李岳峰 等：儲能鋰電池包浸沒式液冷系統散08靠設計影像熱設計及熱仿真剖析

requestId:687d192958cfb0.30219725.

作者：李岳峰1,2, 徐衛潘1,2, 韋銀濤1,2, 丁緯達1,2, 孫勇1,2, 項峰1,2, 呂游1,2, 伍家祥1,2, 夏艷1,2

單位：1. 運達動力科技集團股份無限公司；2. 浙江省風力發電技術重點實驗室

援用：李岳峰, 徐衛潘, 韋銀濤, 等. 儲能鋰電池包浸沒式液冷系統散熱設計及熱仿真剖析[J]. 儲能科學與技術, 2024, 13(10): 3534-3544.

DOI：10.19799/j.cAR擴增實境nki.2095-4239.2024.0186

本文亮點：1.設計了一種新型的直接浸沒式儲能電池包液冷冷卻系統，有用解決了以往間接冷板式液冷技術在冷卻電池時存在的電芯溫差過年夜等問題，且顯著晉陞了電池包整體溫度機能；2.探討了浸沒冷卻液流量、電芯間距和噴射孔數量對浸沒模型電池包溫度場的影響，為今后儲能電池浸沒式的創新研討和實際開發供給必定的設計參考思緒和熱流場規律總結。

摘 要 作為最主流的儲能電池液冷技術，間接冷板冷卻技術比擬風冷技術雖然實現了在電池換熱和均包裝設計溫後果上的衝破，但仍存在著電芯頂底區域溫差過年夜、液冷管路循環阻力過年夜和功耗過高級問題。為解決這些問題，本任務以某型電池包作為研討對象，設計了一種新型的直接浸沒式電池包冷卻系統，即采用直接浸沒式冷卻技術將電池包直接置于冷卻液中冷卻。通過數值仿真對該浸沒式系統進行了溫度場和流場特徵的評估，并與冷板式冷卻系統進行對比。接著分別探討了浸沒冷卻液流量、電芯間距和噴射孔數量對于浸沒電池包溫度場的影響。研討發現：比擬于冷板冷卻系統，浸沒式冷卻系統下電池包頂面場地佈置最高溫度和最年夜溫差均明顯降落，系統整體冷卻機能顯著晉陞；同時浸沒電芯頂底區域最年夜溫差年夜幅度縮小，有用解決了冷板冷卻時存在的頂底區域溫差過年夜的問題；隨著冷卻液流量和電芯間距的增添，電池包頂面最高溫度和最年夜溫差均分歧水平降落，但其溫度降落率逐漸降落；噴射孔數量的增添使得電池包頂面最高溫度稍微降落，但最年夜溫差明顯晉陞。

關鍵詞 儲能電池包；直接浸沒式冷卻；熱特徵

儲能技術因其第一章可為新動力供給有用的能量均衡和動力儲備，已成為推動世界動力發展和變革的主導氣力。而鋰離子電池憑借其高比能量、綠色無淨化等優勢，廣泛應用于電化學儲能系統中。電池熱治理系統對鋰電池的平安高效攤位設計運行具有主要意義，公道的熱治理不僅能有用帶走電池充放電過程中的產熱，防止電池溫度過高，也可以進步電池應用壽命，晉陞系統運行效力。

在當今儲能領域中，液冷技術憑借更佳的溫控後果等綜合優勢，小貓看起來乾淨，應該不是流浪貓，大概是從家裡跑已成為最主流的電池熱治理技術。作為最成熟的液冷計劃，冷板冷卻技術應用冷板將電池熱量傳遞給封閉在循環管路中的冷卻液，實現熱量的轉移。作為一種“間接式”的液冷實現計劃，冷板技術比擬風冷換熱效力顯著晉陞，均溫性更佳。但其也存在必定缺點，如冷板地位差異導致電芯兩端區域溫差過年夜，電芯高發熱量時冷板存在管路循環阻力過年夜和功耗過高級。

基于對冷板冷卻缺乏之處的改進思慮，近年來，研討人員提出了一種“直接式”的液冷實現計劃，即浸沒式液冷技術。浸沒式冷卻拋棄冷板，使電池與浸沒冷卻液直接接觸，將產熱高效、疾速、及時轉移。比擬間接冷板式冷卻，直接浸沒式冷卻理論上熱阻更小，冷卻效力更高，溫度均勻性更好。

