锂电池组作为电动汽车的储能元件和核心部件, 其耐久性和可靠性决定了电动汽车的成本、可靠性和 使用性能。动力锂电池的正常工作温度区间是-20 ~ 50 ℃ ,但一般低于 0 ℃ 和高于 50 ℃ 电池的性能就会 下降,充放电能力会降低。因此,锂电池组需要具备一 套有效的电池热管理系统来满足其不同工况的要求。此外,锂电池组内部最大温差不宜超过 5 ℃ ,即需要保 证一定的温度一致性[1-3] 。

目前,不同的电池组热管理系统均得到了一定的 发展。Pesaran [4]对电动汽车电池热管理系统进行了 综述,比较了不同的主动和被动冷却和加热方式。文 中指出电动汽车既需要主动加热,也需要主动冷却。许多早期的电动汽车使用空气来冷却和加热电池组, 但研究表明,应用在较大的电池模块上时空气冷却有 明显的不足。李淼林等[5]建立了锂离子电池组风冷结 构的三维模型和网格模型,利用 Fluent 软件进行了温 度场和流场仿真,并考虑了进风角度、出风角度和电池 间距 3 种因素,基于正交试验进行了多目标优化。杨 成亮等[6]采用了 3 种不同相变温度的固体定形相变材 料包覆方形电池的方法研究了相变材料冷却大容量锂 电池的效果。徐海峰等[7] 探讨了电池放电倍率、冷却 液入口温度和流速对电池温度场的影响,通过改变液 冷板流道与其在电池组的布置方案,缩短了电池组高 温区传热路径。Payne 等[8] 研究了不同冷却翅片的设 计及其压降,通过分析得到最优的翅片进出口压降。袁昊等[9]设计了一种具有最优几何结构的液体冷却和 加热板的电池热管理系统,根据电池热管理系统的总 体流量均衡性,仿真模拟了不同结构参数的冷却板,研 究其冷却效果。

综上所述,液冷板中各管路冷却液流量的一致性 直接影响锂电池组温度的一致性,而冷却液流量又与 液冷板结构密不可分。液冷板结构中有众多的几何参 数,对其进行研究属于多目标优化问题[10] 。文中通过 对不同总出入口宽度和出入口支路宽度的液冷板流场 进行模拟,找出这些组合中冷却效果最优的结构。为 提高锂电池组温度的一致性,以及尽量提高泵效率、减 小管路压力损失、延长使用寿命,文中以液冷板出口支 路流量一致和进出口压差最小为目标函数,通过最优 拉丁超立方试验设计方法设计样本点,搭建多目标优 化模型,建立集成数值仿真和优化算法的仿真优化流程,实现自动迭代仿真计算寻找最佳液冷板结构,从而 达到改善液冷板热性能的目的。

液冷系统包括蠕动泵、流通管路、进出口流量传感 器、进出口压力传感器、液冷板等部件。利用数控机床 对铝基板进行机加工,加工出内部流道,再用钎焊工艺 对上下铝板进行密封,完成液冷板的加工成型。同时, 利用宝塔接头将流通管路和液冷板建立连接。在此基 础上,恒温水箱始终将冷却液温度保持在 300 K,冷却 液通过蠕动泵泵送到冷却液流通管路中。蠕动泵基本 参数为:最大流量 12 L / min,最大扬程 6 m,功率 20 W。同时,利用流量传感器和压力传感器分别对进出口处 的流量和压力进行监测。冷却液吸收电池传出的热量 后,流回恒温水箱。通过蠕动泵的流量调节可以实现 对冷却液入口质量流量的调节。

液冷板模型是利用 STARCCM+的前处理参数化 得到的,板尺寸为 6 mm×300 mm×300 mm。液冷通道 为一进一出型,其中,入口和出口分别为一分二和二合 一,即分别有两条支路。在该研究中,选择了一个简化 的并行通道结构,并根据板块的比例进行了调整,如 图 1 所示。

