0 引言
液冷BTMS由于其高换热效率和紧凑性,已经在商用电动汽车中得到应用[8]。研究人员以能耗和电池温度等为目标,通过优化冷板结构来提升BTMS控温性能,并降低能耗[9]。柯巧敏等[10]从电池热安全、性能和功耗的角度进行综合考虑,获得了最佳的电池热管理方案。采用变截面槽道,能够促使流体边界层分离并在壁面附近形成扰动,破坏流体流动的充分发展段并使其再次处于入口段,可以达到强化传热的目的[11,12,13]。范鹏杰等[14]研究了不同截断方式在强化微通道冷板传热方面的作用,矩形截断的强化效果优于圆弧形截断。LEE等[15,16,17]在微通道内设置斜截面翅片,可以破坏工质流动边界层使其始终处于发展状态,且产生的二次流促进了工质的混合,大幅提升传热能力和温度均匀性。在此基础上,JIN等[13]在冷板通道壁上设计了倾斜切口,研究表明其传热系数高于常规直通道冷板。
基于新能源汽车动力电池小空间尺度、高热流密度的热管理需求,本文设计具有小深宽比流道的折流式冷板。针对折流式冷板流道拐角处存在局部热点的问题,受上述工作的启发提出局部连通的结构优化方法,并对比不同连通口数量和位置对冷板流动与传热特性和温度均匀性的提升效果。
1 具有局部连通结构的折流式冷板模型建立
不同结构参数的折流式冷板模型如表2所示,考虑了左右两侧折流板数量（NL和NR）和其长度L。表2中序号a对应折流板数量,b对应折流板长度,Case a-b表示特定折流板长度和数量的折流式冷板,b从属于a,例如Case 6-7表示NL = NR = 2,L = 75 mm的冷板。表3和表4给出了具有不同局部连通方式的折流式冷板,以对比其在提升冷板流动换热性能方面的效果。在同一位置仅有一处连通口且连通口宽度为0.5 mm的折流式冷板,命名为Case 17。表3和表4中的折流式冷板在同一位置分别设有两处和三处连通口,表中数字表示每处连通口与流道拐角顶点之间的距离[dx（x = 1, 2, 3）,单位为mm,见图1a],所有冷板的连通口宽度均为0.5 mm,d1均为0 mm。表4中序号a对应d2,b对应d3,b从属于a,即表中左右一一对应,例如Case 19-1为d2 = 1 mm,d3 = 2 mm的冷板。
Table 2 Baffled cold plate with different structure parameters表2 不同结构参数的折流式冷板 |
| a | b | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 序号 | 对应参数 | 序号 | 对应参数L / mm | ||
| NL | NR | ||||
| 1 | 0 | 0 | 1 | 60.0 | |
| 2 | 0 | 2 | 2 | 62.5 | |
| 3 | 0 | 4 | 3 | 65.0 | |
| 4 | 0 | 6 | 4 | 67.5 | |
| 5 | 2 | 0 | 5 | 70.0 | |
| 6 | 2 | 2 | 6 | 72.5 | |
| 7 | 2 | 4 | 7 | 75.0 | |
| 8 | 2 | 6 | 8 | 77.5 | |
| 9 | 4 | 0 | 9 | 80.0 | |
| 10 | 4 | 2 | |||
| 11 | 4 | 4 | |||
| 12 | 4 | 6 | |||
| 13 | 6 | 0 | |||
| 14 | 6 | 2 | |||
| 15 | 6 | 4 | |||
| 16 | 6 | 6 | |||
Table 3 Baffled cold plate with two local slits表3 具有两处连通口的折流式冷板 |
| 冷板序号 | 对应参数d2 / mm |
|---|---|
| Case 18-1 | 0.75 |
| Case 18-2 | 1.00 |
| Case 18-3 | 1.25 |
| Case 18-4 | 1.50 |
| Case 18-5 | 1.75 |
| Case 18-6 | 2.00 |
| Case 18-7 | 2.25 |
| Case 18-8 | 2.50 |
| Case 18-9 | 2.75 |
| Case 18-10 | 3.00 |
| Case 18-11 | 3.25 |
| Case 18-12 | 3.50 |
| Case 18-13 | 3.75 |
| Case 18-14 | 4.00 |
| Case 18-15 | 4.25 |
| Case 18-16 | 4.50 |
| Case 18-17 | 4.75 |
| Case 18-18 | 5.00 |
| Case 18-19 | 5.25 |
| Case 18-20 | 5.50 |
| Case 18-21 | 5.75 |
| Case 18-22 | 6.00 |
| Case 18-23 | 6.25 |