國內外學者針對電池浸沒式開展了部門研討任務。Wang等通過策展實驗參展探討了分歧浸沒液溫度和流量下浸沒電池模組溫度的瞬態變化情況；王寧等應用仿真評估人形立牌了單管、雙管和盤型的輔助進液方法對于浸沒模組最高溫度的影響；吳成會等通過實驗對比了單電芯在浸沒系統和強制風冷系統下的散熱後果差異；田鈞等設計了一種模組浸沒式系統，并與傳統換熱板技術進行了對比；劉周斌等通過仿真評估了分歧流道歧路數量下浸沒式冷卻系統的溫度差異；姜威研討了非穩態工況下電池模組浸沒式流動沸騰的傳熱特徵；饒釗研討了低溫環境下電池模組的預熱情況；盧乙彬等通過仿真剖析了氟化液、硅油和礦物質油在浸沒式冷卻中的散熱後果差異；裴波等通過仿真研討了浸沒電池的預熱和散熱情況；張進強等包裝盒通過實驗研討了分歧充放電倍率下，浸沒油量、環境溫度及進出口地位對于浸沒式模組溫升特徵的影響。

綜上可知，由于電池浸沒式冷卻是一個新興的研討領域，當前相關研討任務依然處于起步階段，大批研討內容存在空缺。同時，當前關于電池浸沒式的研討僅限于幾顆電芯或模組級別的冷卻，仍沒有文獻針對完全電池包的冷卻進行相關的浸沒式預研討和創新設計。

針對上述研討狀況，本任務以某電池包作為研討對象，起首設計了適用于該電池包的浸沒式新型散熱系統，通過數值仿真評估了該系統的溫度場和流場特徵，并與雷同情況下冷板冷卻系統的溫度特徵進行了對比剖析。接著在此基礎上通過數品牌活動值仿真定量探討了浸沒冷卻液流量、電芯間隙和噴射孔數量變化對于浸沒電池包冷卻後果的影響。本任務旨在為今后儲能電池浸沒式的創新研討和實際開發供給必定的設計參考思緒和熱流場規律總結。

1 電池包浸沒冷卻系統設計

1.1 電池包情況及浸沒系統散熱結構設計

本任務選取的儲能鋰電池包及浸沒式液冷系統散熱設計如圖1所示。

電池包由4列模組構成，單個模記者會組由13顆電芯構成，共52顆。此中，電芯形狀為方形，資料為磷酸鐵鋰，長寬高尺寸分別為174.4 mm×71.5 mm×207 mm。電池包完整浸沒在冷卻液中，浸沒式液冷系統的進口位于左上端，出口位于右下端。在進口側設計了用于輔助進液的主通道及分支的噴射孔，用來實現相對均勻的循環進液，此中噴射孔位于電芯間隙地位。冷卻舞台背板液從進口進進，通過主通道后再由噴射孔噴進浸沒系統內部，實現對電池包的持續冷卻。噴射孔孔徑D=5 mm，孔長L=4D。同列電芯間隙為0.5D，異列電芯間隙為1.4D。為了實現浸沒冷卻液與電芯的充足接觸，電芯底部預留高度3D。

1.2 浸沒冷卻液選型

冷卻液作為浸沒式系統的焦點，由于直接浸泡電芯將其熱量帶走，其熱物機能幾乎直接決定了浸沒系統的冷卻機能。近些年來，氟化液不斷被應用于電池浸沒式冷卻領域中。這重要是因為氟化液具有溫控機能傑出、綠色環保、介電常數低、資料兼容性傑出等優勢。是以，本任務選取了american3M公司Novec7000型氟化液作為浸沒冷卻液，其重要熱物性參數見表1。

表1   Novec7000熱物性參數(20 ℃)

2 數值模擬

2.1 計算模子及邊界條件

本任務計算模子如圖1所示。表2和表3分別列出了計算邊界條件和電芯熱物性參數。電芯選取海辰鐵鋰280 Ah電芯，其物性參數來源于實驗室測量。此中，電芯發熱量由充放電倍率試驗獲得；密度由電芯質量和體積測算獲得；熱導率采用瞬變立體熱源法測量；比熱容根據熱量法對電芯進行加熱和測算獲得。

表2  舞台背板 計算邊界條件

表 3   電芯熱物性參數

奇藝果影像2.2 計算設置

本任務應用某熱流體仿真軟件，選取Realizable k–ε湍流模子計算。采用Coupled算法，將高精度二階迎風格局應用于方程離散，確保計算穩定收斂。同時設定嚴格的殘差標準確保計算的精確性，此中能量方程殘差低于1.0×10-7，連續性、動量及湍流方程殘差低于1.0×10-5。監控電芯體均勻溫度，確保殘差收斂時各監測電芯的體均勻溫度值達到穩定。

2.3 網格天生和無關性驗證

本任務應用高精度多面體-六面體焦點網格分記者會別對浸沒流體區和電芯固體區進行網格劃分，天生網格情況如圖2所示。為確保網格精度，需針對數值預測結果進行網格無關性驗證，見表4。表4列出了5組分歧數量的網格計劃及其對應的電芯體均勻溫度預測情況。由預測結果可知，隨著網格數量人形立牌增多，預測溫度不斷變化，直至計劃3、4和5時溫度預測情況幾乎分歧。由此可見，當網格數量不少于計劃3中時，電芯溫度預測可認為攤位設計達到穩定。綜合計算精度和本錢，最終確定計劃3用于后續仿真計算，網格總數約為1845沈浸式體驗萬。