在网格模型中,共创建了 134 144 个多面体单元, 其中流体区域有 88 609 个单元,流体中使用边界层来 增加靠近壁面的网格密度,以解决近壁面的流动问题。

液冷板的分析是在 CFD 求解器 STARCCM+中进 行的。导入液冷板物理模型后,设置了质量流量入口、压力出口等边界条件,在进口温度为 300 K 的条件下, 冷却液质量流量保持 89. 3 g / s 不变。液冷板和冷却液 的材料特性分别为铝和 φ(水) 50% -φ(乙二醇) 50% 混合物,参数如表 1 所示。

在优化过程中,出入口总宽度和支路宽度初始值 会发生变化,从而改变流体速度和进出口压降。为了 保持流体输入和输出的流动平衡,选择的是固定的质 量流量而不是固定的速度或压力。

采用 STARCCM+ CFD 求解器对牛顿不可压缩流 体的质量守恒、动量守恒和能量守恒控制方程进行求 解。该研究仅考虑稳态条件,计算流体动力学控制方 程可表示为[11-12] :

分析完成后,生成关键性能目标报告并设置监测 点,包括进出口压差和出口各支路相同截面上的流量。当连续型方程和动量方程的残差降至 10 -6 以下时,求解 终止,经检验,此时残差均小于 5×10 -5 ,输出参数收敛。

该研究以多学科设计软件 Isight 为优化平台,利 用其广泛的 CAD/ CAE 接口将 STARCCM+仿真软件集 成在 Isight 平台上,通过图形界面组成一个集成的设 计流程。应用 STARCCM+软件对液冷板流场进行仿 真计算,利用其脚本录制功能对仿真的输入、输出过程 录制脚本文件。编写 STARCCM+软件的批处理文件 以实现程序驱动。最后利用 Isight 平台中的 Simcode 组件对脚本文件进行参数解析并定义输入、输出参数, 通过调用批处理文件实现调用 STARCCM+软件自动 进行仿真。采用试验设计 DOE 方法能够以较小的样 本规模获取尽可能多的性能,在 Isight 平台中通过 DOE 模块选用最优拉丁超立方设计方法设计样本点, 并通过 Simcode 组件调用 STARCCM+软件实现样本采 集。最优拉丁超立方设计方法可以使所有的采样点尽量均匀地分布在设计空间,具有非常好的均衡性和空 间填充性,有效避免了设计区域的丢失。

验证方法可以应用在优化过程中的几个方面,如 CFD 分析的绝对精度、目标函数精度、优化算法和液冷 板的几何参数。影响最大的是优化算法和液冷板的几 何参数,如果这两个因素都能得到验证,那么优化结果 的可信度就会大大提高。

CFD 分析的停止条件是通过指定计算残差的极限 来控制的。在这种情况下,一旦目标函数达到一个稳 定的收敛值,分析就停止。为了将这一要求转化为收 敛准则,对不同的液冷板设计进行评估,以确定所有目 标函数的收敛点。研究发现,目标函数在 x 和 y 方向 速度的极限为 10 -6 时,能够获得可靠的收敛性。

CFD 分析的准确性通常随着网格数量的增加而增 加。同时也应该考虑计算成本。因此,对网格无关性 进行了验证,以找到合适的网格大小,在可接受的计算 时间内使计算结果尽量更精确。在网格无关性验证 中,生成了 20 000 ~ 400 000 单元的网格,并对两条出 口支路质量流量进行了监测。在整个验证过程中, 网格数<130 000 时,监测曲线波动剧烈,在计算收敛时 质量流量不平稳,且生成不了边界层,对整个计算结果 影响较大;网格数>130 000 时,能生成较理想的边界层, 且输出的质量流量监测曲线在计算收敛后基本没有波 动。图 2 为 网 格 无 关 性 验 证 的 结 果, 网 格 数 量 约 270 000 个单元。通过对液冷板网格的重复试验,确定 了在 275 433 个单元数目下,两条出口支路质量流量值 的变化平均值在 1%范围内。因此,所有需要优化的不 同几何参数的液冷板都在这个网格尺寸下进行计算。

