吴晨辉，蔡烨琳，陈 竞，邱慧燃，李 乐，刘昌会，赵佳腾†
（1.中国矿业大学 低碳能源与动力工程学院，江苏 徐州 221116；
2.常州恒创热管理有限公司，江苏 常州 213000）
“双碳”战略提倡低碳、环保的生活方式，推广新能源汽车是践行可持续发展理念、助力“双碳”战略的有效措施[1]。动力电池作为新能源汽车的核心部件之一，温度对其容量和性能的影响十分显著，需要及时通过电池热管理系统（battery thermal management system,BTMS）进行调控，才能避免性能下降、寿命缩短甚至热失控等问题[2-5]。电池的热安全是新能源汽车安全性问题中不可忽视的一项，开发高效可靠、与动力电池相匹配的热管理技术是推动新能源汽车发展的必由之路[6-7]。
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[11-13]。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[15-17]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。
基于方形软包电池，设计了具有小深宽比流道的折流式冷板，以提高工质在冷板中的换热面积。对折流式冷板进行简化处理，通过SolidWorks 软件建立如图1a 所示的几何模型。冷板总体尺寸为221 mm × 125 mm × 2 mm[4,18]，换热部分尺寸为181 mm × 125 mm × 2 mm，入口段和出口段的尺寸均为20 mm × 20 mm × 2 mm。通过设置折流板来改变冷板内部流道，折流板的宽度和高度均为2 mm。
图1a 同时给出了局部连通结构示意图，以两侧折流板数量均为2、长度均为75 mm 的冷板为基础，在来流方向的流道拐角处开设连通口，连通口的位置和开口方式分别如图中红色和蓝色方框区域所示。通过ICEM CFD 软件对折流式冷板进行网格划分，并对连通口处进行加密处理，网格及加密方式如图1b 所示。
折流式冷板的计算域及边界条件如图1c 所示。假设电池与折流式冷板的换热面完全贴合，上下换热面设为恒定热流密度，大小均为10 000 W/m2。入口设为速度入口，且工质入口温度为20℃，出口设为出流边界条件，其余边界为绝热。在冷板上下表面设置厚度为0.2 mm 的虚拟壁面，侧面虚拟壁面厚度为2 mm，并启用壳体热传导。通过FLUENT 软件进行数值模拟，本研究是基于压力求解器的稳态问题。折流式冷板的材料为铝，工质为水，材料的热物性参数如表1 所示。
图1 具有局部连通结构的折流式冷板模型：（a）几何结构；
（b）网格划分；
（c）计算域及边界条件[19]Fig.1 The model of baffled cold plate: (a) geometry;(b) mesh;(c) computational domain and boundary conditions[19]
表1 折流式冷板材料的热物性参数[20]Table 1 Material thermal properties of baffled cold plate[20]
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，Casea-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。
表2 不同结构参数的折流式冷板Table 2 Baffled cold plate with different structure parameters
表3 具有两处连通口的折流式冷板Table 3 Baffled cold plate with two local slits
表4 具有三处连通口的折流式冷板Table 4 Baffled cold plate with three local slits
为了简化折流式冷板的流动换热特性，进行如下假设[21-22]：①工质是稳定、单相且不可压缩的；
②冷板、工质的热物性参数恒定；
③工质与壁面无滑移；
④忽略黏性耗散的影响。
通过网格无关性验证，选择最大网格尺寸为1 mm、网格数为8.60 × 105的模型进行数值计算，以节约计算资源[19]。此外，通过流动换热实验，验证了数值模拟的准确性[19]。
对于折流式冷板的流动换热特性，通过努塞尔数Nu［式（1）］和冷板阻力特性系数ξ［式（2）］分别表征工质在冷板中的对流换热强度和流动阻力特性[12,19]。强化冷板的对流换热性能，主要目标是提高Nu，但Nu的提高往往伴随着阻力特性系数的增加，因此，通过性能评估准则（performance evaluation criteria,PEC）对折流式冷板的流动阻力特性和对流换热强度进行综合考虑［式（3）］[11]。通过温度标准差Tstd，对折流式冷板表面的温度均匀性进行量化分析。
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。
2.1 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。
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。
由图2a～ 图2h 可知，当冷板一侧折流板数为0 时，工质在该区域不能充分流动，流道拐角处存在较大的流动滞止区并形成高温热点。随着折流板的增长，流动滞止区的范围增大、温度升高，冷板右侧折流板数为0 时尤为明显。此时，折流式冷板整体的换热性能和温度均匀性均较差，且长度的增加可能会导致换热性能和温度均匀性均进一步降低。
对比图2i～ 图2p 可知，若NL和NR均不为0，当折流板较短时，会在其两端形成流动滞止区，导致换热性能和温度均匀性均降低。折流板数为4 时，上述情况尤为明显；
折流板数为6 时，增加的折流板起到强化传热作用，冷板的换热性能相比折流板数为4 时有所提升。而随着折流板长度的增大，有利于工质的更充分流动，两端高温的流动滞止区消失，折流式冷板的对流换热性能得到大幅提升。对于折流式冷板表面的温度均匀性，虽然随着折流板两端的高温热点消失而得到提升，但流道内温度分布的影响逐渐占据主导地位，温度均匀性总体上呈现先提升后下降的趋势。
图2 不同结构参数折流式冷板的表面温度云图（QV=4 mL/s）Fig.2 Surface temperature contours of baffled cold plate with different structural parameters (QV=4 mL/s)
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。
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%。
图3 连通口数量和位置对Nu 的影响Fig.3 The influence of local slit number and location on Nu
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%。
图4 连通口数量和位置对ξ 的影响Fig.4 The influence of local slit number and location on ξ
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%。
图5 连通口数量和位置对PEC 的影响Fig.5 The influence of local slit number and location on PEC
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%。
图6 连通口数量和位置对Tstd 的影响Fig.6 The influence of local slit number and location on Tstd
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。
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%。