电池包铝型材冷板流道性能分析与结构优化

张万良　徐丹　黄爱辉

摘 要：鋰离子动力电池作为电动汽车的主要动力来源，在电动车辆的设计开发中具有举足轻重的作用，但其性能受温度影响较大。本文提出一种铝型材液冷式锂电池散热结构，并用STAR-CCM+软件通过正交实验的方法分析了液冷板流道开槽深度对流量均匀性的影响。结果表明，合理的开槽深度可以提高液冷板内的流量均匀性，从而改善冷板的温度均衡性。

关键词：冷板;流道;结构优化;STAR-CCM+

1 引言

电动汽车由于其所具有的环境友好性，越来越受到人们的重视，其发展也呈现出蓬勃之势。锂电池由于其循环寿命长、安全性高等特点引起了越来越多人的青睐。然而，由于锂离子电池的固有特性，温度对其使用性能有着显著的影响[1-3]。有文献指出锂离子电池的适宜工作温度区间在10～30℃之间[4]。

因此，对锂离子动力电池的工作温度进行合理的控制，成为解决其性能、寿命与安全问题的关键。而相较于其他冷却方式，液冷因其效率高，温度响应迅速[5]，成为冷却系统首选冷却方式（表1）。液冷方式的选择，决定了冷板成为电池冷却系统中的关键零部件，冷板性能的差异在很大程度上决定了电池冷却系统的差异。而流量均匀性作为衡量液冷板冷却性能的一个重要指标，其对最终锂电池冷却效果有着重要的影响[6]。本文采用数值模拟及正交试验的方法研究了液冷板开槽深度对流量均匀性的影响，以期为液冷板的结构设计提供可参考的模型。

2 研究对象

本文的研究对象为挤压成型冷板（铝合金型材），冷板整体厚度为10mm，内部中空，流道挡板通过挤压成型。本文通过调整铝合金型材的流道挡板开槽的深度，寻找对各流道均匀性的关键性影响因素，从而为后续冷板开发提供参考。图1为冷板结构示意图，图2标记了流道内冷却液流向。

3 研究方法

大多数工程产品的开发和改进均基于对影响产品性能的参数的系统分析，在STAR-CCM+中，可以通过设计管理器（Design Manager）自动完成产品的设计探索过程。本文基于STAR-CCM+软件平台，完成了从CAD模型建立、网格划分、物理模型选择、边界条件定义、运算求解到设计优化的多步骤模拟，最终得到最优的冷板流道设计方案。

通过图3可以看出，流道为S形结构，在每个180°折弯处（共计五处）均需要开槽以保证流道连通，其中L1、L2、L3分别为开槽深度尺寸。本文将冷板流道的开槽深度尺寸L1、L2、L3定义为设计变量（图5），并将其变化范围（40mm～60mm）和变化步长（5mm）作为约束条件（表2），目标函数设定为流道横截面（图5虚线所示）流速的标准偏差（公式1）和统一性（公式2）。

本文之所以采用表2中的约束条件，是综合考虑了冷板加工工艺的限制。同时，为避免计算过程过于冗长，在满足设计需求的前提下，将设计变量的变化步长设定为5mm。

通过以上设置，共可得到125组对应的设计参数组合。SATR-CCM+软件将自动运行这些设计参数组合所对应的仿真模型，最终给出每组设计参数组合所对应的流速标准偏差φ与统一性。

4 结果与讨论

本文将冷板隔板开槽深度为可以调整的参数，通过为L1、L2、L3设定变化范围，得到共计125组对应尺寸（图4）。进一步通过分析计算，一共得到两组最优解，其设计参数分别为L1：45，L2：60，L3：45以及L1：55，L2：60，L3：45。此两组设计参数对应下的各流道流量具有最小的标准偏差，即流道间的流量均匀性最佳。同时，也进一步得出一组最差解，其设计参数为L1：50，L2：60，L3：50。

进一步对数据进行控制变量法分析，我们可以发现：

① 当设置L1为固定值时，随着其尺寸的增大，最优解的L2的尺寸为较大值（55、60），L3尺寸则表现为较小值（40、45）。

② 当设置L2为固定值时，随着L2数值的增大，最优解的L1的尺寸较大（55、60），而其L3尺寸较小（40、45）。

③ 当设置L3为固定值时，随着L3数值的增大，最优解的L1和L2尺寸均为较大值（55、60）（图5）（图6）。

从计算结果可以看出，L3尺寸较短时，各流道内的流量分配更趋向于均匀。较短的L3代表最外侧流道的挡板尺寸较长，能够较有效的阻止冷却液集中流入最外侧流道。图7、图8为最优解与最差解之间的对比。可以看出，冷板内各流道之间的流速分布并不均匀。通过调整流道隔板的开槽深度，我们得到图6的仿真结果，流道之间的流速分布趋于一致，并且涡流区域有所减小。这样，对于电池温度均衡将起到积极的作用。由此推断，在流道宽度、高度尺寸保持不变的情况下，通过更改流道隔板的开槽深度，将影响流道内流速分布均匀性。

5 结论

液冷冷板的性能分析和结构优化设计是液体散热系统设计中的一个重要研究方向。本文结合挤压成型冷板的结构特点，利用STAR-CCM+中的优化设计技术，通过设置变量与目标函数的方式，以隔板开槽深度（三个尺寸）作为设计变量，以流道间流量均匀性作为目标函数，最终获得三个参数的最佳组合，并得出以下结论：

① 在隔板开槽深度的三个变量中，并不是某单一的变量起决定性作用，而是三者共同作用的结果。其中，L2为大尺寸时可以获得较为优良的效果。

② 针对本文中的冷板结构，合理的隔板开槽深度（L1：45，L2：60，L3：45及L1：55，L2：60，L3：45）可以获得良好的流量均匀性。

参考文献：

[1]平平. 锂离子电池热失控与火灾危险性分析及高安全性电池体系研究[D]. 中国科学技术大学，2014.

[2]梁金华，李建秋，卢兰光，等. 纯电动车电池组散热必要性的初步分析[J]. 汽车工程，2012（07）：25-27.

[3]许守平，侯朝勇，胡娟，et al. 大规模储能用锂离子电池管理系统[J]. 电力建设，35（5）.

[4]张剑波，卢兰光，李哲. 车用动力电池系统的关键技术与学科前沿[J]. 汽车安全与节能学报，2012（02）：5-22.

[5]董锋. 液冷冷板内S型及S型加分流片流道仿真与优化[D]. 西安电子科技大学，2011.

[6]Chaofeng Pan，Qiming Tang，Zhigang He，et al. Structure Optimization of Battery Module With a Parallel Multi-Channel Liquid Cooling Plate Based on Orthogonal Test. International Journal of Heat and Mass Transfer[J]，2020，17（2）.