储能电池组浸没式冷却系统冷却性能的模拟研究

近年来，全球能源危机与气候变化问题日益严峻，促使各国加速推进从化石能源向可再生能源的转型与变革（Ang等，2022）。然而，以水电、风电、光伏为主体的可再生能源具有间歇性、波动性和不可预测性等特征，对电力系统调控与输配带来严峻挑战。储能技术凭借其卓越的调节与读档能力，可有效应对可再生能源的动态供电特性。该技术在保障电力系统稳定性、推动能源转型升级方面发挥着关键作用（Liu等，2025）。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低及环境友好等优势。随着制造工艺成人化与生产成本降低，该技术被广泛应用于储能系统（Goodenough和Park，2013）。然而，锂离子电池的工作温度范围较窄，通常耐受范围为-20至60°C，最佳工作区间为15至35°C，且电池组内单体电芯间的温差应控制在5°C以内（Wu等，2019）。其运行性能与安全性具有显著的温度敏感性：温度过低会导致内阻增大、可用容量降低并加速电池衰减。反之，温度过高可能触发热失控，引发火灾或爆炸事故，造成人员伤亡与经济损失。此外，现代大规模储能系统中的电池排布极为密集，散热条件差且产热集中，易导致电池组内部形成局部热点和显著温度梯度，对性能与安全性产生双重负面影响（Su等，2025）。因此，对于大规模储能系统而言，高效的电池热管理系统在调节电池组温度与温差、保障系统持续运行方面具有关键作用。
目前，电池热管理系统主要采用以下冷却方式：风冷、相变材料冷却、热管冷却和液冷。风冷具有结构简单、技术成人且成本较低的优势，因而在商业领域得到广泛应用。然而，空气的导热系数和热容较低，导致散热性能较差，无法满足高发热量电池组的冷却需求（Murugan等，2025；Suo等，2026）。相变材料冷却技术利用冷却介质相变过程中的潜热进行吸热，具有温度均匀性好、散热效率高等优势。然而该技术受限于相变材料的质量与体积限制，对制造精度要求较高。此外，当相变材料完成完全相变后，将导致散热功能失效（Kim等，2024；Shahid与Agelin-Chaab，2024）。热管冷却技术则能灵活设计散热器几何形状，具有极强的适应性。然而，热管通常具有较低的热容、有限的接触面积和受限的冷却能力，往往需要与其他冷却方法结合使用（Luo et al., 2024; Wu et al., 2023）。液体冷却是通过流动液体与热源之间的热传递实现散热。根据液体接触方式，可分为间接液体冷却和直接液体冷却。间接液体冷却又称冷板冷却，利用冷板内流动的介质进行散热，具有较高的冷却效率。然而，冷板位置的变化可能导致电池前后区域出现显著温差。此外，冷板内部复杂的流道结构会引发较高的循环阻力与过量功耗（Kong et al., 2024; Yan et al., 2025）。直接液体冷却（又称浸没式冷却）需将电池完全浸没于传热流体中。相较于其他冷却方式，该技术对系统密封完整性要求更高，且当前实施成本较为昂贵。然而，该技术实现了传热流体与电池的直接接触，提供了巨大的传热面积和优异的冷却效率。这使得电池整个表面能实现均匀快速的散热，显著降低电池包的整体温度与温度梯度。此外，浸没式冷却省去了复杂的冷板结构，从而获得更紧凑的系统架构。当冷却剂具有阻燃特性时，该技术还能有效抑制热失控风险（Togun等人，2024；Satyanarayana等人，2023；Wahab等人，2025）。凭借卓越的散热性能与安全特性，浸没式冷却被公认为高性能电池系统热管理的有效解决方案。因此，众多学者对浸没式冷却系统的散热性能展开了深入研究。 %%
Wang等(Wang et al., 2022)构建了一个由五个并联10Ah锂离子软包电池组成的实验平台。采用高绝缘性的10号变压器油作为浸没式冷却介质，他们设计了一套紧凑型电池管理系统。该研究探究了不同电流倍率和环境温度下浸没深度与液体流速对冷却效率的影响，结果表明相较于风冷方式其散热性能得到显著提升。Luo等(Luo et al., 2022)通过在进出口处设置缓冲结构以减弱湍流效应，优化了电池包几何构型，从而提高了电池包内部温度均匀性并降低系统整体温变幅度。Li等(Li et al., 2024)通过数值分析与实验手段，系统研究了圆柱电池系统中交错间距、浸没流体循环周期、冷却液体积流量及浸没高度等因素对冷却效果的影响。其研究结果为设计高效电池热管理系统提供了技术参考。Zhao等（Zhao et al., 2024）提出了一种以变压器油为冷却介质的强制流动浸没式冷却方法，用于18,650电池模块，评估了不同放电倍率、冷却液流速和流道位置下的冷却性能。Tan等（Tan et al., 2021）则对3.2Ah浸没式电池组系统进行了数值分析。研究结果表明，采用适当控制冷却剂流速的部分高度通道，或采用具有错流构型的多层结构，可提升系统冷却效率。Hu等人(Hu et al., 2025)以单相浸没式液冷系统为研究对象，与传统液冷及静态浸没液冷进行对比，探讨了分流孔孔径、冷却剂流速及冷却剂类型对冷却性能的影响。