1、FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索方形动力电池组热管理系统中纳米流体传热性能的研究*陈 宁许晓勤（福建船政交通职业学院，福建 福州 350007）摘要：将高导热系数纳米流体引入电动汽车和混合动力汽车动力电池组热管理系统。介绍了方形电池组的冷却结构，并建立了它的流动模型。通过相似变换，对非线性偏微分方程组进行简化，然后用打靶法进行数值求解。详细分析了3种纳米流体（CuO-EG、Al2O3-EG、TiO2-EG）的传热性能。结果表明，Al2O3-EG纳米流体是方形电池组的最佳冷却剂。关键词：方形动力电池组；纳米流体；热管理系统；传热性能中图分类号：TK
2、124；U469.72文献标识码：A文章编号：1004-3969（2022）04-019-05Study On Heat Transfer Performance of Nanofluid in Thermal ManagementSystem of Square Power Battery PackCHEN Ning，XU Xiaoqin（Fujian Chuanzheng Communications College Department of Automotive Engineering Fuzhou，Fujian35007，China）Abstract：Nanofluids with
3、high thermal conductivity were introduced into the thermal management system of power batterypacks of electric vehicles and hybrid electric vehicles.The cooling structure of square battery pack is introduced，and its flow model isestablished.The nonlinear partial differential equations are simplified
4、 by similarity transformation，and then solved numerically byshooting method.The heat transfer properties of CuO-EG，Al2O3-EG，TiO2-EG nanofluids were analyzed in detail.The results show thatAl2O3-EG nanofluid is the best coolant for square battery pack.Key words：Square power battery pack；Nanofluids；Th
5、ermal management system；Heat transfer performance*福建省教育厅中青年科研项目（JAT201049）作者简介：陈宁（1982），女，讲师，硕士，研究方向：汽车运用与机电设计。动力电池组是电动汽车或混合动力汽车主要动力源的关键部件。但由于空间限制，电池组排列紧密，工作时发热严重，如果热量不能及时散发出去，就会引起热失控。电池热管理是电动汽车或混合动力汽车蓬勃发展中需要解决的关键技术之一。目前，液体冷却仍是电池热管理系统中最有效的方法。近年来，大量的研究从理论或实验上证明了纳米流体可以显著提高传热性能。研究主要集中在两个方面：纳米流体的热导率和纳米流
6、体的对流传热。热导率（又称导热系数）是评价纳米流体热性能的重要指标之一。影响纳米流体热导率的因素很多1-3，如纳米流体的类型、体积分数、尺度、形状、温度等4，甚至不同的制备方法也会产生不同的结果。纳米流体传热特性主要包括传热速率、Nusselt数、对流换热系数、总传热系数及散热有效性。传热特性主要取决于基液中纳米颗粒浓度、雷诺数、冷却液类型、空气流速、入口温度等。Pak和Cho5测量了2种纳米流体-Al2O3-water（13 nm）和TiO2-water（27 nm）的对流换热系数。结果表明：在相同雷诺数下，纳米流体的对流换热系数大于基液水的对流换热系数，且随着纳米流体体积分数的增加而增大；
7、在相同浓度下，-Al2O3-water 纳米流体的对流换热系数高于 TiO2-water纳米流体。将这种新型的高导热系数的纳米流体引入电动 19FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索汽车和混合动力汽车动力电池组的热管理系统具有很高的价值。目前常用的锂离子电池有圆柱形和方形2种，本文讨论将纳米流体应用于方形锂离子电池组的冷却方案，采用CuO、Al2O3、TiO2这3种不同的固体粒子与乙二醇基液组成3种不同的纳米流体，对其传热性能进行了图形化表征并详细分析。1方形电池组纳米流体的传热模型对于串联和并联的方形电池组，其散热结构通常采用液冷板带冷却管的间接散热
8、方式，如图1a所示。冷却管道可以简化为如图1b所示的管内流动模型。以圆管径向轴线为r轴，中心线为x轴，建立坐标系。u和v分别是沿x轴和r轴的速度分量。U和T分别为纳米流体的流入速度和温度。假设无滑移，纳米流体在壁面上的速度为u=v=0。（a）方形电池组液冷板()nfffTkhT Tr-=纳米流体u=0,v=0vuxrU=axT（b）管道内流动模型和坐标系图图1 1方形电池组典型散热结构方形电池组典型散热结构Fig.1 Typical heat dissipation structure of square battery pack连续性方程：(ru)x+(rv)r=0（1）动量方程：uux+v
