吳晨輝，蔡燁琳，陳 競(jìng)，邱慧燃，李 樂(lè)，劉昌會(huì)，趙佳騰?

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 低碳能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.常州恒創(chuàng)熱管理有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引 言

“雙碳”戰(zhàn)略提倡低碳、環(huán)保的生活方式，推廣新能源汽車(chē)是踐行可持續(xù)發(fā)展理念、助力“雙碳”戰(zhàn)略的有效措施[1]。動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)的核心部件之一，溫度對(duì)其容量和性能的影響十分顯著，需要及時(shí)通過(guò)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（battery thermal management system,BTMS）進(jìn)行調(diào)控，才能避免性能下降、壽命縮短甚至熱失控等問(wèn)題[2-5]。電池的熱安全是新能源汽車(chē)安全性問(wèn)題中不可忽視的一項(xiàng)，開(kāi)發(fā)高效可靠、與動(dòng)力電池相匹配的熱管理技術(shù)是推動(dòng)新能源汽車(chē)發(fā)展的必由之路[6-7]。

液冷BTMS 由于其高換熱效率和緊湊性，已經(jīng)在商用電動(dòng)汽車(chē)中得到應(yīng)用[8]。研究人員以能耗和電池溫度等為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化冷板結(jié)構(gòu)來(lái)提升BTMS 控溫性能，并降低能耗[9]。柯巧敏等[10]從電池?zé)岚踩⑿阅芎凸牡慕嵌冗M(jìn)行綜合考慮，獲得了最佳的電池?zé)峁芾矸桨浮２捎米兘孛娌鄣?，能夠促使流體邊界層分離并在壁面附近形成擾動(dòng)，破壞流體流動(dòng)的充分發(fā)展段并使其再次處于入口段，可以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的[11-13]。范鵬杰等[14]研究了不同截?cái)喾绞皆趶?qiáng)化微通道冷板傳熱方面的作用，矩形截?cái)嗟膹?qiáng)化效果優(yōu)于圓弧形截?cái)?。LEE 等[15-17]在微通道內(nèi)設(shè)置斜截面翅片，可以破壞工質(zhì)流動(dòng)邊界層使其始終處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，且產(chǎn)生的二次流促進(jìn)了工質(zhì)的混合，大幅提升傳熱能力和溫度均勻性。在此基礎(chǔ)上，JIN 等[13]在冷板通道壁上設(shè)計(jì)了傾斜切口，研究表明其傳熱系數(shù)高于常規(guī)直通道冷板。

基于新能源汽車(chē)動(dòng)力電池小空間尺度、高熱流密度的熱管理需求，本文設(shè)計(jì)具有小深寬比流道的折流式冷板。針對(duì)折流式冷板流道拐角處存在局部熱點(diǎn)的問(wèn)題，受上述工作的啟發(fā)提出局部連通的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，并對(duì)比不同連通口數(shù)量和位置對(duì)冷板流動(dòng)與傳熱特性和溫度均勻性的提升效果。

1 具有局部連通結(jié)構(gòu)的折流式冷板模型建立

基于方形軟包電池，設(shè)計(jì)了具有小深寬比流道的折流式冷板，以提高工質(zhì)在冷板中的換熱面積。對(duì)折流式冷板進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，通過(guò)SolidWorks 軟件建立如圖1a 所示的幾何模型。冷板總體尺寸為221 mm × 125 mm × 2 mm[4,18]，換熱部分尺寸為181 mm × 125 mm × 2 mm，入口段和出口段的尺寸均為20 mm × 20 mm × 2 mm。通過(guò)設(shè)置折流板來(lái)改變冷板內(nèi)部流道，折流板的寬度和高度均為2 mm。

圖1a 同時(shí)給出了局部連通結(jié)構(gòu)示意圖，以兩側(cè)折流板數(shù)量均為2、長(zhǎng)度均為75 mm 的冷板為基礎(chǔ)，在來(lái)流方向的流道拐角處開(kāi)設(shè)連通口，連通口的位置和開(kāi)口方式分別如圖中紅色和藍(lán)色方框區(qū)域所示。通過(guò)ICEM CFD 軟件對(duì)折流式冷板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)連通口處進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格及加密方式如圖1b 所示。