| Case 18-24 | 6.50 |
Table 4 Baffled cold plate with three local slits表4 具有三处连通口的折流式冷板 |
| a | b（对应参数d3 / mm） | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 序号 | 对应参数d2 / mm | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
| 19 | 1.0 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | |
| 20 | 1.5 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | ||
| 21 | 2.0 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | |||
| 22 | 2.5 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | ||||
| 23 | 3.0 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | |||||
| 24 | 3.5 | 4.5 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | ||||||
| 25 | 4.0 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | |||||||
| 26 | 4.5 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | ||||||||
| 27 | 5.0 | 6.0 | 6.5 | |||||||||
| 28 | 5.5 | 6.5 | ||||||||||
$Nu=\frac{hD}{\lambda }$ (1)
$\xi =4\frac{\Delta P}{{{P}_{\text{b}}}}=\frac{8\Delta P}{\rho {{v}^{2}}}$ (2)
$\text{PEC}={{{\left( \frac{Nu}{N{{u}_{0}}} \right)}/{\left( \frac{\xi }{{{\xi }_{0}}} \right)}\;}^{\frac{1}{3}}}$ (3)
式中：h为冷板换热系数;D为特征长度,取液冷板入口的水力直径;λ为工质的导热系数;ΔP为进出口压差;Pb为入口处工质的动压;ρ为工质的密度;v为入口流速;Nu0和ξ0分别取Case 6-7液冷板在体积流量QV为4 mL/s时对应的Nu和ξ。
2 结果与讨论
2.1 折流式冷板参数对流动传热特性的影响
折流板的数量直接决定了流道的宽度,且宽度随着折流板数量的增加而减小,折流板的长度影响单一流道的长度。折流式冷板的结构参数直接影响工质的流动状态,继而影响工质在冷板内的换热强度。本节通过对不同结构参数折流式冷板的表面温度云图进行分析,以明晰冷板结构参数对流动换热特性的影响。图2给出了部分结构折流式冷板的表面温度云图,以体现结构参数的影响。
Fig. 2 Surface temperature contours of baffled cold plate with different structural parameters (QV = 4 mL/s)图2 不同结构参数折流式冷板的表面温度云图（QV = 4 mL/s） |
工质受热,温度沿流道逐渐升高,冷板左侧区域的平均温度低于右侧。流动状态直接影响工质与冷板表面的对流换热,速度分布决定了温度的分布。工质流动速度快的区域,热边界层厚度较小、温度较低,工质流动速度慢的区域则相反;工质流动滞止区,热量主要以热传导的方式传递,形成高温热点且温度梯度较大。
折流式冷板整体的换热性能及表面的温度均匀性受其两侧折流板数量和长度的共同作用。若折流式冷板存在一侧折流板数量为0,或折流板短且数量多的情况,均不利于整体的换热。总体而言,折流板长且多的冷板,具有更好的综合换热性能。
2.2 局部连通结构参数对折流式冷板流动传热特性的影响
基于对折流式冷板内部流场和温度场的讨论,针对流道拐角处工质流动速度慢甚至滞止的区域对流换热性能降低的问题,提出了对流道局部连通的方法对冷板进行结构优化。具有局部连通结构的流道,在下一流道的拐角处形成了一束速度相对更快、温度相对更低的射流;可以减小该部分工质在冷板中流动的距离,降低工质整体的流动阻力,同时破坏流道拐角处的流动滞止区,消除局部高温热点的同时强化该区域的对流换热[19]。然而,对应流道中的高温区域扩大,导致流道内的流动传热性能略微降低。因此,折流式冷板的流动传热性能和温度均匀性受流道拐角处和流道内流动传热状况的共同影响,需要对其进行量化分析,以对比不同局部连通方式的影响。图3 ~ 图6分别为对Nu、ξ、PEC和Tstd的量化分析结果（QV = 4 mL/s）,其中,为了方便表示,两处连通口的冷板在图中只给出了其中的一半。
