文末有驚喜~
摘要：針對雙迴路液冷電池熱管理系統關鍵部件電池冷卻器進行仿真研究，將提取出的冷卻液側流道作為研究對象，分析換熱器中波紋板結構、冷卻液質量流量與入口溫度對於流道內流動及換熱的影響。研究發現，波紋及上下板間的觸點結構會在流道中產生的二次流，在低Reynolds數（Re=739）下即可達到湍流，增強了換熱效果。擬合了板片Nusselt數與Reynolds數的關係式，發現板片的平均傳熱係數隨着質量流量的提高而增加，增幅可達374%，但功耗也隨之迅速增加，因而，需要合理選擇質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係數及壓降，但整體影響幅度較小，因而在實際使用中可不考慮季節與運行因素對電池冷卻器性能的影響。在全球變暖、能源危機和城市空氣污染的大背景下，儘可能減少使用交通工具所產生的污染，提高交通工具的能源利用效率，一直以來都受到人們的關注。目前使用傳統車輛內燃機的能源利用效率僅約30%，且會由於內燃機的運行產生尾氣排放，造成城市環境空氣污染的問題。電動汽車作為一類新型交通運輸工具，其電機能量轉化效率高達90%，且在行駛過程中不會產生尾氣排放，可以節約石油資源消耗，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、智能系統集成性高等優點，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。隨着「特斯拉」超級工廠於2019年正式落戶上海並投入生產，可以預見，中國的電動汽車行業將迎來進一步的大幅增長。目前的電動汽車多採用高能量密度的鋰離子動力電池作為驅動能源。由於鋰電池本身的特性，在使用過程中需要儘可能控制鋰電池溫度處於15～35℃的範圍。在汽車行駛過程中，鋰電池中持續的電化學極化、內阻效應將產生熱量，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，電動汽車續航里程降低。同時，在目前大容量、高能量密度電池以及快充技術的應用下，動力電池的熱通量將更大，對散熱系統的要求也更高。因此，電動汽車的動力電池系統需要嚴格的熱管理控制。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，導致爆炸等危險，嚴重威脅行車安全。開發可靠、高效的電池熱管理系統（battery thermal management system,BTMS），保持電池處於合理的溫度區間，對電動汽車的續航里程、使用壽命和安全性均十分重要。常用的電動汽車冷卻方式有空氣冷卻、雙迴路液冷、直接液冷、相變材料以及吸附材料熱效應冷卻等方式，已經商業使用的方式為空氣冷卻和雙迴路液冷，其他方式仍停留在實驗室階段。目前由於空氣冷卻無法滿足電池日益提高的散熱需求已被淘汰，現有商用電動汽車多採用冷卻液雙循環液冷系統，其系統原理如圖1所示。BTMS在車輛空調系統的基礎上高度耦合而成，迴路中與用於調節客艙溫度的蒸發器並聯一個換熱器，稱為電池冷卻器。部分製冷劑將流入電池冷卻器中，在電池冷卻中蒸發吸熱，吸收另一側迴路中的冷卻液的熱量。冷卻液則進入電池冷板中帶走熱量。圖1 雙迴路液冷電池熱管理系統Fig.1 Second-loop indirect liquid cooling battery thermal management system電池冷卻器是承擔電池散熱的關鍵部件，其換熱特性將直接影響電池散熱的效果，而由於車體內部空間的限制，需要採用緊湊換熱器，因而一般採用鋁製釺焊式的板式換熱器。為了進一步提高電池換熱器的換熱效果，可以在電池板式冷卻器的流道中設計湍流發生結構，這些設計沿流向阻斷流動和溫度邊界層的發展，增強湍流強度，進而增強換熱。國內外學者對相關的板式換熱器中的流動和換熱特性開展了仿真與試驗研究。在試驗方面，Focke等使用流動顯示技術對板式換熱器開展研究，發現沿波紋方向的水流會產生二次流旋渦運動，波紋角度對傳熱速率的影響較小。魏文建等分析了點波板式換熱器內流動換熱及壓降特性，發現在Reynolds數大於300之後，對流傳熱係數將在5000 W/(m2·K)以上，且將隨着Reynolds數的提高而繼續增加。系統層面，張春秋等搭建了電動汽車冷卻系統試驗平台，分析了具有電池冷卻器的汽車空調與電池冷卻系統中的耦合影響。但是，由於電池板式冷卻器中的流動狀況十分複雜，傳統的試驗研究僅能從整體換熱器及系統參數角度對其進行研究，如果採用數值模擬的方法則可以研究具有湍流發生結構板片的傳熱和壓降特性，還可以顯示板片間湍流流動特徵，有助於對其內部結構進入深入的分析與研究，減少試驗周期和成本。張如許等對換熱器中的重複傳熱單元進行建模，採用了SSTk-ω模型對單相流體液態水在點波板式換熱器中的流動與換熱開展了數值模擬研究，發現點波結構的焊接圓面之間流體產生旋渦，造成邊界層分離，同時伴有強烈的回流。