折流式冷板的計(jì)算域及邊界條件如圖1c 所示。假設(shè)電池與折流式冷板的換熱面完全貼合，上下?lián)Q熱面設(shè)為恒定熱流密度，大小均為10 000 W/m2。入口設(shè)為速度入口，且工質(zhì)入口溫度為20℃，出口設(shè)為出流邊界條件，其余邊界為絕熱。在冷板上下表面設(shè)置厚度為0.2 mm 的虛擬壁面，側(cè)面虛擬壁面厚度為2 mm，并啟用殼體熱傳導(dǎo)。通過(guò)FLUENT 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，本研究是基于壓力求解器的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。折流式冷板的材料為鋁，工質(zhì)為水，材料的熱物性參數(shù)如表1 所示。

圖1 具有局部連通結(jié)構(gòu)的折流式冷板模型：（a）幾何結(jié)構(gòu)；（b）網(wǎng)格劃分；（c）計(jì)算域及邊界條件[19]Fig.1 The model of baffled cold plate: (a) geometry;(b) mesh;(c) computational domain and boundary conditions[19]

表1 折流式冷板材料的熱物性參數(shù)[20]Table 1 Material thermal properties of baffled cold plate[20]

不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的折流式冷板模型如表2 所示，考慮了左右兩側(cè)折流板數(shù)量（NL和NR）和其長(zhǎng)度L。表2 中序號(hào)a對(duì)應(yīng)折流板數(shù)量，b對(duì)應(yīng)折流板長(zhǎng)度，Casea-b表示特定折流板長(zhǎng)度和數(shù)量的折流式冷板，b從屬于a，例如Case 6-7 表示NL=NR=2，L=75 mm的冷板。表3 和表4 給出了具有不同局部連通方式的折流式冷板，以對(duì)比其在提升冷板流動(dòng)換熱性能方面的效果。在同一位置僅有一處連通口且連通口寬度為0.5 mm 的折流式冷板，命名為Case 17。表3和表4 中的折流式冷板在同一位置分別設(shè)有兩處和三處連通口，表中數(shù)字表示每處連通口與流道拐角頂點(diǎn)之間的距離［dx（x=1,2,3），單位為mm，見(jiàn)圖1a］，所有冷板的連通口寬度均為0.5 mm，d1均為0 mm。表4 中序號(hào)a對(duì)應(yīng)d2，b對(duì)應(yīng)d3，b從屬于a，即表中左右一一對(duì)應(yīng)，例如Case 19-1 為d2=1 mm，d3=2 mm 的冷板。

表2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的折流式冷板Table 2 Baffled cold plate with different structure parameters

表3 具有兩處連通口的折流式冷板Table 3 Baffled cold plate with two local slits

表4 具有三處連通口的折流式冷板Table 4 Baffled cold plate with three local slits

為了簡(jiǎn)化折流式冷板的流動(dòng)換熱特性，進(jìn)行如下假設(shè)[21-22]：①工質(zhì)是穩(wěn)定、單相且不可壓縮的；②冷板、工質(zhì)的熱物性參數(shù)恒定；③工質(zhì)與壁面無(wú)滑移；④忽略黏性耗散的影響。

通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，選擇最大網(wǎng)格尺寸為1 mm、網(wǎng)格數(shù)為8.60 × 105的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以節(jié)約計(jì)算資源[19]。此外，通過(guò)流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性[19]。

