邱健蓄电池棱柱形锂离子电池模块的液浸式冷却系统设计与性能优化

电池模组的最优热管理 对于维持 电池组高效可靠运行至关重要。本研究设计了一种主动浸没式 针对棱柱形锂离子电池模块的冷却系统研究显示，相较于静态浸没冷却和自由对流方法，其最高温降分别达到34%和47.7%。本研究通过数值模拟分析了冷却液流速、流向及模块排列方式对强制流动浸没冷却性能的影响。结果表明，平行排列的电池组构型较交错排列展现出更优的冷却性能。在五种流型（自上而下、自下而上、上对上、下对下及中心对中心）中，自上而下布局展现出最佳冷却效率。随着入口流量的增加，电池最高温度与电池组温差在流量达到0.023 kg/s时均呈现先急剧下降后缓慢降低的趋势。功耗与入口流速呈正相关，而冷却指数则呈负相关。当电池间水平间距从 当极耳间距从1毫米增至6毫米时，电池最高温度与温差呈现"U"形变化趋势，功耗呈单调递减，而冷却效能指标则显示"И"形变化规律。同理，随着电池纵向间距的增大，峰值电池温度与温差同样遵循"U"形变化曲线，功耗持续单调下降，相反冷却效能指标呈单调上升趋势。最终确定4毫米横向间距与5毫米纵向间距为最优配置方案。本研究同时兼顾了方形锂离子电池的运行安全性与热管理效率，为高性能浸没式冷却系统建立了设计准则。

