／ｍ／ｓ（ａ）２．１７０３８－９．０４ｅ－０７　２．１７０３８　０．００９６２４
（ｂ）２．１６７５３－１．０２－０６　２．１６７５３　０．００９６２０
（ｃ）２．１２９７４－３．２９ｅ－０５　２．１２９７７　０．０１０３１０
（ｄ）２．１３９７３－９．４８－０７　２．１３９７３　０．０１０２６１
（ｅ）２．１２－９．５６－０７　２．１２０００　０．０１０３４９
（ｆ）２．１５９６８－９．３２－０７　２．１５９６８　０．００９６０４
电池工业        　毕方淇，等：混合动力车用锂电池液冷散热器流道优化设计  　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ＢａｔｔｅｒｙＩｎｄｕｓｔｒｙ
  根据表３不难看出，布局（ｅ）压力损失较小，布局（ｃ）仅次之，最大流速相差３．９ｅ－５ｍ／ｓ。通过对比压力损失和最大流速发现，较小的压力损失可以获得较高的流速，加快冷却液的流动，进而提高冷却效果。为此，在流道设计时，采用合理的布局减小压力损失可以有效提高电池的冷却效果。
结合表１进行分析，管路长度与压力损失基本为正相关的关系；为此，在进行管路布局设计时，应使
得管路更短，进而减小压力损失，提高最大流速。
综上所述，对于电池液冷流道布局，冷却液体应首先通入温度最高的区域，这有利于降低电池组的最高温度，提升电池壁面温度均匀性；在不同管路的布局方式中，应尽量减少管路长度，在其他条件相同的情况下，较短的管路长度可以获得更小的压力损失和更大的流速，进而提升冷却液循环效率，提升电池组的冷却效率。针对该模型，布局（ｃ）冷却效果最佳，壁面温度均匀性最佳，管路轴线长度为３５３．８ｍｍ，较优。为该电池组冷却最佳方案。
６　结论
本文提出了６种不同流道设计方案，互为对照，通过ｆｌｕｅｎｔ软件进行了流场和温度场仿真，分别对布局管路轴线长度、电池最高温度、温差、电池壁面不同位置温度分布、冷却液流动参数进行了对比，得出以下结论：（１）电池液冷流道布局在设计时，流道应首先通入温度最高区域，并对该区域有效覆盖，这不仅有利于降低电池的最高温度，也有利于提高电池表面温度均匀性。
（２）电池液冷流道布局在设计时，应尽可能减少液冷管路长度，在其他条件相同的情况下，较短的管路长度能够降低管路压力损失，提高冷却液在管路内流动速度，从而促进冷却液循环，提高冷却效率。
（３）针对本文管路布局方式，布局（ｃ）冷却效果最佳，壁面温度均匀性最佳，管路轴线长度为３５３．８ｍｍ，较优，为该电池组冷却最佳方案。
（４）本文为其他液冷方形电池组流道布置提供参考。
参考文献：
［１］　杨恩谦．混合动力汽车与先进动力电池技术的发展分析［Ｊ］．汽车世界，２０２０，０００（００４）：Ｐ．１－１．
［２］　伍赛特．混合动力汽车动力电池技术发展趋势研究及展望［Ｊ］．通信电源技术，２０１９，０３６（００７）：７５－７６．
［３］　王雨潇，任慧平，皇甫益．镍氢电池在电动汽车上的发展［Ｊ］．包钢科技，２０１９，４５（０１）：９９－１０２．
［４］　谢乐琼，王莉，胡坚耀，等．锂离子动力电池产业技术发展概述［Ｊ］．新材料产业，２０１９，３０２（０１）：４６－５２．
［５］　钱丽，刘正耀，孙小嫚，等．长寿命高能量密度钛酸锂电池设计［Ｊ］．电源技术，２０２
０，４４（１０）：１４２５－１４２７＋１４６２．［６］　杨续来，张峥，曹勇，等．高能量密度锂离子电池结构工程化技术探讨［Ｊ］．储能科学与技术，２０２０，９（０４）：１１２７－１１３６．
［７］　张江云．１８６５０型动力电芯热—电特性及模组热管理技术研究［Ｄ］．广东工业大学，２０１８．
［８］　李隆键，李维平，崔文智．一种用于动力电池热管理的均温液冷板［Ｊ］．汽车工程学报，２０１９，９（０６）：４１３－４１６．［９］　张继华，陈立沛，张洵涛，等．２１７００圆柱锂离子电池组风冷散热分析［Ｊ］．汽车零部件，２０２０（０４）：１２－１５．
［１０］韩凯，唐景春，张健，等．２ｋＷ燃料电池冷却流道的结构优化［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２０２０，４３
（０８）：１０４０－１０４４．
［１１］李潇，陈江英，李翔晟．基于新型流道液冷板的动力电池热管理性能［Ｊ］．电源技术，２０２０，４４（１０）：１４３８－１４４２．［１２］安治国，赵琳，陈星，等．流道布置对方形锂电池组温度场的影响［Ｊ／ＯＬ］．电源学报：１－１０［２０２０－１１－２８］．ｈｔｔｐ：
／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１２．１４２０．ＴＭ．２０１９１００８．１１１１．００６．ｈｔｍｌ．
［１３］王普浩，李立涛，蔺强，等．动力电池冷却系统流量分配特性研究［Ｊ］．液压气动与密封，２０２０，４０（０３）：５７－６３．
［１４］邓元望，张上安，钟俊夫，等．混合动力车用锂电池液体冷却散热器结构设计［Ｊ］．电源技术，２０１５，３９（０３）：４５４－４５７．
第２４卷第６期              　电池工业
Ｃｈｉｎｅｓｅ　ＢａｔｔｅｒｙＩｎｄｕｓｔｒｙ            　２０２０年１２月