9、ur=-1nfpx+nfnf()2ur2+1rur（2）能量方程：uTx+vTr=knf(Cp)nf()2Tr2+1rTr+nf()Cpnf(ur)2（3）边界条件：u=U=ax,v=0,T=T0at r=0（4）u=v=0,-knfTr=hf()Tf-Tat r=R（5）式中：T为纳米流体温度，nf为纳米流体的有效动力粘度，nf为纳米流体的密度，knf为纳米流体的导热系数，（Cp）nf为纳米流体的热容，a为常数，hf为对流换热系数，T0为壁面温度，Tf为基液温度，R为管道半径。纳米流体的密度为：nf=(1-)f+s（6）纳米流体的粘度为：nf=f(1-)2.5（7）纳米流体的热扩散系数为：n
10、f=knf(Cp)nf（8）纳米流体的导热系数为：knfkf=(kf+2ks)-2(kf-ks)(kf+2ks)+(kf-ks)（9）纳米流体的比热容为：(Cp)nf=(1-)(Cp)f+(Cp)s（10）式中，为纳米颗粒体积分数，f和s分别为基液和纳米颗粒的密度，f为基液的粘度，kf和ks分别为基液和纳米颗粒的导热系数，（Cp）f和（Cp）s分别为基液和纳米颗粒的热容。由于乙二醇沸点高，应用广泛，本文以50%乙二醇水溶液为基液，通过添加不同纳米颗粒可组成不同纳米流体，本文选择氧化铜（CuO）、三氧化二铝（Al2O3）、二氧化肽（TiO2）3种典型纳米颗粒，利用数值方法算出3种纳米流体的传热特
11、性并进行比较。3种纳米颗粒及基液的热物性参数如表1所示。表表1 1纳米颗粒和基液的热物性参数纳米颗粒和基液的热物性参数Tab.1 Thermophysical parameters of nanoparticles and base liquid物性参数Cp/（J/kgK）/（kg/m3）k/（W/mK）基液33001071.110.384CuO540651018Al2O3765397040TiO2686.242508.9538 20FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索2数值解法引入如下相似变换：=r2R2,=UR22f(),()=T-T0Tf-T0
12、（11）这里是流函数，定义为：u=1rr,v=-1rx将式（1）式（3）简化为：f +f +()1-2.5()1-+sf4()ff -f2=0（12）()+Prkf|()1-+()Cps()Cpf4knf()f-f+kfBrknf()1-2.5(f)2=0（13）边界条件式（4）式（5）的形式为：f=0,f=1,=0,at =0（14）f=0,f=0,=-Bi(1-),at =1（15）式中，=f/(aR2)为曲率参数，Br=fU2/kf()Tf-T0是Brinkman数，Bi=Rhf/(2knf)是Biot数。上述非线性耦合方程（12）（14）及边界条件（14）（15）构成两点边值问题，解析
13、法求解困难，本文采用龙格库塔法和打靶法进行求解。3结果分析图2和图3分别描述了Pr（普朗特数）=6.2，=5，（纳米流体的粒子体积分数）=0.05和Bi=0.5时纳米粒子对速度分布和温度分布的影响。可以看出，不同类型的纳米粒子对速度分布和温度分布的影响很小，特别是对于TiO2-EG和Al2O3-EG纳米流体。与其它两种纳米流体相比，CuO-EG纳米流体的流速最低，温度最高，而 Al2O3-EG 纳米流体的流速则相反。Al2O3-EG纳米流体是解决方形电池组纳米流体的传热特性的最佳选择，因为它流动更快，从壁面吸收更多的热量，使壁面温度较低。图图2 2纳米粒子对速度分布的影响纳米粒子对速度分布的影
14、响Fig.2 Effect of nanoparticles on velocity distribution图图3 3纳米粒子对温度分布的影响纳米粒子对温度分布的影响Fig.3 Effect of nanoparticles on temperature distribution以Al2O3-EG纳米流体为例，探讨体积分数对速度分布和温度分布的影响，分别如图4和图5所示。观察到 Al2O3纳米粒子的体积分数对速度的影响很小，但对温度的影响比较明显。当体积分数为零时，图图4 4粒子体积分数对速度分布的影响粒子体积分数对速度分布的影响Fig.4 Effect of particle volume
15、 fraction on velocity distribution 21FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索图图5 5粒子体积分数对温度分布的影响粒子体积分数对温度分布的影响Fig.5 Effect of particle volume fraction on temperature distribution纳米流体相当于EG-water。从图5可以看出，纳米流体在壁面上的温度低于EG-water的温度。这是由于纳米流体的平均对流换热系数高于EG-water，从而从壁面带走了更多的热量。这与预期是一致的，适当增加纳米流体的体积分数可以从壁面带走更多
16、的热量。图 6-8 为不同物理参数（曲率参数、Biot 数和Brinkman数）对Al2O3-EG纳米流体温度分布的影响，可以看出，在整个流场中，温度随着曲率参数和Biot数的上升而下降。这是因为Biot数越大，从壁面到纳米流体的对流换热效率越高，使壁面温度降低。由图8可知，靠近壁面处，温度随着Brinkman数的增大而上升，而远离壁面时，温度随着Brinkman数的增大而下降。值得注意的是，当Brinkman数较大时，温度上升相对缓慢。4结论图图6 6曲率参数对温度分布的影响规律曲率参数对温度分布的影响规律Fig.6 Influence of curvature parameters on temperature distribution图图7 7BiotBiot数对温度分布的影响规律数对温度分布的影响规律Fig.7 Influence of Biot number on temperature distribution图图8 8BrinkmanBrinkman数对温度分布的影响规律数对温度分布的影响规律Fig.8 Influence of Brinkman number on te