對(duì)于折流式冷板的流動(dòng)換熱特性，通過(guò)努塞爾數(shù)Nu［式（1）］和冷板阻力特性系數(shù)ξ［式（2）］分別表征工質(zhì)在冷板中的對(duì)流換熱強(qiáng)度和流動(dòng)阻力特性[12,19]。強(qiáng)化冷板的對(duì)流換熱性能，主要目標(biāo)是提高Nu，但Nu的提高往往伴隨著阻力特性系數(shù)的增加，因此，通過(guò)性能評(píng)估準(zhǔn)則（performance evaluation criteria,PEC）對(duì)折流式冷板的流動(dòng)阻力特性和對(duì)流換熱強(qiáng)度進(jìn)行綜合考慮［式（3）］[11]。通過(guò)溫度標(biāo)準(zhǔn)差Tstd，對(duì)折流式冷板表面的溫度均勻性進(jìn)行量化分析。

式中：h為冷板換熱系數(shù)；D為特征長(zhǎng)度，取液冷板入口的水力直徑；λ為工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；ΔP為進(jìn)出口壓差；Pb為入口處工質(zhì)的動(dòng)壓；ρ為工質(zhì)的密度；v為入口流速；Nu0和ξ0分別取Case 6-7 液冷板在體積流量QV為4 mL/s 時(shí)對(duì)應(yīng)的Nu和ξ。

2 結(jié)果與討論

2.1 折流式冷板參數(shù)對(duì)流動(dòng)傳熱特性的影響

折流板的數(shù)量直接決定了流道的寬度，且寬度隨著折流板數(shù)量的增加而減小，折流板的長(zhǎng)度影響單一流道的長(zhǎng)度。折流式冷板的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，繼而影響工質(zhì)在冷板內(nèi)的換熱強(qiáng)度。本節(jié)通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)折流式冷板的表面溫度云圖進(jìn)行分析，以明晰冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流動(dòng)換熱特性的影響。圖2 給出了部分結(jié)構(gòu)折流式冷板的表面溫度云圖，以體現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。

工質(zhì)受熱，溫度沿流道逐漸升高，冷板左側(cè)區(qū)域的平均溫度低于右側(cè)。流動(dòng)狀態(tài)直接影響工質(zhì)與冷板表面的對(duì)流換熱，速度分布決定了溫度的分布。工質(zhì)流動(dòng)速度快的區(qū)域，熱邊界層厚度較小、溫度較低，工質(zhì)流動(dòng)速度慢的區(qū)域則相反；工質(zhì)流動(dòng)滯止區(qū)，熱量主要以熱傳導(dǎo)的方式傳遞，形成高溫?zé)狳c(diǎn)且溫度梯度較大。

由圖2a～ 圖2h 可知，當(dāng)冷板一側(cè)折流板數(shù)為0 時(shí)，工質(zhì)在該區(qū)域不能充分流動(dòng)，流道拐角處存在較大的流動(dòng)滯止區(qū)并形成高溫?zé)狳c(diǎn)。隨著折流板的增長(zhǎng)，流動(dòng)滯止區(qū)的范圍增大、溫度升高，冷板右側(cè)折流板數(shù)為0 時(shí)尤為明顯。此時(shí)，折流式冷板整體的換熱性能和溫度均勻性均較差，且長(zhǎng)度的增加可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱性能和溫度均勻性均進(jìn)一步降低。

對(duì)比圖2i～ 圖2p 可知，若NL和NR均不為0，當(dāng)折流板較短時(shí)，會(huì)在其兩端形成流動(dòng)滯止區(qū)，導(dǎo)致?lián)Q熱性能和溫度均勻性均降低。折流板數(shù)為4 時(shí)，上述情況尤為明顯；折流板數(shù)為6 時(shí)，增加的折流板起到強(qiáng)化傳熱作用，冷板的換熱性能相比折流板數(shù)為4 時(shí)有所提升。而隨著折流板長(zhǎng)度的增大，有利于工質(zhì)的更充分流動(dòng)，兩端高溫的流動(dòng)滯止區(qū)消失，折流式冷板的對(duì)流換熱性能得到大幅提升。對(duì)于折流式冷板表面的溫度均勻性，雖然隨著折流板兩端的高溫?zé)狳c(diǎn)消失而得到提升，但流道內(nèi)溫度分布的影響逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，溫度均勻性總體上呈現(xiàn)先提升后下降的趨勢(shì)。