Wang等人(Wang et al.Liu等人(Liu等人, 2023)提出了一种浸没耦合直接冷却(ICDC)方法，通过数值模拟与实验手段在2C放电倍率和25℃环境温度下研究了其传热特性及影响因素。Liu团队(Liu等人, 2023)还提出基于静态流动的浸没冷却方法，探究了不同电流倍率下的系统冷却性能，并与传统风冷进行了对比。Vikram等人(Vikram等人, 2026)实验研究了以变压器油作为介电流体的浸没冷却策略，验证了其在动力电池热管理中应用的有效性。Kureshi团队(Kureshi等人, 2026)探究了正戊烷作为介电冷却剂在5S3P锂电池模组两相浸没冷却中的应用，重点关注不同C倍率下的两相传热性能、电池表面温度变化及模组内温度均匀性。Wang等人(Wang等人2025年）研究了电池组搅动对浸没式冷却动态特性的影响，发现该操作能增强表面润湿效果并促进气泡释放，从而提升冷却效率。Chandrasekaran等学者（Chandrasekaran et al., 2025）提出了一种新型液滴冷却方法，与常规流动浸没方案相比可降低电池峰值温度。Yaqteen团队（Yaqteen et al., 2025）则开发了创新型喷雾式浸没冷却技术。与传统全浸没式和流动浸没式冷却系统的实验对比表明，喷雾浸没在低流量条件下可实现更低的单体温度及更均匀的温度分布。除冷却效能外，研究者还探究了浸没冷却下的热失控行为。例如，Ye等人（Ye et al., 2024）通过改变浸没深度对单体电池和电池包进行热失控测试，证实浸没冷却能有效抑制热失控蔓延。Zhao等人（Zhao et al., 2025）针对280 Ah大容量LiFePO₄电池在浸没式冷却条件下的研究表明，液体浸没冷却能有效抑制过热与过载期间的峰值温度，从而提升安全性能。
除上述研究外，冷却液类型对浸没式冷却系统性能亦具有显著影响。目前主流浸没式冷却液主要包括：氟化液、碳氢化合物、酯类、硅油及水基溶液（Roe等，2022）。这类冷却液需兼具优异绝缘性、卓越导热性与强阻燃性等特性，以满足浸没式冷却的基础需求。为深入优化热管理系统与冷却液配方，众多研究者针对冷却液热物性对浸没冷却性能的影响展开研究。Jithin等（Jithin和Rajesh，2022）通过数值分析对比了去离子水、矿物油与工程流体的浸没冷却性能。结果表明，去离子水凭借其高比热容与导热系数，能将温升控制在较低水平。然而，其较差的绝缘性能通常使其不适用于实际应用。Singh等人(Singh and Sahoo, 2025)评估了酯类油、矿物油、煤油和氟化物在低流速条件下管理电池温度的效能。结果表明酯类油是最有效的冷却剂，可将电池温度维持在305.84 K以下，但尚未有研究探讨其对温度均匀性的影响。Liu等人(Liu et al., 2024)在一个设计的油浸式电池冷却系统中比较了矿物油与天然酯类油的冷却性能。结果表明，随着雷诺数增加，强制对流逐渐取代自然对流成为主导传热机制。就天然酯油而言，强制对流在整个雷诺数范围内均保持主导地位。除冷却方法外，另有研究直接评估冷却剂热物性对冷却效率的影响，以优化冷却剂配方并提升产品冷却性能。Tian等（Tian等，2024）研究了导热系数与比热容在静态流动浸没冷却、强制流动浸没冷却及浸没耦合直接冷却中对冷却性能的影响。结果表明：在低流速工况下，提高导热系数和比热容均能一定程度降低电池模组的最高温度，其中比热容的影响更为显著。Li等（Li等2025年）采用计算流体力学与响应面分析法，研究了浸没式电池包的冷却效能与冷却剂粘度、密度、比热容及导热系数之间的函数关系，从而量化了热物性参数对冷却性能的影响。除上述常用冷却剂外，近期研究者们还对新型冷却剂展开了探索。例如Huang等（Huang et al.2026年）将具有高导热性的六方氮化硼材料融入酯油中形成纳米流体，研究了不同浓度下该纳米流体的分散稳定性、流变特性和导热性能，证明其能有效提升浸没式冷却效能。Dai等人（Dai等人，2025年）开发了基于超临界二氧化碳（S-CO2）浸没冷却剂的新型电池热管理系统，探究了S-CO2热力学参数对冷却性能的整体影响。实验结果表明，该方法可同时降低电池的温升幅度与温差。
综上所述，当前锂离子电池浸没式冷却系统的研究存在以下不足：（1）主要针对小容量、小规模电池组的浸没冷却研究，而对大容量、大规模储能电池组的浸没冷却研究较少。（2）影响浸没冷却效果的因素考虑不足，未能更全面描述浸没冷却系统的相关影响机制。（3）冷却液热物理参数对冷却效果的影响主要采用单因素法，忽略了不同因素间的交互作用。
鉴于上述研究现状与不足，本文以单体容量280Ah、成组方式为4P13S的大规模储能锂离子电池组为研究对象，通过数值模拟分析手段，系统研究了电池排列间距、冷却剂进出口模式、冷却剂流速及冷却剂类型对浸没式冷却系统散热效果的影响。采用最高温度、平均温度及温差作为综合衡量散热效果的指标。在此基础上，通过正交试验结果，深入研究了冷却液密度、比热容、导热系数和运动粘度对冷却效果的影响权重，并考虑了多因素联合作用下的综合冷却效果。本文的研究工作可为实际锂离子电池组浸没冷却系统的设计与优化以及冷却液的选择与开发提供一定的启示和参考。