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電動汽車電池冷卻器冷卻液側(cè)傳熱與流動性能仿真

2021-10-24 19:16:13·  來源：汽車熱管理之家  
　
摘要：針對雙回路液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)關(guān)鍵部件電池冷卻器進(jìn)行仿真研究，將提取出的冷卻液側(cè)流道作為研究對象，分析換熱器中波紋板結(jié)構(gòu)、冷卻液質(zhì)量流量與入口溫度
摘要：針對雙回路液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)關(guān)鍵部件電池冷卻器進(jìn)行仿真研究，將提取出的冷卻液側(cè)流道作為研究對象，分析換熱器中波紋板結(jié)構(gòu)、冷卻液質(zhì)量流量與入口溫度對于流道內(nèi)流動及換熱的影響。研究發(fā)現(xiàn)，波紋及上下板間的觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)會在流道中產(chǎn)生的二次流，在低Reynolds數(shù)（Re=739）下即可達(dá)到湍流，增強(qiáng)了換熱效果。擬合了板片Nusselt數(shù)與Reynolds數(shù)的關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)板片的平均傳熱系數(shù)隨著質(zhì)量流量的提高而增加，增幅可達(dá)374%，但功耗也隨之迅速增加，因而，需要合理選擇質(zhì)量流量以平衡傳熱與功耗。冷卻液入口溫度主要通過熱物性影響傳熱系數(shù)及壓降，但整體影響幅度較小，因而在實(shí)際使用中可不考慮季節(jié)與運(yùn)行因素對電池冷卻器性能的影響。
引 言
 
在全球變暖、能源危機(jī)和城市空氣污染的大背景下，盡可能減少使用交通工具所產(chǎn)生的污染，提高交通工具的能源利用效率，一直以來都受到人們的關(guān)注。目前使用傳統(tǒng)車輛內(nèi)燃機(jī)的能源利用效率僅約30%，且會由于內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生尾氣排放，造成城市環(huán)境空氣污染的問題。電動汽車作為一類新型交通運(yùn)輸工具，其電機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)90%，且在行駛過程中不會產(chǎn)生尾氣排放，可以節(jié)約石油資源消耗，減少城市空氣污染，是解決城市交通工具污染、能耗的多功能解決方案。電動汽車還兼具噪聲污染小、智能系統(tǒng)集成性高等優(yōu)點(diǎn)，受到市場廣泛歡迎，2018年，全球電動汽車銷量突破200萬輛，其中一半以上來自中國。隨著“特斯拉”超級工廠于2019年正式落戶上海并投入生產(chǎn)，可以預(yù)見，中國的電動汽車行業(yè)將迎來進(jìn)一步的大幅增長。
目前的電動汽車多采用高能量密度的鋰離子動力電池作為驅(qū)動能源。由于鋰電池本身的特性，在使用過程中需要盡可能控制鋰電池溫度處于15～35℃的范圍。在汽車行駛過程中，鋰電池中持續(xù)的電化學(xué)極化、內(nèi)阻效應(yīng)將產(chǎn)生熱量，若不及時散出將造成電池溫度上升，使動力電池組壽命降低，電動汽車?yán)m(xù)航里程降低。同時，在目前大容量、高能量密度電池以及快充技術(shù)的應(yīng)用下，動力電池的熱通量將更大，對散熱系統(tǒng)的要求也更高。因此，電動汽車的動力電池系統(tǒng)需要嚴(yán)格的熱管理控制。否則，將不僅影響動力電池的壽命和容量，還會引起電池的熱失控，導(dǎo)致爆炸等危險，嚴(yán)重威脅行車安全。開發(fā)可靠、高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（battery thermal management system,BTMS），保持電池處于合理的溫度區(qū)間，對電動汽車的續(xù)航里程、使用壽命和安全性均十分重要。
常用的電動汽車?yán)鋮s方式有空氣冷卻、雙回路液冷、直接液冷、相變材料以及吸附材料熱效應(yīng)冷卻等方式，已經(jīng)商業(yè)使用的方式為空氣冷卻和雙回路液冷，其他方式仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段。目前由于空氣冷卻無法滿足電池日益提高的散熱需求已被淘汰，現(xiàn)有商用電動汽車多采用冷卻液雙循環(huán)液冷系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理如圖1所示。BTMS在車輛空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上高度耦合而成，回路中與用于調(diào)節(jié)客艙溫度的蒸發(fā)器并聯(lián)一個換熱器，稱為電池冷卻器。部分制冷劑將流入電池冷卻器中，在電池冷卻中蒸發(fā)吸熱，吸收另一側(cè)回路中的冷卻液的熱量。冷卻液則進(jìn)入電池冷板中帶走熱量。
 