圖2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)折流式冷板的表面溫度云圖（QV=4 mL/s）Fig.2 Surface temperature contours of baffled cold plate with different structural parameters (QV=4 mL/s)

折流式冷板整體的換熱性能及表面的溫度均勻性受其兩側(cè)折流板數(shù)量和長(zhǎng)度的共同作用。若折流式冷板存在一側(cè)折流板數(shù)量為0，或折流板短且數(shù)量多的情況，均不利于整體的換熱?？傮w而言，折流板長(zhǎng)且多的冷板，具有更好的綜合換熱性能。

2.2 局部連通結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)折流式冷板流動(dòng)傳熱特性的影響

基于對(duì)折流式冷板內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的討論，針對(duì)流道拐角處工質(zhì)流動(dòng)速度慢甚至滯止的區(qū)域?qū)α鲹Q熱性能降低的問(wèn)題，提出了對(duì)流道局部連通的方法對(duì)冷板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。具有局部連通結(jié)構(gòu)的流道，在下一流道的拐角處形成了一束速度相對(duì)更快、溫度相對(duì)更低的射流；可以減小該部分工質(zhì)在冷板中流動(dòng)的距離，降低工質(zhì)整體的流動(dòng)阻力，同時(shí)破壞流道拐角處的流動(dòng)滯止區(qū)，消除局部高溫?zé)狳c(diǎn)的同時(shí)強(qiáng)化該區(qū)域的對(duì)流換熱[19]。然而，對(duì)應(yīng)流道中的高溫區(qū)域擴(kuò)大，導(dǎo)致流道內(nèi)的流動(dòng)傳熱性能略微降低。因此，折流式冷板的流動(dòng)傳熱性能和溫度均勻性受流道拐角處和流道內(nèi)流動(dòng)傳熱狀況的共同影響，需要對(duì)其進(jìn)行量化分析，以對(duì)比不同局部連通方式的影響。圖3～ 圖6 分別為對(duì)Nu、ξ、PEC 和Tstd的量化分析結(jié)果（QV=4 mL/s），其中，為了方便表示，兩處連通口的冷板在圖中只給出了其中的一半。

相比具有一處連通口的Case 17 冷板，連通口的增加能夠進(jìn)一步提升折流式冷板的綜合換熱性能和溫度均勻性，Nu和PEC 均進(jìn)一步增大，ξ和Tstd進(jìn)一步減小。相比連通口從一處增加至兩處帶來(lái)的冷板綜合換熱性能和溫度均勻性的大幅提升，連通口從兩處增加至三處帶來(lái)的提升幅度較小，對(duì)溫度均勻性的提升幅度甚至出現(xiàn)低于兩處連通口的情況。下面對(duì)局部連通方式的影響進(jìn)行具體分析。

圖3 為對(duì)折流式冷板換熱性能的量化分析結(jié)果。對(duì)于具有兩處連通口的折流式冷板，隨著d2的增大，能夠?qū)α鞯拦战翘幐蠓秶膶?duì)流換熱進(jìn)行強(qiáng)化，Nu隨之增大，增大的幅度先減小后增大。Case 18-24 冷板具有最佳的對(duì)流換熱性能，提升了16.71%。折流式冷板的連通口增加至三處，d2 不變而d3 增大，擴(kuò)大了局部連通結(jié)構(gòu)的范圍，能夠進(jìn)一步強(qiáng)化冷板對(duì)流換熱性能，Nu隨之增加；d3 不變而d2 增大時(shí)，Nu先增大后減小。Case 22-7 冷板具有最佳的對(duì)流換熱性能，相比Case 6-7 冷板提升了19.50%。

圖3 連通口數(shù)量和位置對(duì)Nu 的影響Fig.3 The influence of local slit number and location on Nu

