作者：李岳峰1,2, 徐卫潘1,2, 韦银涛1,2, 丁纬达1,2, 孙勇1,2, 项峰1,2, 吕游1,2, 伍家祥1,2, 夏艳1,2
单位：1. 运达能源科技集团股份有限公司；2. 浙江省风力发电技术重点实验室
引用：李岳峰, 徐卫潘, 韦银涛, 等. 储能锂电池包浸没式液冷系统散热设计及热仿真分析[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(10): 3534-3544.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0186
本文亮点：1.设计了一种新型的直接浸没式储能电池包液冷冷却系统，有效解决了以往间接冷板式液冷技术在冷却电池时存在的电芯温差过大等问题，且显著提升了电池包整体温度性能；2.探究了浸没冷却液流量、电芯间距和喷射孔数量对浸没电池包温度场的影响，为今后储能电池浸没式的创新研究和实际开发提供一定的设计参考思路和热流场规律总结。
摘 要 作为最主流的储能电池液冷技术，间接冷板冷却技术相比风冷技术虽然实现了在电池换热和均温效果上的突破，但仍存在着电芯顶底区域温差过大、液冷管路循环阻力过大和功耗过高等问题。为解决这些问题，本工作以某型电池包作为研究对象，设计了一种新型的直接浸没式电池包冷却系统，即采用直接浸没式冷却技术将电池包直接置于冷却液中冷却。通过数值仿真对该浸没式系统进行了温度场和流场特性的评估，并与冷板式冷却系统进行对比。接着分别探究了浸没冷却液流量、电芯间距和喷射孔数量对于浸没电池包温度场的影响。研究发现：相比于冷板冷却系统，浸没式冷却系统下电池包顶面最高温度和最大温差均明显下降，系统整体冷却性能显著提升；同时浸没电芯顶底区域最大温差大幅度缩小，有效解决了冷板冷却时存在的顶底区域温差过大的问题；随着冷却液流量和电芯间距的增加，电池包顶面最高温度和最大温差均不同程度下降，但其温度下降率逐渐下降；喷射孔数量的增加使得电池包顶面最高温度略微下降，但最大温差明显提升。
关键词 储能电池包；直接浸没式冷却；热特性
储能技术因其可为新能源提供有效的能量平衡和能源储备，已成为推动世界能源发展和变革的主导力量。而锂离子电池凭借其高比能量、绿色无污染等优势，广泛应用于电化学储能系统中。电池热管理系统对锂电池的安全高效运行具有重要意义，合理的热管理不仅能有效带走电池充放电过程中的产热，避免电池温度过高，也可以提高电池使用寿命，提升系统运行效率。
在当今储能领域中，液冷技术凭借更佳的温控效果等综合优势，已成为最主流的电池热管理技术。作为最成熟的液冷方案，冷板冷却技术利用冷板将电池热量传递给封闭在循环管路中的冷却液，实现热量的转移。作为一种“间接式”的液冷实现方案，冷板技术相比风冷换热效率显著提升，均温性更佳。但其也存在一定缺点，如冷板位置差异导致电芯两端区域温差过大，电芯高发热量时冷板存在管路循环阻力过大和功耗过高等。
基于对冷板冷却不足之处的改进思考，近年来，研究人员提出了一种“直接式”的液冷实现方案，即浸没式液冷技术。浸没式冷却抛弃冷板，使电池与浸没冷却液直接接触，将产热高效、快速、及时转移。相比间接冷板式冷却，直接浸没式冷却理论上热阻更小，冷却效率更高，温度均匀性更好。
国内外学者针对电池浸没式开展了部分研究工作。Wang等通过实验探究了不同浸没液温度和流量下浸没电池模组温度的瞬态变化情况；王宁等利用仿真评估了单管、双管和盘型的辅助进液方式对于浸没模组最高温度的影响；吴成会等通过实验对比了单电芯在浸没系统和强制风冷系统下的散热效果差异；田钧等设计了一种模组浸没式系统，并与传统换热板技术进行了对比；刘周斌等通过仿真评估了不同流道支路数量下浸没式冷却系统的温度差异；姜威研究了非稳态工况下电池模组浸没式流动沸腾的传热特性；饶钊研究了低温环境下电池模组的预热情况；卢乙彬等通过仿真分析了氟化液、硅油和矿物质油在浸没式冷却中的散热效果差异；裴波等通过仿真研究了浸没电池的预热和散热情况；张进强等通过实验研究了不同充放电倍率下，浸没油量、环境温度及进出口位置对于浸没式模组温升特性的影响。