圖1 雙回路液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)Fig.1 Second-loop indirect liquid cooling battery thermal management system
電池冷卻器是承擔(dān)電池散熱的關(guān)鍵部件，其換熱特性將直接影響電池散熱的效果，而由于車體內(nèi)部空間的限制，需要采用緊湊換熱器，因而一般采用鋁制釬焊式的板式換熱器。為了進(jìn)一步提高電池?fù)Q熱器的換熱效果，可以在電池板式冷卻器的流道中設(shè)計湍流發(fā)生結(jié)構(gòu)，這些設(shè)計沿流向阻斷流動和溫度邊界層的發(fā)展，增強(qiáng)湍流強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)換熱。
國內(nèi)外學(xué)者對相關(guān)的板式換熱器中的流動和換熱特性開展了仿真與試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)方面，F(xiàn)ocke等使用流動顯示技術(shù)對板式換熱器開展研究，發(fā)現(xiàn)沿波紋方向的水流會產(chǎn)生二次流旋渦運(yùn)動，波紋角度對傳熱速率的影響較小。魏文建等分析了點(diǎn)波板式換熱器內(nèi)流動換熱及壓降特性，發(fā)現(xiàn)在Reynolds數(shù)大于300之后，對流傳熱系數(shù)將在5000 W/(m2·K)以上，且將隨著Reynolds數(shù)的提高而繼續(xù)增加。系統(tǒng)層面，張春秋等搭建了電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，分析了具有電池冷卻器的汽車空調(diào)與電池冷卻系統(tǒng)中的耦合影響。
但是，由于電池板式冷卻器中的流動狀況十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究僅能從整體換熱器及系統(tǒng)參數(shù)角度對其進(jìn)行研究，如果采用數(shù)值模擬的方法則可以研究具有湍流發(fā)生結(jié)構(gòu)板片的傳熱和壓降特性，還可以顯示板片間湍流流動特征，有助于對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)入深入的分析與研究，減少試驗(yàn)周期和成本。張如許等對換熱器中的重復(fù)傳熱單元進(jìn)行建模，采用了SST k-ω模型對單相流體液態(tài)水在點(diǎn)波板式換熱器中的流動與換熱開展了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)波結(jié)構(gòu)的焊接圓面之間流體產(chǎn)生旋渦，造成邊界層分離，同時伴有強(qiáng)烈的回流。徐志明等也針對某板式換熱器的重復(fù)的單元進(jìn)行水-水工質(zhì)模擬研究并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)提高換熱器性能不能單純提高流速，還與進(jìn)出口溫差有關(guān)；對模擬得到的速度、壓力、溫度分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)流道內(nèi)流動和傳熱分布不均。
綜上所述，目前關(guān)于板式換熱器的仿真研究的工質(zhì)主要使用水、油等工質(zhì)，常用在汽車領(lǐng)域的乙二醇防凍液的流動與傳熱特性研究較少。同時，仿真的幾何模型也常提取出其中的重復(fù)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，而不是對整個板片進(jìn)行分析，無法分析板片不同位置的流動與傳熱的均勻性，無法從整個板片設(shè)計角度改善流動與傳熱特性。因而，本文從板片尺度對乙二醇防凍液在板片流道中的傳熱與流動特性進(jìn)行分析，以期對電動汽車熱管理系統(tǒng)的電池冷卻器部件的應(yīng)用提供參考。
1 模型及參數(shù)
1.1 幾何參數(shù)
 
所研究的電池冷卻器外形如圖2所示，共由21層板片疊裝組成，構(gòu)成20個重復(fù)流道。由于電池冷卻器中流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且具有長寬比大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如果將其整體進(jìn)行建模仿真，網(wǎng)格數(shù)將達(dá)到數(shù)億級別，且網(wǎng)格質(zhì)量也很難保證。同時，由于其內(nèi)部流道均由多個相同的板片相互堆疊形成，流道結(jié)構(gòu)相同，因此將對其中一層冷卻液側(cè)的流道展開研究，其特性可以相應(yīng)拓展至整個換熱器。
 
