文：SSC
背景
电动汽车和混合动力汽车近年来发展迅速，动力电池是推动其发展的关键部件。为了提高锂离子电池的效率、寿命和安全性，锂离子电池的工作温度应控制在20-40℃。由于在放电或充电过程中电池会产生大量热量。因此，热管理对于将电池热量散发到环境中至关重要。其中，流道的结构对用于电池热管理的冷却板的性能有显著影响。
研究的问题
本文提出了一种新型非均匀针翅冷却板，旨在提高温度均匀性、功耗和减轻重量。采用实验方法获得了5C放电速率下的电池发热率。然后基于计算流体力学方法（CFD）对定直径和变直径针翅冷却板的性能进行了对比分析。为探索针翅直径的最佳变化趋势，本文采用了多岛遗传算法，对最高温度、温度标准差、功耗和冷却板质量进行多目标优化。然后通过数值模拟将优化设计与传统的平行微通道设计进行了比较。结果表明，采用非均匀针翅的优化设计可使功耗、重量和温度标准偏差分别降低29.84%、29.00%和17.43%。最重要的是，电池的最高温度也降低了1.04℃。
实验设置
本研究通过实验方法获得了5C放电速率条件下内阻和化学反应产生的热量。实验平台包括动力电池测试系统和环境试验箱，如图1所示。该电池测试系统由纽瓦克公司开发，设备的电压和电流测量范围分别为0.15~30V和1~A。环境试验箱提供-40℃~℃的温度控制范围。如图2所示，温度由附着在电池表面的五个K型热电偶测量。热电偶均匀分布在电池表面的四个角和中心，以获得精确的表面温度。表2列出了测量的不确定度。为了获得可靠的数据，每个测试条件已经执行了三次。充放电模式首先在计算机中编程，然后由动力电池测试系统执行。同时，监测电池的端电压、电流和表面温度。实验在恒温25℃的环境试验箱中进行。
图1
电池充放电测试设备
图2
电池温度的测量点
图3
HPPC实验描述
图4
发热率验证
CFD的相关数据
在这项研究中，冷却板材料设置为铝，冷却剂为水。本文认为流体是不可压缩的，而冷却板是各向同性的。为了提高计算效率，在数值方法中只对电池和冷却板的一半进行建模。对称边界条件应用于对称平面。对于冷却剂流量，入口温度和质量流量作为入口边界条件给出。出口边界施加静压。入口冷却液温度设定为K。在研究的第一阶段，入口冷却剂的质量流量固定在0.千克/秒，初始工作温度设定为K。
图5
网格显示和网格独立性验证
图6
电池计算流体动力学模型的验证
冷却板的参数研究
冷却液的入口和出口在冷却板中呈对角排列，如图7所示。针翅呈7*3排列。针翅的高度为2毫米。针翅直径的变化将影响流体分布和速度，从而影响温度分布、功耗和重量。本研究旨在探索针翅直径的最佳变化模式。流动法用于定义针翅直径的变化模式。总之，随着针翅尺寸的增加，可以获得更好的冷却性能。同时，压降和质量将大大增加。
图7
冷却板的结构
图8
标准化直径变化时的性能指标
图9
标准化直径从0.3到0.8变化时电池表面的温度轮廓
图10
当标准化直径沿X和Y方向变化时的冷却性能指标
图11
当标准化直径沿X和Y方向变化时的压降和轻质指标
图12
X方向不同针翅直径的电池表面温度轮廓
图13
在Y方向上不同针翅直径的电池表面温度轮廓
图14
多岛优化流程
图15
不同流动时间下优化设计和平行设计的温度等值线比较
图16
Tm和Tsd平行设计和优化设计的比较
结语
本文提出了一种用于电池热管理的具有非均匀针翅的新型冷却板设计，并且基于计算流体动力学仿真评估了这种新设计的性能。与典型的并行微通道设计相比，多岛遗传算法在非均匀设计在温度均匀性、功耗和轻量级性能上有着卓越的表现。研究表明，冷却板通道内翅片的尺寸和布置对冷却剂分布和冷却板性能有显著影响。不同尺寸针翅的概念为寻找性能优异的冷却板设计提供了潜在的方向。本文的详细结论如下:
(1)对于具有固定直径的针翅的设计而言，仅仅增加或减少针翅的直径不能同时降低冷却板的最高温度、温度标准偏差、压降和重量。例如，增加针翅直径可以降低最大温度和温度标准偏差。但是，压力损失和重量会显著增加。
(2)对于不同直径的设计，与均匀设计相比，针翅直径沿Y方向增加的设计在降低温度、压力损失和重量方面表现出更大的潜力。此外，简单地增加或减少X方向上的针翅直径不能获得理想的热性能。
(3)与平行微通道设计相比，非均匀针翅优化设计的功耗、重量和温度标准差分别降低了29.84%、29.00%和17.43%。此外，电池的最高温度也降低了1.04℃。
Performanceanalysisandoptimizationofanovelcoolingplatewithnon-uniformpin-finsforlithiumbatterythermalmanagement,AppliedThermalEngineering()
第一作者：RongchaoZhao,通讯作者：MingYe，YangjunZhang
通讯单位：清华大学、广州华工机动车检测技术公司