邱健蓄电池基于氢氟醚流体的浸没式电池热管理系统研究
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邱健蓄电池 发布时间：2026-02-27 10:48:42 点击： 次
摘要
本研究探究了一种基于氢氟醚液体的浸没式电池热管理系统，重点分析了不同流速和放电条件下流体流动对电池温度的影响。实验结果表明：在3C放电倍率下，水平与垂直放置电池的最优体积流量分别为50 mL/min和60 mL/min。在此流速条件下，电池最高温度分别为39.55°C和39.84°C，证实了该系统的有效温控性能。流量的进一步增加对温度降低的影响逐渐减弱，表明存在饱和效应。此外，研究表明，在高放电倍率下，垂直放置的电池相较于水平放置的电池表现出更大的温差和更显著的温度不均匀性。具体而言，垂直放置电池的最大温差达到4.65°C，而水平放置电池仅为3.87°C。该研究还强调了自然对流与强制对流在传热过程中的关键作用，其中混合对流的效果因电池朝向和流动条件而异。此项研究为优化IBTMS设计提供了宝贵的理论依据和实践指导，可确保电池在高功率放电条件下的安全稳定运行。
引言
随着电动汽车（EV）市场的快速扩张和储能技术的持续进步，电池热管理系统（BTMS）对于保障电池性能与安全的重要性日益凸显[1]。若管理不当，大功率放电过程中产生的热量将导致温升，进而对电池充放电效率、使用寿命及整体安全性产生负面影响[2]。因此，温度控制已成为电池系统设计中的关键技术。特别是在高功率与高能量密度电池应用中，实现高效且均匀的温度控制已成为提升电池性能与保障安全性的重要技术挑战[3]。
电池热管理系统通常分为直接接触式与间接接触式两类[4]。间接接触式电池热管理系统（ICBTMS），如液冷板[5,6]、相变材料（PCM）[7,8]以及热管[9,10]，在现有电池热管理技术中得到了广泛应用。尽管这些技术能够部分满足热管理需求，但在传热流体与电池之间引入额外的传热组件会增加传热过程中的热阻[11,12]。这一问题在大倍率放电条件下尤为显著——此时要实现温度均匀分布具有挑战性，并可能导致局部过热[13]，从而影响电池的稳定性和安全性。因此，降低热阻与提升热管理效率已成为当前研究与应用中的关键挑战[14]。
相较之下，空气冷却与浸没冷却等直接接触式电池热管理系统(DCBTMS)[15]通过使电池直接接触传热介质，消除了传统系统固有的接触热阻[16]，从而显著提升传热效率。特别是浸没式热管理技术，该技术将电池完全浸没于高导热介质中，能够更均匀地吸收和消散电池内部产生的热量，从而在高能量密度应用中实现更稳定的温度控制[17]。相较于空气热管理系统[18,19]，浸没式热管理系统可显著降低热梯度并实现更优异的温度均匀性[20,21]，这对于电动汽车[22]和储能系统[23]等要求高热管理效率的应用场景尤为关键。各类电池热管理系统的性能对比详见表1。
为提高浸没式电池热管理系统（IBTMS）的效率，众多研究者提出了流道结构优化方案[24,25]。例如，Gao等[26]开发了一种采用鱼形孔流道的浸没系统，使电池最高温度降低9.2%，泵浦功耗减少12.2%。Liu等[27]通过采用交叉互联多通道系统和棋盘式拓扑结构，改善了流体分布与电池热性能，实现了12.最高温度降低56%，温差减小43.81%。Luo等学者在流道中引入折流杆[28]与螺旋带[29]，不仅有效降低电池温度，更显著减小电池组内部温差。研究表明，浸没式电池热管理系统具有可观的实际应用潜力[30,31]。
尽管IBTMS在各种工程应用中具有显著优势，但其在实际部署过程中仍面临若干挑战，其中传热流体的选择是关键因素[32]。理想的传热流体不仅需要具备高导热系数和低粘度的特性以优化换热效率，还应满足电绝缘性、低毒性、可持续性和环境相容性等标准[33]，如表2所示。目前，氢氟醚（HFE）流体因其卓越的导热性、强介电性能和高安全性，已成为浸没式冷却系统中极具前景的传热介质[34]。HFE流体不仅能高效传递热量，还能确保电池与流体间的电气隔离，从而避免高温条件下短路等安全隐患[35]。因此，采用HFE流体作为浸没式电池热管理系统的传热介质，已引起研究人员的广泛关注[36,37]。
Ayodeji等人[38]对比了十种不同介电流体后发现，虽然所有流体均满足电池运行要求，但采用HFE流体的系统呈现出最低的压力掉落。Liu等[39]将HFE-7000作为热传输介质应用于电池热管理系统，并将其性能与微通道液冷板系统进行对比。研究表明，浸没式系统可使电池峰值温度分别降低4.89°C和9.分别在31°C下实现，且在动态运行工况下，电池最高温升降低了29.89%与43.89%。Rusdi等[40]采用HFE-7100对浸没式系统进行优化，显著提升了其性能。Mazhar等[20]通过数值模拟验证了HFE-6120在动态负载条件下的表现，结果表明：在9°斜坡持续运行时，电池包最高温度与温差始终分别维持在302 K和1 K以内。这些研究证实了HFE类流体应用于电池热管理系统的可行性。
尽管HFE流体具有显著优势，但其在浸没式热管理系统中的应用仍面临若干技术挑战。具体而言，流速变化与放电倍率对电池温度控制的影响机制尚未得到充分阐明。如何优化流速[41]、液体流动形态[42]以及传热流体的热物理性质[43]等参数以实现最佳热管理性能，仍是当前研究的核心焦点与持续挑战。因此，深入探究HFE流体在浸没冷却系统中的传热机理、温度分布特征及流动行为，对于进一步提升电池系统的安全性、稳定性和运行效率具有重要的理论与实践意义。
本研究提出了一种基于氢氟醚(HFE)流体的浸没式电池热管理系统，并通过实验探究了不同流速和放电条件下流体流动对电池温度分布的影响。通过分析高功率电池应用中HFE流体的流动特性、传热效率及冷却效果，本研究旨在为优化浸没式热管理技术提供理论基础和实践指导。具体而言，该研究重点关注流速和电池排布构型对热管理性能的影响，探索实际应用中平衡流速与温度控制的优化策略，以实现更高效的热管理系统。