综上可知，由于电池浸没式冷却是一个新兴的研究领域，当前相关研究工作仍然处于起步阶段，大量研究内容存在空白。同时，当前关于电池浸没式的研究仅限于几颗电芯或模组级别的冷却，仍没有文献针对完整电池包的冷却进行相关的浸没式预研究和创新设计。
针对上述研究状况，本工作以某电池包作为研究对象，首先设计了适用于该电池包的浸没式新型散热系统，通过数值仿真评估了该系统的温度场和流场特性，并与相同情况下冷板冷却系统的温度特性进行了对比分析。接着在此基础上通过数值仿真定量探究了浸没冷却液流量、电芯间隙和喷射孔数量变化对于浸没电池包冷却效果的影响。本工作旨在为今后储能电池浸没式的创新研究和实际开发提供一定的设计参考思路和热流场规律总结。
1 电池包浸没冷却系统设计
1.1 电池包情况及浸没系统散热结构设计
本工作选取的储能锂电池包及浸没式液冷系统散热设计如图1所示。
电池包由4列模组构成，单个模组由13颗电芯构成，共52颗。其中，电芯形状为方形，材料为磷酸铁锂，长宽高尺寸分别为174.4 mm×71.5 mm×207 mm。电池包完全浸没在冷却液中，浸没式液冷系统的入口位于左上端，出口位于右下端。在入口侧设计了用于辅助进液的主通道及分支的喷射孔，用来实现相对均匀的循环进液，其中喷射孔位于电芯间隙位置。冷却液从入口进入，通过主通道后再由喷射孔喷入浸没系统内部，实现对电池包的持续冷却。喷射孔孔径D=5 mm，孔长L=4D。同列电芯间隙为0.5D，异列电芯间隙为1.4D。为了实现浸没冷却液与电芯的充分接触，电芯底部预留高度3D。
1.2 浸没冷却液选型
冷却液作为浸没式系统的核心，由于直接浸泡电芯将其热量带走，其热物性能几乎直接决定了浸没系统的冷却性能。近些年来，氟化液不断被应用于电池浸没式冷却领域中。这主要是因为氟化液具有温控性能良好、绿色环保、介电常数低、材料兼容性良好等优势。因此，本工作选取了美国3M公司Novec7000型氟化液作为浸没冷却液，其主要热物性参数见表1。
表1 Novec7000热物性参数(20 ℃)
2 数值模拟
2.1 计算模型及边界条件
本工作计算模型如图1所示。表2和表3分别列出了计算边界条件和电芯热物性参数。电芯选取海辰铁锂280 Ah电芯，其物性参数来源于实验室测量。其中，电芯发热量由充放电倍率试验得到；密度由电芯质量和体积测算得到；热导率采用瞬变平面热源法测量；比热容根据热量法对电芯进行加热和测算得到。
表2 计算边界条件
表 3 电芯热物性参数
2.2 计算设置
本工作应用某热流体仿真软件，选取Realizable k-ε湍流模型计算。采用Coupled算法，将高精度二阶迎风格式应用于方程离散，确保计算稳定收敛。同时设定严格的残差标准确保计算的精确性，其中能量方程残差低于1.0×10-7，连续性、动量及湍流方程残差低于1.0×10-5。监控电芯体平均温度，确保残差收敛时各监测电芯的体平均温度值达到稳定。
2.3 网格生成和无关性验证
本工作应用高精度多面体-六面体核心网格分别对浸没流体区和电芯固体区进行网格划分，生成网格情况如图2所示。为确保网格精度，需针对数值预测结果进行网格无关性验证，见表4。表4列出了5组不同数量的网格方案及其对应的电芯体平均温度预测情况。由预测结果可知，随着网格数量增多，预测温度不断变化，直至方案3、4和5时温度预测情况几乎一致。由此可见，当网格数量不少于方案3中时，电芯温度预测可认为达到稳定。综合计算精度和成本，最终确定方案3用于后续仿真计算，网格总数约为1845万。
表4 网格无关性验证方案及预测结果
3 结果与讨论
3.1 电池包浸没系统设计的仿真评估
首先针对本工作中研发设计的新型浸没电池包系统进行评估。图3展示了浸没系统下电池包表面温度分布。为了对比电池包温度特性，在相同流量等条件下，对电池包进行了间接式冷板冷却设计，其中液冷板置于电芯底部，并进行了仿真评估。图4展示了间接冷板冷却下电池包表面温度分布情况。通过图3和图4的对比分析发现：①在浸没冷却设计下，电芯整体温度分布在24～26 ℃，同时电芯顶底温度及相邻电芯温度一致性均保持较好；②在冷板冷却设计下，电芯整体温度分布在21～