引言

为满足各领域日益增长的能源需求，近年来电化学储能、储热、机械储能及磁储能等多种储能技术得到了广泛发展（Olabi等人，2021）。其中，电化学储能因其显著潜力与快速技术迭代而备受瞩目。特别是锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度、长循环寿命及无记忆效应等优势（Tan等人，2021），已成为当前最先进的电化学储能技术。因此，锂离子电池已广泛应用于电动汽车、医疗设备、便携式电子产品乃至农业机械等领域（Jiangyi和Fan，2023）。
锂离子电池（LIBs）的运行状态对温度具有高度依赖性。在包括高倍率充放电、极端温度暴露或机械穿刺等滥用工况下，电池会产生并积聚大量热量。若未能及时散热，可能引发热失控，进而导致起火或爆炸风险（Li et al., 2021）。反之，当环境温度低于最佳范围时，电池的可用容量与充放电功率将显著下降。研究表明，锂离子电池的最佳工作温度范围约为20–40°C（Nazar et al., 2023；Suresh Patil et al., 2021）。因此，开发高效的电池热管理系统（BTMS）对于确保电池组的安全可靠运行至关重要，特别是在大功率储能应用中。
一般而言，电池热管理系统（BTMS）根据冷却介质与传热机制的不同，可分为空气对流冷却（Yang等，2020）、相变材料冷却（Zhou等，2022）、热管冷却（Feng等，2018）以及液体冷却（Malik等，2018）。由于其结构简单且对电池包空间占用极少， 在电池热管理系统（BTMS）中，空气冷却因其维护成本低廉而被广泛采用。然而，由于空气导热系数较低，其冷却效率相对有限，从而导致电池组散热效果不佳（Mohammed等，2024），因此主要适用于低功率电池模块。相变材料（PCM）冷却技术具有零能耗和高可靠性的优势，但受限于材料本身较低的热导率，且需要复杂昂贵的预压缩与成型组装工艺（Niu等，2024）。热管冷却作为一种利用气液相变的间接冷却方法，是一种具有高效导热性能的传热元件。然而热管存在成本较高、结构复杂等缺点，这些因素限制了其应用范围（Hu等，2022）。相比之下，液冷技术凭借其高导热系数和比热容展现出优异的热性能，可实现高效散热（Deng等，2018）。该技术可分为直接冷却与间接冷却两种模式。直接液冷尽管具有高热传递效率，但其易引发电路短路和冷却剂泄漏风险，因此限制了实际应用。相比之下，主要通过嵌入流道和歧管的冷板结构实现的间接液冷已成为优选解决方案（Wu等人，2023）。先进的间接冷却系统，如蜂窝式冷却套（Sheng等人，2021）和蛇形流道冷板（Sheng等人，2019），展现了精密的工程设计。然而，这些系统从根本上受限于其多级传热机制。通过电池壳体、冷却结构和冷却剂的热传递路径存在固有的界面热阻，即使在优化配置中亦无法消除。这一根本性限制使得间接冷却架构不得不作出不可避免的权衡：通过提高流速来强化温度控制，必然会以牺牲温度均匀性为代价。水是目前应用最广泛的 间接式系统中采用水作为冷却介质，因其在常见液体中具有最高的比热容和较低的粘度特性，既能实现高效吸热又可最大限度降低泵送功耗。 然而，尽管间接液冷式电池热管理系统日趋复杂，但电池与冷却通道间的有限接触面积本质上制约了传热效率，导致电池组内存在显著温差（Tian等，2024）。
一种新兴的电池浸没式冷却技术展现出卓越的传热性能，这得益于电池组表面与冷却剂之间的紧密接触。 该配置消除了层间热阻并实现电池组内部温度均匀分布（Dubey et al., 2021）。此外，阻燃冷却剂的使用增强了散热能力并降低了热 通过抑制可燃燃料费着火来控制热失控（TR）。对于高倍率电池运行，需采用泵驱动冷却液循环以维持最佳散热效果。选用低粘度流体可显著降低泵送功耗。近期研究中，Giammichele等人（Giammichele et al., 2022）证实相变过程能提供更高的潜热。 与单相系统相比，其冷却性能更为优越。尽管两相浸没式冷却相较于单相浸没实现了更佳的温度均匀性，但冷凝过程会引入额外的系统复杂性和成本，这主要源于蒸气回收回路的需求。Williams等人（Williams et al., 2025）的研究表明，两相热管理通过加速高倍率循环期间的散热，可提升电池性能。然而，该研究指出沸腾过程仅局限于电极终端表面。这种空间限制限制了两相冷却在实际电池组中的充分利用。相反，Wang等人（Wang和Wu，2020）证明，单相浸没冷却已被证明能有效控制电池的最高温度。由于其配置更简单、实施成本更低，单相浸没冷却已成为大多数实验研究的重点，特别是在大规模储能应用中。
液体浸没冷却技术的研究主要集中于冷却液选型与电池包结构设计。Wu等(Wu et al., 2022)开发了一种通过浸没冷却实现更高比能量与安全性的电池热管理系统，采用硅油强制流经每个电芯表面以实现优异散热性能。Zhao等(Zhao et al., 2024)系统评估了四种设计的冷却流道，研究表明侧向入口至 底部出口通道布局显示出增强的散热能力。Satyanarayana等学者(Satyanarayana et al., 2023)提出，矿物油和导热油等经济型介电流体可有效替代Novec、Amp Cool等高成本流体用于电池热管理系统。Chen研究团队(Chen et al., 2024)则开发了一种采用变压器油强制循环作为冷却介质的电池热管理系统。实验结果表明，即使冷却液流速降至最低值30 ml/min，电池模块的最高温度仍可控制在45℃以下；而理论分析显示最佳冷却效率出现在200 ml/min工况下。Jithin等人（Jithin and Rajesh, 2022）对比了直接浸没冷却中使用的三种冷却介质——去离子水、矿物油与工程流体，在2C放电倍率、0.05 kg/s质量流量的条件下，所有介电流体均能将温升控制在5℃以内，其中去离子水表现出最优冷却效能。Gao等学者（Gao et al.，2024）通过实验证实鱼形孔导流板可显著提升电池热管理系统（BTMS）散热性能。相较于传统导流板与圆形孔导流板，其功耗分别降低42.1%与11.8%。 Choi等(Choi et al., 2023)开发了一种结合单层间隔层与石墨鳍片的混合浸没式冷却模型，该模型在重量与温度均匀性之间实现了最佳交易。实验验证表明，这种混合结构使压力掉落降低45.4%，功耗减少61.0%。这些发现共同凸显了直接液体冷却技术在解决电池热管理系统(BTMS)热调控挑战方面的应用前景。
关于浸没式冷却的研究主体主要集中于圆柱形电池单体，诸如常见的18,650和21,700规格。大量研究系统性地考察了不同介电冷却剂（如矿物油、合成酯及工程流体）的冷却效果，并对流速、流道设计等运行参数进行了优化。圆柱形单体间明确且一致的间隙有助于形成可预测的冷却剂流动路径，这使得它们成为计算流体动力学建模与实验分析中相对直接的研究对象。例如，研究已详尽阐述了圆柱体间孔隙中的流动动力学如何促进热量移除。因此，圆柱形电池的冷却剂特性、流动参数与热性能之间的基本关系现已相对明确。相比之下，尽管现代电动汽车因其优异的能量密度和空间利用率而广泛采用方形电池，但针对此类电池的浸没式冷却技术研究仍相对匮乏。棱柱形电池独特的几何构型，尤其是其大面积的平坦表面与狭窄的侧面结构，为热管理带来了特殊的挑战与机遇。围绕棱柱形电池的流动特性与圆柱形电池存在本质差异，诸如流动分离、再循环区以及压力分布不均等现象可能导致局部热点和不可预测的热行为。鉴于这些本质差异，直接套用圆柱形电池的研究结论显然不足，这凸显了针对棱柱形电池实际几何特征开展专项研究的迫切性，以推动电池热管理技术的发展。
本研究 对由18个方形电池组成的电池组在4C高倍率放电条件下应用浸没式冷却技术。通过调节冷却剂循环速率、入口位置和流动方向，系统性地研究了电池的热行为。此外，还分析了电池组内电池间距与排列构型对散热效率的影响。通过综合评估功耗与冷却性能指标开展系统优化，旨在实现能源效率与散热管理效能的平衡。