表4   網格無關性驗證計劃及預測結果

3 結果與討論

3.1 電池包浸沒系統設計的仿真評估

起首針對本任務中研發設計的新型浸沒電池包系統進行評估。圖3展現了浸沒系統下電池包概況溫度分布。為了對廣告設計比電池奇藝果影像包溫度特徵，在雷同流量等條件下，對電池包進行了間接式冷板冷卻設計，此中液冷板置于電芯底部，并進行了仿真評估。圖4展現了間接冷板冷卻下電池包概況溫度分布情況。通過圖3和圖4的對比剖析發現：①在浸沒冷互動裝置卻設計下，電芯整體溫度分布在24～26 ℃，同時電芯頂底溫度及相鄰電芯溫度分歧性均堅持較好；②在冷板冷卻設計下，電芯整體溫度分布在21～

34 ℃之間，盡管相鄰電芯間溫度分歧性較好，但電芯頂底溫度差異較年夜。

為了進一個步驟定量描寫電池包溫度特徵，分別選取電池包頂面和底面的最高溫度，并將浸沒式和冷板式下電池包的溫度數據進行統計和比較，見表5。由表中數據剖析可知：①在電池包頂面，比擬冷板式冷卻，浸沒式冷卻下電池包最高溫度和最年夜溫差分別下降了8.30 ℃和0.76 ℃，是以浸沒式明顯晉陞了電池包整體的溫度機能；②在電池包底面，冷板式冷卻由于液冷板直接接觸導致底面溫度偏低，浸沒式冷卻下電池包最高溫度比擬冷板式高了4.49 ℃，但最年夜溫差基礎雷同；③對于每顆電芯，浸沒式冷卻下電芯頂底兩面最年夜溫差僅為1.06 ℃，比擬冷板式冷卻下降了11.55 ℃。是以浸沒式冷卻年夜幅度改良了冷板冷卻時電芯頂底區域溫差過年夜的問題。

表5   電池包浸沒冷卻系統溫度數據(℃)

為了深刻探討浸沒系統中冷卻液的流動情況，作程度經過噴射孔中線的截面1，如圖5所示。

圖6展現了截面1上的速率及流線分布情況。由圖可知：在噴射孔的感化下，冷卻液均幾乎沿著垂直于進液通道的標的目的均勻噴進浸沒系統中。均勻的冷卻液循環流動是使得電池包溫升和溫差獲得改良的最基礎緣由。

3.2 冷卻液進口流量影響

為了探討冷卻液進口流量對于電池浸沒式系統溫度特徵的影響，分別選取2.5 L/min、5 L/min、7.5 L/min和10 L/min四種流量工況進行對比評估。

為了便利對比分歧工況下溫升和溫差的變化速度，在此規定溫度變化率∆T=|T2-T1|/T1×100%，此中，下標1和2分別表現溫度變化前后的工況，T則表現當前工況下的溫度值。

圖7展現了分歧冷卻液流量條件下電池包頂面最高溫度分布。由圖可以發現：①隨著冷卻液流量的增添，電池包頂面最高溫度逐漸降落。冷卻液流量均勻每增添2.5 L/min，電池包最高溫度降落約2.5 ℃。②分歧冷卻液流量階段溫升降落率有所差異，冷卻液流量從2.5 L/min增添至10 L/min過程中，溫升降落率分別為15.73%、6.74%、3.86%。是以在5 L/min之前，冷卻液流量增添對于最高溫度的減弱更有用，在此之后減弱感化逐漸減弱。

圖8展現了分歧冷卻液流量條件下電池包頂面最年夜溫差分布。由圖可以發現：①最年夜溫差變化趨勢與最高場地佈置溫度雷同，即隨著冷卻液流量的增添，最年夜溫差顯著降落。冷卻液流量均勻每增添參展2.5 L/min，電池包最高溫度降落約0.76 ℃；②分歧冷卻液流量階段溫差降落率有所差異，冷卻液流量從2.5 L/min增添至10參展 L/min過程中，溫升降落率分別為47.35%、26.63%、25.00%。是以在5 L/min之前，冷卻液流量增添對于最年夜溫差的減弱更有用，在此之后減弱感化逐漸減弱。

為了剖析分歧冷卻液進口流量下浸沒系統的流場特征，圖9展現了截面1上的速率分布情況。由圖可知：①隨著冷卻液流量的增添是一隻毛茸茸的小傢伙，抱在懷裡輕得可怕，眼睛閉，由噴射孔噴射出的冷卻液速率顯著晉陞。②冷卻液速率的晉陞促使其向遠離進口的浸沒區域不斷舒展，是以浸沒區域整體的流速晉陞。流速的晉陞有助于增強冷卻液和電芯間的對流換熱。這也是隨著冷卻液流量增添，電池系統的溫度機能逐漸晉陞的最基礎緣由。③流量增添，流場速率分布逐 TC:08designfollow