不同流道結構的液冷單元對電池模組散熱性能的影響非常大，一個結構設計優良的液冷單元可以明顯提升電池模組的散熱均溫性能。本文提出一種中心回轉式液冷板結構，從流道沖壓結構設計、強化傳熱結構等角度探究液冷系統散熱、均溫、能耗性能的影響規律，為電池熱管理系統提供參考。

一、液冷板設計

液冷板沖壓結構設計本文以某電池模組的液冷單元為研究對象，液冷單元主要由液冷板、導熱墊、電池模組以及其他的輔助部件組成，如圖1所示。電池模組采用VDA標準設計尺寸，每4個電池單體組成一個模組，然后采用1并4串的連接方式。

液冷板沖壓結構如圖2所示，由上冷板和下冷板焊接組成，上冷板通過導熱墊與電池模組底部直接貼合，下冷板為帶有流道的沖壓結構。為了滿足散熱均勻性的要求，下冷板采用中心回轉式對稱結構設計，一共有9個流道，根據散熱要求可設計為不同的寬度和深度。-公眾號-新能源電池包技術-液冷板材料采用3003鋁合金，鋁板厚度為1.5mm，采用沖壓工藝一次性成形，適合于大批量生產。

液冷板結構參數設計液冷板流道的截面結構示意圖如圖3所示，液冷板一共設計有9個流道，從左往右的寬度W依次為W1、W2、W3、W4、W5、W4、W3、W2、W1，流道布置為左右對稱，中心流道寬度為W5。其中，D為流道深度。

為了分析流道的沖壓結構參數對冷卻性能的影響，共設計了5種截面的流道，分別用C1～C5表示，如表1所示。其中，C1的各流道寬度均為22.0mm，其余4種流道寬度呈等差數列分布，從中心流道往兩側，流道寬度遞增。以C1流道為研究對象，流道深度設計參數如表2所示。其中，D1～D4為不同流道深度。

流道強化傳熱結構設計針對流道深度為3.0mm的C1流道添加傳熱結構，如圖4所示。其中A0為進水口，A1為出水口。T1為全部添加強化傳熱結構，T2～T5為部分添加強化傳熱結構，所有強化傳熱結構均采用沖壓成形工藝加工而成。

二、CFD流固熱耦合數值計算

邊界參數設置

在仿真分析前，首先要確定單個電池模組的發熱功率，一般情況下，電池放電時的發熱功率大于充電時的發熱功率，因此，只要測試電池在1C放電倍率下的電池模組發熱功率即可，其可作為邊界熱輸入條件。根據試驗測試結果，本文選用的電池模包在1C放電倍率下測得的發熱功率為27W，-公眾號-新能源電池包技術-所以，單個模組的發熱功率確定為108W。

其次，為了便于分析，對電池模組作以下假設:(1)電池模組在充放電過程中產生的熱量全部通過導熱墊傳遞給冷卻液帶走，即電池模組其余部分與外界的接觸面為絕熱狀態;(2)由于電池模組通過導熱墊將熱量傳遞給液冷系統，基于前述假設，可將電池模組熱源邊界簡化為導熱墊表面的熱流邊界，即CFD數值求解分析中，不考慮電池模組，該簡化可以節約大量計算資源。

冷卻液在進水口處的溫度為25℃，冷卻液流量為1.25L·min－1。其他邊界參數如導熱墊規格及其熱流密度等如表3所示。

液冷系統的導熱墊材料為有機硅膠復合材料，液冷板為鋁合金材料，冷卻液為乙二醇水溶液，其體積配比為1∶1，動力粘度μ為0.00339Pa·s，液冷系統的物性參數如表4所示。

CFD數值計算收斂性與準確性判斷電池模組及冷卻系統的物理模型比較復雜，因此，在CFD數值計算分析過程中，要考慮模型簡化是否合理、網格質量是否滿足CFD流固熱耦合數值計算結果準確性要求。本文涉及到多個不同模型工況的計算，最終流體網格計算數量為186.67萬，固體域網格計算數量為99.03萬。流體區域的邊界層為3層，每層的厚度隨著流量在0.15～0.30mm之間變化。固體域的計算步數為2400步，流體區域的最大迭代步數為12000步。本文選用的湍流模型為k-ε模型，所有算例的殘差均控制在10－6以內。本文中所有算例的流固交界面換熱功率、出口水溫溫升與一維計算結果的對比如圖5所示，-公眾號-新能源電池包技術-可以發現，所有算例的誤差均非常小，均在2.2‰之內，故認為上述網格劃分和迭代可以保證本文中CFD數值計算的收斂性和準確性。