徐志明等也針對某板式換熱器的重複的單元進行水-水工質模擬研究並與試驗數據對比，發現提高換熱器性能不能單純提高流速，還與進出口溫差有關；對模擬得到的速度、壓力、溫度分布進行分析，發現流道內流動和傳熱分布不均。綜上所述，目前關於板式換熱器的仿真研究的工質主要使用水、油等工質，常用在汽車領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複單元結構進行研究，而不是對整個板片進行分析，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行分析，以期對電動汽車熱管理系統的電池冷卻器部件的應用提供參考。1 模型及參數1.1 幾何參數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，構成20個重複流道。由於電池冷卻器中流道結構複雜，且具有長寬比大的結構特點，如果將其整體進行建模仿真，網格數將達到數億級別，且網格質量也很難保證。同時，由於其內部流道均由多個相同的板片相互堆疊形成，流道結構相同，因此將對其中一層冷卻液側的流道展開研究，其特性可以相應拓展至整個換熱器。
圖2 電池冷卻器整體結構外形Fig.2 Overall structure and shape of the chiller
抽取出兩側板片間形成的冷卻液側流道，並對其進行幾何清理與細小特徵簡化。同時，為防止入口效應還添加了進出口管道，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 仿真模型經過文獻調研，在微通道板式換熱器領域進行傳熱性能仿真常採用的模型有RNGk-ε型、Realizablek-ε模型和SSTk-ω模型。在本文中，鑑於SSTk-ω模型對壁面附近低Reynolds數流動有更高的解析度，因而採用SSTk-ω模型開展計算與分析。SSTk-ω模型包括連續性方程、動量方程、能量方程以及湍流動能和耗散率方程。式中，G、Y、S分別代表湍動能和湍流耗散率的產生項、耗散項及源項。1.3 網格劃分及無關性驗證圖3 網格橫截面Fig.3 Cross section diagramof mesh流道結構長寬比很大，為一薄層結構，且流道結構複雜多變，因此採用四面體網格方法生成網格。對壁面添加3層邊界層以提高壁面附近流動的準確性，同時保證第一層網格y+＜1以滿足SSTk-ω模型要求，生成的網格斷面如圖3所示。對網格進行無關性驗證（表1），對比數量最多的第3種網格算例發現，網格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，最終選擇數量為2005861個的網格2。對網格質量進行檢查，其最小正交質量為0.7，可以達到計算精度要求。表1 網格無關性檢驗Table 1 Mesh independence1.4 數值方法採用ANSYSFLUENT 2020R1進行模擬計算。在計算工況中，管道進出口流量恆定，滿足質量守恆定律，同時各求解方程殘差穩定時可視為收斂。算法採用SIMPLE算法求解速度-壓力耦合方程。採用二階迎風格式計算連續性方程、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、邊界條件及計算工況冷卻液的流動工質採用乙二醇水溶液（乙二醇質量分數50%），其物性見表2，編寫用戶自定義物性輸入程序。測序結果提示患兒存在ERCC6基因複合雜合突變（表 1），Sanger測序(表 2)：對父母進行同片段序列分析結果顯示，該患兒分別遺傳了父親及母親的雜合突變，該患兒ERCC6複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：EX5；CDS4，屬框移突變，該框移突變導致氨基酸編碼蛋白發生提前終止，產生截短蛋白，會對蛋白質的結果和功能產生較大影響；該突變在文獻中未見報道；與CS發病有相關性。1.6 模型驗證為了驗證仿真結果的可靠性，按照中華人民共和國機械行業標準JB/T 8701—2018《製冷用板式換熱器》中板式換熱器熱工性能測定的要求搭建了符合測試標準的測試試驗台，測試得到電池冷卻器全板片換熱量數據。根據誤差分析，其實驗換熱量最大誤差為17%。對比多組入口流量為qm=0.01022 kg/s基準工況下的實驗與仿真數據（圖4），發現其折算單層換熱量與壓降偏差小於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分析誤差來源發現,除了試驗測試誤差以外，原因有兩個方面。其一，仿真所得單層換熱量是在明顯的進出口效應下得到的，將大幅增強換熱。其二，試驗的單層換熱量數據是由整體換熱量平均得到，無法反映隨着板式換熱器多層流道中溫升導致換熱逐漸惡化的影響。兩者都使得仿真的換熱量偏大，但總體的偏差穩定，仿真與試驗有一致性。2 結果與討論2.1 數據處理方法2.2 流場分析2.2.1 速度場分析 為了分析板片間流道內的換熱和壓降特性，需要對冷卻液在流道中的流動情況進行分析並了解波紋板結構中流體的流動特點。