为了选择一组分布良好的设计,使用最优拉丁超 立方设计方法,定义了 28 个不同的初始设计,如表 2 所示。

图 3 为优化前液冷板流道的压力分布云图。

由图 3 可以看出,流道入口处的压力值最大,随着 冷却液在流道内的流动,压力值逐渐减小,流道拐角处 压力迅速减小,进出口压差为 4 735 Pa。

图 4 为流道的速度分布云图。由图 4 可以明显看 出,在整个流道冷却液流速趋于平稳,局部拐角处液流 速度变化明显,拐角处外侧流速最大,流道中心流速 相对稳定。拐角处液流速度越大,表明此处能量交换越快,即增加拐角数目在一定程度上可以提高系 统的换热能力,但同时会增大进出口压差,对水泵造 成压力。

图 5 为优化前出口两条支路流道在同一截面处的 瞬时流量对比。

由图 5 可以看出,两条支路的流量还是有些差 别, 同 一 截 面 处, 出 口 支 路 1 的 质 量 流 量 为 47. 81 g / s,出口 支 路 2 的 质 量 流 量 为 41. 28 g / s。这是由于在支路宽度和冷却液密度一定的情况下, 出口支路 2 中冷却液的流道路径更长,在总流量不 变时,出口支路 2 处的体积流量更大,故其质量流 量更大。因此,在解决锂电池组温度的一致性问题 时,液冷板出口支路冷却液质量流量的一致性也有 很大的优化空间。

由于在 Isight 的目标函数中定义了两个优化目 标,使用 DOE 最优拉丁超立方设计方法对液冷流场的 仿真模拟进行求解,将可能的设计变量组合进行计算。通过求解找出 28 组可选优化组合值,并将优化级别最 高的样本点作为最优化的结果进行输出。优化前后参 数对比如表 3 所示。

图 6 为最优解的流道压力分布云图,与优化前的 压力分布相似,随着冷却液的流动,压力值逐渐减小, 优化后的进出口压差为 5 117. 72 Pa,虽然相对于原液 冷流场的进出口压差,优化后的进出口压差略有增加, 但仍然符合进出口压差目标函数约束的最低要求,满 足设计要求。

图 7 为优化后液冷流场的速度分布云图。

由图 7 可以看出,支路流道内部的流速分布一致 性较好,优化后使入口支路 1 的初始宽度大于入口支 路 2 的宽度,其目的是为了提高入口支路 1 的质量流 量,从而使两条支路的质量流量趋于一致。

图 8 为优化后两条出口支路流道同一截面处的瞬 时流量对比。

从图 8 可以看出,根据优化结果,两条出口支路流 道在同一截面处的瞬时质量流量基本相等,其中出口 支路 1 的质量流量为 44. 44 g / s,出口支路 2 的质量流 量为 44. 69 g / s。

文中以具有 6 个几何设计变量的液冷板为例,定 义并评价了液冷板的流动优化过程。利用数值优化方 法结合 CFD 分析,确定了以进出口压降和流量一致性 为目标的目标函数。研究结果表明,合适的设计参数 搭配能够实现最小压降和流量一致性的目标。流量一 致性的设计是保证锂电池组温度一致性的前提,其能 够平衡冷却液流速、散热均匀性的影响。

通过网格无关解确定了 CFD 计算所需的最佳网格 数,利用试验设计 DOE 方法对 28 个初始设计进行研究,并对比了优化前后液冷流场结果,得到其最优解。

该研究的主要局限在于所探索的设计空间有限, 边界条件受限。未来的工作将研究不同边界条件下的 性能和最佳设计,并对液冷板施加热源,同时也会考虑 其他冷却通道的几何形状。

免责声明：文章来源于网络（曾凡琮,潘剑,李涵等.基于CFD的液冷板数值模拟与优化研究[J].机械设计,2022,39(12):52-57.），仅供学习交流分享，版权归原作者所有，如果侵权请联系我们予以删除

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