Fig. 3 The influence of local slit number and location on Nu图3 连通口数量和位置对Nu的影响 |
Fig. 4 The influence of local slit number and location on ξ图4 连通口数量和位置对ξ的影响 |
Fig. 5 The influence of local slit number and location on PEC图5 连通口数量和位置对PEC的影响 |
Fig. 6 The influence of local slit number and location on Tstd图6 连通口数量和位置对Tstd的影响 |
相比具有一处连通口的Case 17冷板,连通口的增加能够进一步提升折流式冷板的综合换热性能和温度均匀性,Nu和PEC均进一步增大,ξ和Tstd进一步减小。相比连通口从一处增加至两处带来的冷板综合换热性能和温度均匀性的大幅提升,连通口从两处增加至三处带来的提升幅度较小,对温度均匀性的提升幅度甚至出现低于两处连通口的情况。下面对局部连通方式的影响进行具体分析。
图3为对折流式冷板换热性能的量化分析结果。对于具有两处连通口的折流式冷板,随着d2的增大,能够对流道拐角处更大范围的对流换热进行强化,Nu随之增大,增大的幅度先减小后增大。Case 18-24冷板具有最佳的对流换热性能,提升了16.71%。折流式冷板的连通口增加至三处,d2不变而d3增大,扩大了局部连通结构的范围,能够进一步强化冷板对流换热性能,Nu随之增加;d3不变而d2增大时,Nu先增大后减小。Case 22-7冷板具有最佳的对流换热性能,相比Case 6-7冷板提升了19.50%。
由图4可知,受折流式冷板流道转弯处工质速度分布的影响,随两处连通口冷板中d2的增加,工质流动阻力降低的幅度略微减小,d2和ξ近似成正比。Case 18-1冷板的工质流动阻力最小,相比Case 6-7降低了10.19%。连通口的增加进一步降低了工质流动阻力,ξ减小。连通口集中时的泄压效果更好,d2不变而d3增大时,ξ略微增大;d3不变而d2增大,ξ先增大后减小。Case 19-1冷板的ξ最小,相比Case 6-7冷板降低了14.44%。
结合图3和图4中对折流式冷板流动换热性能和阻力特性的分析可知,对于两处连通口的折流式冷板,随d2的增大,Nu增大的幅度远大于ξ。由图5可知,PEC随d2的增大而增大,变化趋势与Nu相似,增大的幅度先减小后增大,但幅度略小于Nu。Case 18-24冷板的综合换热性能最佳,PEC相比Case 6-7增大了20.82%。连通口增加至三处,Nu和ξ随d2和d3变化的趋势相同,且d2和d3对Nu的影响远大于ξ。PEC的变化趋势与Nu相同,当d2不变而d3增大,PEC随之增大;d3不变而d2增大,PEC先增大后减小。相应地,Case 22-7冷板的PEC达到极大值,相比Case 6-7冷板提升了25.62%。
对于两处连通口折流式冷板的温度均匀性,随d2的增大,虽然流道中的高温区域略微增大,但冷板中部的温度分布更加均匀,消除了更大范围的高温热点区域,冷板整体的温度均匀性得到提升。如图6所示,折流式冷板表面Tstd随d2的增大而减小。Case 18-24冷板的温度均匀性最佳,相比Case 6-7提升了7.84%。
连通口从两处增加至三处时流道内高温区域的扩大所占权重更大,导致温度均匀性降低,仅少数局部连通方式能够进一步提升冷板的温度均匀性。d2不变而d3增大,或d3不变而d2增大,均能够提升冷板的温度均匀性,Tstd减小;d2越小,Tstd随d3增大而减小的幅度越大。具有三处连通口的Case 28-1冷板温度均匀性最佳,相比于Case 6-7提升了7.72%,但仍略小于两处连通口中最佳的Case 18-24冷板。
3 结论
设计了一种用于液冷电池热管理系统的折流式冷板,研究了不同结构参数冷板的流动传热特性。提出局部连通的结构优化方法,并对比不同优化方式的强化效果。主要结论如下：
（1）折流式冷板的换热性能和温度均匀性受其两侧折流板数量和长度的影响呈现不同的变化规律。折流板数量和长度的增加有利于提升折流式冷板的综合换热性能。
（2）对流道进行局部连通结构优化能够同时提升折流式冷板的综合换热性能和温度均匀性;增加连通口数量、增大最后连通口与流道拐角的距离,可以进一步提升综合换热性能和温度均匀性。Case 22-7（三处连通口,d1 = 0 mm,d2 = 2.5 mm,d3 = 6.5 mm）冷板综合换热性能最佳,相比无局部连通结构的冷板Case 6-7提升了25.62%。