由圖4 可知，受折流式冷板流道轉(zhuǎn)彎處工質(zhì)速度分布的影響，隨兩處連通口冷板中d2 的增加，工質(zhì)流動(dòng)阻力降低的幅度略微減小，d2 和ξ近似成正比。Case 18-1 冷板的工質(zhì)流動(dòng)阻力最小，相比Case 6-7 降低了10.19%。連通口的增加進(jìn)一步降低了工質(zhì)流動(dòng)阻力，ξ減小。連通口集中時(shí)的泄壓效果更好，d2 不變而d3 增大時(shí)，ξ略微增大；d3 不變而d2 增大，ξ先增大后減小。Case 19-1 冷板的ξ最小，相比Case 6-7 冷板降低了14.44%。

圖4 連通口數(shù)量和位置對(duì)ξ 的影響Fig.4 The influence of local slit number and location on ξ

結(jié)合圖3 和圖4 中對(duì)折流式冷板流動(dòng)換熱性能和阻力特性的分析可知，對(duì)于兩處連通口的折流式冷板，隨d2 的增大，Nu增大的幅度遠(yuǎn)大于ξ。由圖5 可知，PEC 隨d2 的增大而增大，變化趨勢(shì)與Nu相似，增大的幅度先減小后增大，但幅度略小于Nu。Case 18-24 冷板的綜合換熱性能最佳，PEC 相比Case 6-7 增大了20.82%。連通口增加至三處，Nu和ξ隨d2 和d3 變化的趨勢(shì)相同，且d2 和d3 對(duì)Nu的影響遠(yuǎn)大于ξ。PEC 的變化趨勢(shì)與Nu相同，當(dāng)d2不變而d3 增大，PEC 隨之增大；d3 不變而d2 增大，PEC 先增大后減小。相應(yīng)地，Case 22-7 冷板的PEC達(dá)到極大值，相比Case 6-7 冷板提升了25.62%。

圖5 連通口數(shù)量和位置對(duì)PEC 的影響Fig.5 The influence of local slit number and location on PEC

對(duì)于兩處連通口折流式冷板的溫度均勻性，隨d2 的增大，雖然流道中的高溫區(qū)域略微增大，但冷板中部的溫度分布更加均勻，消除了更大范圍的高溫?zé)狳c(diǎn)區(qū)域，冷板整體的溫度均勻性得到提升。如圖6 所示，折流式冷板表面Tstd隨d2 的增大而減小。Case 18-24 冷板的溫度均勻性最佳，相比Case 6-7提升了7.84%。

圖6 連通口數(shù)量和位置對(duì)Tstd 的影響Fig.6 The influence of local slit number and location on Tstd

連通口從兩處增加至三處時(shí)流道內(nèi)高溫區(qū)域的擴(kuò)大所占權(quán)重更大，導(dǎo)致溫度均勻性降低，僅少數(shù)局部連通方式能夠進(jìn)一步提升冷板的溫度均勻性。d2 不變而d3 增大，或d3 不變而d2 增大，均能夠提升冷板的溫度均勻性，Tstd減?。籨2 越小，Tstd隨d3 增大而減小的幅度越大。具有三處連通口的Case 28-1 冷板溫度均勻性最佳，相比于Case 6-7提升了7.72%，但仍略小于兩處連通口中最佳的Case 18-24 冷板。

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種用于液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的折流式冷板，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)冷板的流動(dòng)傳熱特性。提出局部連通的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，并對(duì)比不同優(yōu)化方式的強(qiáng)化效果。主要結(jié)論如下：

（1）折流式冷板的換熱性能和溫度均勻性受其兩側(cè)折流板數(shù)量和長(zhǎng)度的影響呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。折流板數(shù)量和長(zhǎng)度的增加有利于提升折流式冷板的綜合換熱性能。

（2）對(duì)流道進(jìn)行局部連通結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠同時(shí)提升折流式冷板的綜合換熱性能和溫度均勻性；增加連通口數(shù)量、增大最后連通口與流道拐角的距離，可以進(jìn)一步提升綜合換熱性能和溫度均勻性。Case 22-7（三處連通口，d1=0 mm，d2=2.5 mm，d3=6.5 mm）冷板綜合換熱性能最佳，相比無(wú)局部連通結(jié)構(gòu)的冷板Case 6-7 提升了25.62%。