三、計算結果與散熱性能分析

流道寬度的影響分析

圖6為不同中心流道寬度下導熱墊表面平均溫度和最大溫差的變化曲線。隨著中心流道寬度W5的增加，導熱墊表面的平均溫度在波動中上升，最大溫差先降后升，且呈線性增加。W5為7mm(C4)時，導熱墊表面平均溫度為36.95℃，最大溫差為7.66℃，比W5為22mm(C1)時的平均溫度降低了2.5%，最大溫差降低了7.7%。當W5為15mm(C4)時，導熱墊表面平均溫度相比C1流道時降低了1.0%，最大溫差降低了3.5%。隨著中心流道寬度的減小，液冷系統的散熱均溫性能越來越好，但中心流道寬度也非越小越好。相比于平均溫度，減小流道間距對最大溫差的降低更明顯。

不同冷卻流道寬度下流阻ΔP、傳熱系數h、熱阻R的變化曲線如圖7所示，隨著中心流道寬度W5的遞增，流阻ΔP與傳熱系數h的變化曲線基本一致，在波動中下降，而熱阻R呈上升趨勢。可以看出，中心流道寬度越大，流阻ΔP越小，相應的能耗就越低。

圖8為不同中心流道寬度下導熱墊表面與流固交界面的溫度分布云圖。當流道類型為C5(W5=22mm)時，高溫區域集中在液冷系統的兩側;當流道類型為C2(W5=7mm)時，流道的中心流道窄、兩側流道寬，兩側的高溫明顯降低，系統的散熱均溫性能明顯提升;W5為6mm時，液冷板的最大溫差較高，均溫性能很差。這是因為:隨著中心流道寬度的進一步減小，中心區域溫度升高，反而惡化了液冷板的均溫性能。

流道深度的影響分析圖9為不同流道深度下導熱墊表面溫度的變化曲線。隨著流道深度D的增加，平均溫度、最大溫差均不斷增加。當液冷板流道深度D從2mm增加至5mm時，導熱墊表面平均溫度由35.2℃提升至39.0℃，升高了10.8%，最大溫差由6.65℃提升至9.90℃，升高了48.9%。可以看出，在冷卻液進口流量不變的情況下，小流道深度意味著流道內的冷卻液流速高，有利于散熱。

圖10為不同流道深度下流阻ΔP、傳熱系數h、熱阻R的變化曲線。隨著流道深度D的增加，系統流阻ΔP與傳熱系數h均逐步降低，熱阻R逐步升高。與流道深度D=5mm相比，D=2mm時的液冷系統流阻升高了3.4倍，傳熱系數提升了92%，熱阻降低了32%。散熱性能提升的同時，液冷系統的能耗也大幅增加。

強化傳熱結構的影響分析圖11為不添加強化結構的設計方案(C1)與5種添加強化傳熱結構的設計方案(T1～T5)的導熱墊表面溫度對比。與C1流道類型相比，T1強化傳熱結構設計下的導熱墊表面平均溫度下降了3.8%，最大溫差下降15.1%。T2～T4強化傳熱結構設計下的液冷系統平均溫度變化不明顯，最大溫差卻有不同程度的降低。可以得出，添加強化傳熱結構可以改善液冷系統的散熱性能。-公眾號-新能源電池包技術-由流體力學理論可知，在冷卻流道內設計強化傳熱結構，使冷卻介質由層流轉變為紊流，從而改變了冷卻液介質的流動狀態，改善液冷系統的散熱均溫性能。

添加強化傳熱結構對液冷系統流阻ΔP、傳熱系數h和熱阻R的影響如圖12所示。相比C1流道類型，T1～T5強化傳熱結構的流道流阻ΔP、傳熱系數h均有一定的增加，熱阻R均有一定的減小。其中，T1強化傳熱結構設計的流阻ΔP升高了11.5%，傳熱系數h上升了27.5%，熱阻R減小了14.3%。由圖4可以看出，T1為整體添加強化傳熱結構，T2～T4在T1的基礎上去掉部分強化傳熱結構。-公眾號-新能源電池包技術-T4相比T1減少了46%的強化傳熱結構，此時導熱材料表面的平均溫度升高了4.8%，最大溫差升高了2.4%，而流阻降低了8.5%。隨著強化傳熱結構的減少，系統的散熱均溫性能會變差一點，但流阻的降低幅度更高。相比T1整體區域添加強化傳熱結構，部分區域添加強化傳熱結構可以提升系統的散熱性能、降低能耗、降低工藝難度，在實際工程中是更為合理的選擇。

四、結論

(1)根據電池模組散熱要求，設計了一種中心回轉式液冷板沖壓結構的液冷單元，對流道的沖壓結構參數和強化傳熱結構進行了分析。

(2)探討了不同流道結構的液冷單元對電池模組散熱性能的影響，隨著中心流道寬度W5的減小，電池模組的散熱均溫性能越來越好，但中心流道寬度也不是越小越好。流道深度越小，越有利于電池模組散熱均溫性能的提升，但是流道深度過小，不僅會增加制造工藝難度，還會引起系統能耗的大幅增加。

(3)添加強化傳熱結構可以改善電池模組的散熱均溫性能，使其平均溫度降低了3.8%，最大溫差下降15.1%。相比整體區域添加強化傳熱結構，部分區域添加強化傳熱結構可以減少流阻、降低能耗，而不引起系統的散熱均溫性能的顯著變化。

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