34 ℃之间，尽管相邻电芯间温度一致性较好，但电芯顶底温度差异较大。
为了进一步定量描述电池包温度特性，分别选取电池包顶面和底面的最高温度，并将浸没式和冷板式下电池包的温度数据进行统计和比较，见表5。由表中数据分析可知：①在电池包顶面，相比冷板式冷却，浸没式冷却下电池包最高温度和最大温差分别降低了8.30 ℃和0.76 ℃，因此浸没式明显提升了电池包整体的温度性能；②在电池包底面，冷板式冷却由于液冷板直接接触导致底面温度偏低，浸没式冷却下电池包最高温度相比冷板式高了4.49 ℃，但最大温差基本相同；③对于每颗电芯，浸没式冷却下电芯顶底两面最大温差仅为1.06 ℃，相比冷板式冷却降低了11.55 ℃。因此浸没式冷却大幅度改善了冷板冷却时电芯顶底区域温差过大的问题。
表5 电池包浸没冷却系统温度数据(℃)
为了深入探究浸没系统中冷却液的流动情况，作水平经过喷射孔中线的截面1，如图5所示。
图6展示了截面1上的速度及流线分布情况。由图可知：在喷射孔的作用下，冷却液均几乎沿着垂直于进液通道的方向均匀喷入浸没系统中。均匀的冷却液循环流动是使得电池包温升和温差得到改善的根本原因。
3.2 冷却液入口流量影响
为了探究冷却液入口流量对于电池浸没式系统温度特性的影响，分别选取2.5 L/min、5 L/min、7.5 L/min和10 L/min四种流量工况进行对比评估。
为了方便对比不同工况下温升和温差的变化速率，在此规定温度变化率∆T=|T2-T1|/T1×100%，其中，下标1和2分别表示温度变化前后的工况，T则表示当前工况下的温度值。
图7展示了不同冷却液流量条件下电池包顶面最高温度分布。由图可以发现：①随着冷却液流量的增加，电池包顶面最高温度逐渐下降。冷却液流量平均每增加2.5 L/min，电池包最高温度下降约2.5 ℃。②不同冷却液流量阶段温升下降率有所差异，冷却液流量从2.5 L/min增加至10 L/min过程中，温升下降率分别为15.73%、6.74%、3.86%。因此在5 L/min之前，冷却液流量增加对于最高温度的削弱更有效，在此之后削弱作用逐渐减弱。
图8展示了不同冷却液流量条件下电池包顶面最大温差分布。由图可以发现：①最大温差变化趋势与最高温度相同，即随着冷却液流量的增加，最大温差显著下降。冷却液流量平均每增加2.5 L/min，电池包最高温度下降约0.76 ℃；②不同冷却液流量阶段温差下降率有所差异，冷却液流量从2.5 L/min增加至10 L/min过程中，温升下降率分别为47.35%、26.63%、25.00%。因此在5 L/min之前，冷却液流量增加对于最大温差的削弱更有效，在此之后削弱作用逐渐减弱。
为了分析不同冷却液入口流量下浸没系统的流场特征，图9展示了截面1上的速度分布情况。由图可知：①随着冷却液流量的增加，由喷射孔喷射出的冷却液速度显著提升。②冷却液速度的提升促使其向远离入口的浸没区域不断蔓延，因此浸没区域整体的流速提升。流速的提升有助于增强冷却液和电芯间的对流换热。这也是随着冷却液流量增加，电池系统的温度性能逐渐提升的根本原因。③流量增加，流场速度分布逐渐趋于相似[图9(c)、(d)]。这可以解释为何冷却液增加至5 L/min之后，其对于温度性能的提升作用逐渐减弱。
3.3 电芯间距影响
为了探究电芯间距大小对于浸没电池包温度的影响，规定三种电芯间距的计算工况，见表6。
表6 不同电芯间距的计算工况
图10展示了不同电芯间距下电池包顶面最高温度分布。由图可以发现：①随着电芯间距增加，电池包顶面最高温度呈现逐渐下降的趋势。异列间距平均增加0.7D，同列间距平均增加0.25D，最高温度平均下降了0.44 ℃。②随着电芯间距的增加，最高温度下降率分别为3.58%和1.36%。电芯间距增加对于最高温度的削弱作用逐渐降低。