圖2 電池冷卻器整體結(jié)構(gòu)外形Fig.2 Overall structure and shape of the chiller
抽取出兩側(cè)板片間形成的冷卻液側(cè)流道，并對其進(jìn)行幾何清理與細(xì)小特征簡化。同時，為防止入口效應(yīng)還添加了進(jìn)出口管道，將該模型作為計算域。計算域的外形尺寸為90.5 mm×58.5 mm×0.65 mm，入口和出口管道的尺寸為φ15.2 mm×60 mm。
1.2 仿真模型
 
經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研，在微通道板式換熱器領(lǐng)域進(jìn)行傳熱性能仿真常采用的模型有RNG k-ε型、Realizable k-ε模型和SST k-ω模型。在本文中，鑒于SST k-ω模型對壁面附近低Reynolds數(shù)流動有更高的解析度，因而采用SST k-ω模型開展計算與分析。SST k-ω模型包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及湍流動能和耗散率方程。
連續(xù)性方程：
 
動量方程：
 
能量方程：
 
湍流模型方程：
 
式中，G、Y、S分別代表湍動能和湍流耗散率的產(chǎn)生項(xiàng)、耗散項(xiàng)及源項(xiàng)。
1.3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證
 
 
圖3 網(wǎng)格橫截面Fig.3 Cross section diagramof mesh
流道結(jié)構(gòu)長寬比很大，為一薄層結(jié)構(gòu)，且流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，因此采用四面體網(wǎng)格方法生成網(wǎng)格。對壁面添加3層邊界層以提高壁面附近流動的準(zhǔn)確性，同時保證第一層網(wǎng)格y+＜1以滿足SST k-ω模型要求，生成的網(wǎng)格斷面如圖3所示。
對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證（表1），對比數(shù)量最多的第3種網(wǎng)格算例發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格1和2在溫度和壓力兩方面的平均相對誤差均在0.1%以內(nèi)，最終選擇數(shù)量為2005861個的網(wǎng)格2。對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，其最小正交質(zhì)量為0.7，可以達(dá)到計算精度要求。
表1 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)Table 1 Mesh independence
 
1.4 數(shù)值方法
 
采用ANSYSFLUENT 2020R1進(jìn)行模擬計算。在計算工況中，管道進(jìn)出口流量恒定，滿足質(zhì)量守恒定律，同時各求解方程殘差穩(wěn)定時可視為收斂。算法采用SIMPLE算法求解速度-壓力耦合方程。采用二階迎風(fēng)格式計算連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及湍流動能和比耗散率方程。
1.5 物性參數(shù)、邊界條件及計算工況
 
冷卻液側(cè)的流動工質(zhì)采用乙二醇水溶液（乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%），其物性見表2，編寫用戶自定義物性輸入程序。
測序結(jié)果提示患兒存在ERCC6基因復(fù)合雜合突變（表 1），Sanger測序(表 2)：對父母進(jìn)行同片段序列分析結(jié)果顯示，該患兒分別遺傳了父親及母親的雜合突變，該患兒ERCC6復(fù)合雜合突變中核苷酸 變 化 c.116-1125delTGAGTATTTC、c.780-781insCC；氨基酸變化：p.Ser372SerfsX30|p.S372SfsX30、p.ProfsX70|p.P260PfsX70；基因亞區(qū)：EX5；CDS4，屬框移突變，該框移突變導(dǎo)致氨基酸編碼蛋白發(fā)生提前終止，產(chǎn)生截短蛋白，會對蛋白質(zhì)的結(jié)果和功能產(chǎn)生較大影響；該突變在文獻(xiàn)中未見報道；與CS發(fā)病有相關(guān)性。
1.6 模型驗(yàn)證
 
為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，按照中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8701—2018《制冷用板式換熱器》中板式換熱器熱工性能測定的要求搭建了符合測試標(biāo)準(zhǔn)的測試試驗(yàn)臺，測試得到電池冷卻器全板片換熱量數(shù)據(jù)。根據(jù)誤差分析，其實(shí)驗(yàn)換熱量最大誤差為17%。對比多組入口流量為q m=0.01022 kg/s基準(zhǔn)工況下的實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)（圖4），發(fā)現(xiàn)其折算單層換熱量與壓降偏差小于40%，且具有良好的一致性。
表2 冷卻液（50%乙二醇-50%水）物性Table 2 Properties of coolant（50%ethylene glycol-50%water）
 