以入口溫度293.15 K、質量流量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行分析。圖5 流道不同高度位置橫截面上速度雲圖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雲圖。冷卻液的流動受到流道結構的影響，人字形波紋板的形狀決定流動的具體形態，其造成了「斜波紋」型流動。流道兩側的人字形波紋形狀互為180°翻轉，一側波紋向「左」，而另一側波紋向「右」，中間則形成相互交叉流動。在波紋板的觸點處，流體無法通過，因而在此結構附近產生了流動滯止區域，速度相對較低。此外，對整個板片的流動進行分析發現，其在四個角落處均出現了流動的滯止，流速極低，這對整體換熱不利，可以採用圓角過渡或設計結構對流動進行引導，防止角落流動滯止的產生。分析流動對稱位置橫截面上部分區域的流線，如圖6所示，可以發現，冷卻液進入流道後在波紋結構的影響下，會在觸點附近產生二次流。而且，上下板片相反的波紋結構會在流道間的流體產生旋渦，加強二次流動，進而削弱邊界層的厚度，增強換熱。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雲圖如圖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雲圖Fig.7 Temperature contour on cross section at a symmetric position為了分析上下板接觸結構對溫度場的影響，提取出上下兩板片的觸點附近的流速和溫度雲圖，如圖8所示。由於板片相互接觸，這部分將限制流體的流動，造成觸點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Tin=293.15 K工況下，板片平均傳熱係數與壓降隨質量流量的變化如圖9所示。分析發現，在較低質量流量下，對應Reynolds數低於1000（僅Re=739）時，板片中的傳熱係數便已經達到103量級，顯示其中的流動與傳熱因為波紋結構的存在產生的旋渦二次流動，流動達到湍流。圖8 兩板接觸點附近的溫度和流速雲圖Fig.8 Temperature and velocity contour near contact area
圖9 平均傳熱係數及壓降隨質量流量的變化Fig.9 Average HTCand pressure drop varies with mass flow rate在使用工況中平均傳熱係數為5557 W/(m2·K)，隨着質量流量的提高，流體傳熱係數逐漸上升，增幅約374%。這是由於提高質量流量將增強流體湍流傳熱，邊界層變薄，導致傳熱係數隨着質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，提高流速對傳熱係數的提升效果將逐漸減少。另一方面，隨着質量流量的增加，壓降將迅速增加，這對換熱器中的穩定性和安全性會產生影響。因而，在實際使用中需要優選合適的質量流量。此外，還擬合了該工況範圍下的Nusselt數與Reynolds數、Promdtl數的關係：2.3.2 入口溫度的影響 在質量流量為qm=0.0102 kg/s條件下，冷卻液入口溫度對壓降和傳熱係數的影響如圖10所示。分析發現，入口溫度對傳熱係數的影響較小，隨着入口溫度提升，傳熱係數的增幅不足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於冷卻液的物性隨着溫度變化產生的，在實際使用中可不考慮入口溫度產生的影響。圖10 平均傳熱係數及壓降隨入口溫度的變化Fig.10 Average HTCand pressure drop varied with inlet temperature3 結 論針對電動汽車雙迴路液冷熱管理系統中關鍵部件電池冷卻器展開了仿真研究，分析冷卻器中板片結構、質量流量及冷卻液溫度對於冷卻液側傳熱和流動的影響，得到以下結論。（1）上下板片相反的波紋結構會在流道間的流體產生旋渦，加強二次流動，進而削弱邊界層的厚度，增強該區域的湍動能。在低Reynolds數下即可達到湍流，進而增強整體換熱效果。（2）板片間觸點結構的存在使得這區域的流動被限制，造成觸點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）傳熱係數隨着質量流量的提高而增加，增幅可達374%，但這將顯著提高壓降，提高泵功，同時會對換熱器的結構穩定、安全產生影響，因而需要將流量控制在合理範圍內。（4）傳熱係數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。
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