图11展示了不同电芯间距下电池包顶面最大温差分布。由图可以发现：①随着电芯间距增加，电池包顶面最大温差也呈现逐渐下降的趋势。异列间距平均增加0.7D，同列间距平均增加0.25D，最大温差平均下降了0.47 ℃。②随着电芯间距的增加，最大温差下降率分别为26.84%和18.34%。电芯间距增加对于最大温差的削弱作用逐渐降低。整体来看，冷却液流量变化对于电池包温升和温差的影响程度高于电芯间隙的影响。
为了探究不同电芯间距下的浸没系统流场特性，作水平经过电池包的截面2，如图12所示。
图13对比了三种电芯间距下截面2上的速度分布。由图可知：随着电芯间距的增加，通过电芯间的流体速度逐渐提升，如图13(b)、(c)中白色虚线框中所示。间隙流速的增加有助于提升电芯与冷却液间的对流换热强度，因此浸没系统的温度性能不断提升。标准间隙和大间隙工况相比，电芯间流速大小差距逐渐缩小，这是间距增加至一定程度后对于温度性能提升作用被削弱的根本原因。
3.4 喷射孔数量影响
为了探究喷射孔数量对于浸没电池包温度的影响，规定两种喷射孔数量情况，见表7。
表7 不同喷射孔数量的计算工况
图14分别展示了工况2和4下的喷射孔具体情况。在初始工况2设计中，喷射孔仅布置于同列电芯间隙位置；而工况4在工况2的基础上，在每个电芯中间位置额外增加1个喷射孔，共计25个。
图15和图16分别展示了两种喷射孔数量下电芯顶面最高温度和最大温差情况。由图可知：①随着喷射孔数量增加1倍，最高温度仅略微削弱了0.14 ℃，温度下降率为0.93%；②随着喷射孔数量增加1倍，最大温差增加了1.24 ℃，温差增加率为73.37%。由此可见，喷射孔数量的增加几乎未对电池包最高温升产生影响，但显著增加了电池包最大温差。
为了深入探究喷射孔数量增多导致温差增大的原因，图17对比展示了两种工况下电芯顶面温度分布。由图可知：相比工况2，喷射孔数量的增加使得侧边区域的电芯冷却得到了明显改善，该区域部分位置温度降低至22～23 ℃，如图17(b)中红色虚线框中所示。由于其他区域温度范围并未发生改变，因此电池包内电芯间温差增加，温度一致性降低。
图18对比了喷射孔数量增加前后截面1上的流场速度分布情况。由图可知：喷射孔数量增加后，靠近喷射孔出口区域的流速显著增加，如图18(b)中白色虚线方框中所示。该区域正好对应图17中红色虚线框对应的电芯区域，流速的增加使得电芯表面的最低温度显著下降，因此造成了整体温差变大。
4 结 论
针对某型电池包，设计开发了适用于该电池包的新型浸没式散热系统，并通过数值仿真评估了浸没系统的流场特性及电池包的温度场特性。接着探究了浸没冷却液入口流量、电芯间隙和喷射孔数量变化对于电池包温度场的影响。主要结论如下：
（1）在当前设计的新型浸没冷却系统下，相比于间接式冷板冷却系统，电池包顶面最高温度和最大温差分别下降了8.30 ℃和0.76 ℃，冷却性能整体显著提升；同时浸没冷却下电芯顶底两面最大温差仅为1.41 ℃，相比冷板式下降了11.55 ℃，冷板冷却下电芯顶底温差过大的问题得到大幅度改善。
（2）随着浸没冷却液流量的增加，电池包顶面最高温度和最大温差均呈现显著下降的趋势。冷却液流量平均每增加2.5 L/min，电池包最高温度下降约2.5 ℃，最大温差下降约0.76 ℃；不同流量阶段电池包温升和温差下降率有所不同：当流量低于5 L/min时，温升和温差下降率较高，分别平均为15.73%和47.35%；当流量高于5 L/min时，温升和温差下降率逐渐降低，平均为5.30%和25.82%。
（3）随着电芯间距的增加，电池包顶面最高温度和最大温差均呈现略微下降的趋势。异列间距平均提升0.7D，且同列间距平均提升0.25D，电池包最高温度平均下降约0.44 ℃，最大温差平均下降约0.47 ℃；随着电芯间距的不断增加，温度和温升下降率呈逐渐下降的趋势，其中最高温差下降率分别为3.58%和1.36%，最大温差下降率分别为26.84%和18.34%。
（4）随着喷射孔数量增加1倍，电池包顶面最高温度略微下降了约0.14 ℃，最大温差显著提升了约1.24 ℃。
通讯作者：李岳峰（1995—），男，博士，工程师，研究方向为储能、发电机热管理及涡轮叶片主动热防护技术，E-mail：lyf0304@mail.ustc.edu.cn。