 
圖4 試驗(yàn)與仿真換熱量對比Fig.4 Comparison of heat exchange capacity between simulation and experiment
分析誤差來源發(fā)現(xiàn),除了試驗(yàn)測試誤差以外，原因有兩個方面。其一，仿真所得單層換熱量是在明顯的進(jìn)出口效應(yīng)下得到的，將大幅增強(qiáng)換熱。其二，試驗(yàn)的單層換熱量數(shù)據(jù)是由整體換熱量平均得到，無法反映隨著板式換熱器多層流道中溫升導(dǎo)致?lián)Q熱逐漸惡化的影響。兩者都使得仿真的換熱量偏大，但總體的偏差穩(wěn)定，仿真與試驗(yàn)有一致性。
2 結(jié)果與討論
2.1 數(shù)據(jù)處理方法
 
總的換熱量由進(jìn)出口溫差得到：
 
對數(shù)平均溫差：
 
單相傳熱系數(shù)：
 
工質(zhì)的通道壓降：
 
2.2 流場分析
 
2.2.1 速度場分析 為了分析板片間流道內(nèi)的換熱和壓降特性，需要對冷卻液在流道中的流動情況進(jìn)行分析并了解波紋板結(jié)構(gòu)中流體的流動特點(diǎn)。以入口溫度293.15 K、質(zhì)量流量0.0102 kg/s工況為例，提取出波紋板不同高度位置的剖平面對流動速度分布進(jìn)行分析。
 
圖5 流道不同高度位置橫截面上速度云圖Fig.5 Velocity contour on cross section at different height positions
圖5為波紋板間不同高度位置剖面的速度云圖。冷卻液的流動受到流道結(jié)構(gòu)的影響，人字形波紋板的形狀決定流動的具體形態(tài)，其造成了“斜波紋”型流動。流道兩側(cè)的人字形波紋形狀互為180°翻轉(zhuǎn)，一側(cè)波紋向“左”，而另一側(cè)波紋向“右”，中間則形成相互交叉流動。在波紋板的觸點(diǎn)處，流體無法通過，因而在此結(jié)構(gòu)附近產(chǎn)生了流動滯止區(qū)域，速度相對較低。
此外，對整個板片的流動進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其在四個角落處均出現(xiàn)了流動的滯止，流速極低，這對整體換熱不利，可以采用圓角過渡或設(shè)計結(jié)構(gòu)對流動進(jìn)行引導(dǎo)，防止角落流動滯止的產(chǎn)生。
分析流動對稱位置橫截面上部分區(qū)域的流線，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)，冷卻液進(jìn)入流道后在波紋結(jié)構(gòu)的影響下，會在觸點(diǎn)附近產(chǎn)生二次流。而且，上下板片相反的波紋結(jié)構(gòu)會在流道間的流體產(chǎn)生旋渦，加強(qiáng)二次流動，進(jìn)而削弱邊界層的厚度，增強(qiáng)換熱。
2.2.2 溫度場與壓力場分析 提取出板片厚度方向中心截面處的溫度云圖如圖7所示。流體在流道中逐漸被冷卻，溫度逐漸降低，從入口的293.15 K降低至與壁面同溫度的273.82 K。
 
圖6 對稱位置橫截面上部分區(qū)域流線Fig.6 Streamline on cross section at a symmetric position
 
圖7 對稱位置橫截面上溫度云圖Fig.7 Temperature contour on cross section at a symmetric position
為了分析上下板接觸結(jié)構(gòu)對溫度場的影響，提取出上下兩板片的觸點(diǎn)附近的流速和溫度云圖，如圖8所示。由于板片相互接觸，這部分將限制流體的流動，造成觸點(diǎn)前端的流體流速降低，這部分流體被壁面冷卻充分，溫度相對更低。
2.3 流動參數(shù)對傳熱及流動性能的影響
 
2.3.1 入口流量的影響 在入口溫度T in=293.15 K
工況下，板片平均傳熱系數(shù)與壓降隨質(zhì)量流量的變化如圖9所示。分析發(fā)現(xiàn)，在較低質(zhì)量流量下，對應(yīng)Reynolds數(shù)低于1000（僅Re=739）時，板片中的傳熱系數(shù)便已經(jīng)達(dá)到103量級，顯示其中的流動與傳熱因?yàn)椴y結(jié)構(gòu)的存在產(chǎn)生的旋渦二次流動，流動達(dá)到湍流。
 
圖8 兩板接觸點(diǎn)附近的溫度和流速云圖Fig.8 Temperature and velocity contour near contact area
 
圖9 平均傳熱系數(shù)及壓降隨質(zhì)量流量的變化Fig.9 Average HTCand pressure drop varies with mass flow rate
在使用工況中平均傳熱系數(shù)為5557 W/(m2·K)，隨著質(zhì)量流量的提高，流體傳熱系數(shù)逐漸上升，增幅約374%。這是由于提高質(zhì)量流量將增強(qiáng)流體湍流傳熱，邊界層變薄，導(dǎo)致傳熱系數(shù)隨著質(zhì)量流量的增加而增大。必須指出，這種增加是有限度的。一方面，提高流速對傳熱系數(shù)的提升效果將逐漸減少。另一方面，隨著質(zhì)量流量的增加，壓降將迅速增加，這對換熱器中的穩(wěn)定性和安全性會產(chǎn)生影響。因而，在實(shí)際使用中需要優(yōu)選合適的質(zhì)量流量。此外，還擬合了該工況范圍下的Nusselt數(shù)與Reynolds數(shù)、Promdtl數(shù)的關(guān)系：
 
2.3.2 入口溫度的影響 在質(zhì)量流量為q m=0.0102 kg/s條件下，冷卻液入口溫度對壓降和傳熱系數(shù)的影響如圖10所示。分析發(fā)現(xiàn)，入口溫度對傳熱系數(shù)的影響較小，隨著入口溫度提升，傳熱系數(shù)的增幅不足20%。入口溫度對壓降的影響也較小，壓降變化幅度同樣不足20%，這種微弱的影響主要是由于冷卻液的物性隨著溫度變化產(chǎn)生的，在實(shí)際使用中可不考慮入口溫度產(chǎn)生的影響。
 
圖10 平均傳熱系數(shù)及壓降隨入口溫度的變化Fig.10 Average HTCand pressure drop varied with inlet temperature
3 結(jié) 論
 
針對電動汽車雙回路液冷熱管理系統(tǒng)中關(guān)鍵部件電池冷卻器展開了仿真研究，分析冷卻器中板片結(jié)構(gòu)、質(zhì)量流量及冷卻液溫度對于冷卻液側(cè)傳熱和流動的影響，得到以下結(jié)論。
（1）上下板片相反的波紋結(jié)構(gòu)會在流道間的流體產(chǎn)生旋渦，加強(qiáng)二次流動，進(jìn)而削弱邊界層的厚度，增強(qiáng)該區(qū)域的湍動能。在低Reynolds數(shù)下即可達(dá)到湍流，進(jìn)而增強(qiáng)整體換熱效果。
（2）板片間觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的存在使得這區(qū)域的流動被限制，造成觸點(diǎn)前端的流體流速降低，流體被壁面冷卻充分，溫度相對更低。
（3）傳熱系數(shù)隨著質(zhì)量流量的提高而增加，增幅可達(dá)374%，但這將顯著提高壓降，提高泵功，同時會對換熱器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全產(chǎn)生影響，因而需要將流量控制在合理范圍內(nèi)。
（4）傳熱系數(shù)及壓降對冷卻液入口溫度的影響較小，存在的影響主要是溫度對流體物性改變造成的。
符號說明
A——換熱面積，m2
h——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)
p——壓力，kPa
Q——換熱量，W
q——流量，kg/s
T——溫度，℃
u——速度，m/s
x——坐標(biāo)方向，m
α——熱導(dǎo)率，W/(m·K)
κ——湍流動能，J
ρ——密度，kg/m3
μ——運(yùn)動黏度，m2/s
ω——湍流耗散率
下角標(biāo)
i,j——張量
in——入口
LMTD——對數(shù)平均
out——出口
w——壁面
作者：山訸1，馬秋鳴1，潘權(quán)穩(wěn)1，曹偉亮2，王強(qiáng)2，王如竹1
1上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院
2上海歐菲濾清器有限公司
 
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