关键因素对储能浸没式锂电池包温度特性影响的研究

作者：李岳峰1,2(), 丁纬达1,2, 韦银涛1,2, 孙勇1,2, 饶庆1,2, 项峰1,2, 姚颖聪1    

单位：1. 运达能源科技集团股份有限公司；2. 运达智储科技(河北)有限公司

引用：李岳峰, 丁纬达, 韦银涛, 等. 关键因素对储能浸没式锂电池包温度特性影响的研究[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(1): 152-161.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0638

本文亮点：1. 创新设计了一种新型的浸没式电池包热管理系统；2. 以往研究缺乏对于浸没式关键参数影响的系统研究，本工作深入探究了三种关键参数对于电池包温度特性的影响。

摘 要 随着储能电池热管理技术的不断迭代和创新，直接浸没式液冷技术展现了极大的应用潜力。相比间接冷板液冷技术，直接浸没式液冷技术在电池换热和均温上取得了极大的突破。在目前，虽然关于电池浸没式冷却的研究层出不穷，但仍缺乏关键影响因素对于浸没式电池包温度特性研究的系统归纳和全面研究。因此，本工作以自研新型浸没式电池包系统为基础，通过数值仿真分别探究了冷却液类型、电芯发热量和流道结构对于浸没式系统温度特性的影响。研究发现：氟化液作为浸没冷却液具有最佳的温度性能表现，其次是硅油和矿物质油。决定冷却液性能的关键参数在于流体运动黏度；相比冷板式，浸没式在低中高充放倍率下均展现了更优异的冷却性能，且在中高电芯发热量时浸没式对于电池温度性能的提升更为明显。1 C条件下，浸没式电池包最高温度、最大温差和顶底最大温差分别降低了27.26 ℃、1.76 ℃和32.03 ℃；流道结构显著提高了电池包的温度性能；相比无流道，带流道结构的电池包最高温度、最大温差和顶底最大温差分别降低了3.34 ℃、2.65 ℃和1.54 ℃。主要是因为流道结构通过改变电池包内流线的空间分布从而改善了冷却液分布的均匀性。本研究为今后浸没式电池包的热设计及电芯和冷却液的选型提供了参考和热流场规律总结。

关键词 储能电池；浸没式冷却；冷却液；发热量；流道

电化学储能技术因其可有效弥补新能源波动性和间歇性等短板，当前已成为新能源高速发展和变革的稳定助力。其中，锂离子电池作为主要的电化学能量存储设备，其温度性能极大影响着储能系统的性能、寿命和安全。因此，锂离子电池需要进行严格的热管理系统设计。

目前，间接液冷技术凭借其综合优势，已成为储能领域中普遍采用的热管理技术。间接液冷技术通过冷板作为媒介，将热量传递给冷却液，从而实现电池散热。然而随着电池容量增大、数量增多和大倍率充放电等需求的不断增加，电池发热量显著提升。这对锂电池热管理系统的设计提出了严峻的挑战，因为间接液冷技术可能在今后将无法满足电池散热需求。基于上述问题考虑，近年来研究人员开发了浸没式液冷技术，即：将电池直接浸没在冷却液中，两者充分接触后将热量转移。相比间接液冷技术，浸没式技术抛弃液冷板，理论上热阻更小，冷却效率更高。

近年来关于电池浸没式技术的研究工作层出不穷。曾少鸿等针对浸没式冷却液选型、实现方案和热失控抑制等方面作了详细的总结和分析，并提出了浸没式未来可能的发展方向；姜威等针对浸没式电池组进行了非稳态工况下的流动沸腾传热特性的机理研究；张进强等通过实验研究了动静态条件下环温、流量和油量对绝缘油浸没式电池模组温升特性的影响；吴成会等和汪阳卿等设计了一个浸没式冷却实验系统，并与强制风冷实验系统进行对比分析。他们发现浸没式冷却条件下电池组的温升和温差均显著下降；刘周斌等和田钧等对比分析了传统间接式液冷和浸没式液冷的散热性能，并针对浸没式提出了优化方案；鲁南等利用绝缘油浸没加热电池，测试了不同低温环境下预热过程电池的温度性能参数和放电参数；王宁等分别设计了单管、双管、盘型三种不同冷却液分布器的电池箱，并采用仿真手段评估了各自的温度特性。裴波等对电池模块浸没式油冷散热方案进行了仿真研究，并得到了硅油流量参数对电池组散热的影响规律。

综合上述文献调研情况可知：尽管当前关于电池浸没式冷却的研究层出不穷，但仍然缺乏关键影响因素对于浸没电池包温度特性影响的全面研究。冷却液作为浸没式热管理系统的核心，由于直接与电芯接触，因此其热物性几乎完全决定了浸没电池包的温度性能；而作为电池系统最重要组成的电芯，其在不同充放电倍率下的发热量差异将直接导致浸没式冷却效果差异；同时电池包流道结构将对冷却液的循环流动和均匀分布起到关键作用。由此，有必要针对冷却液选型、电芯发热量差异和流道结构存在对于浸没电池包系统的影响情况进行深入研究。对此，本文以自研新型浸没式电池包系统为基础，通过数值仿真探究了冷却液类型、电芯发热量大小和流道结构对于浸没式系统温度特性的影响。本文旨在为今后储能浸没式热管理系统的设计和优化提供一系列的选型参考和热流场规律总结。

1 浸没电池包液冷系统

本工作选取自研新型浸没式电池包系统。其中，电池包由52颗方形磷酸铁锂280 Ah电芯构成。电芯完全浸没在冷却液中，冷却液通过出入口完成循环。在进液口区域设置了喷射通道，即流道结构。电池包系统高度设为H，喷射孔孔径设为D，则孔长为4D，电芯间隙为0.5D，模组间隙为1.4D，电芯底部预留高度3D。浸没式电池包系统的具体情况如图1所示。

2 影响因素描述

2.1 冷却液类型

冷却液作为浸没式锂电池热管理系统的核心，其热物性在很大程度上决定了锂电池系统的运行性能。近年来，各种类型的冷却液不断被尝试应用于电池浸没式的冷却设计中。在本工作中，选取了三种具有典型代表性的冷却液，即：氟化液、硅油和矿物质油，分别评估其对于浸没式电池包温度性能的影响。冷却液热物性参数详见表1。

表1   冷却液热物性参数(20 ℃)

2.2 电芯发热量

在不同充放电倍率下，由于电芯发热量有所差异，因此浸没式电池包的散热表现也不尽相同。为了全面评估浸没式系统对不同电芯发热量的适应情况，本工作选取了三种典型充放电倍率下电芯的最大发热量，对比了间接式和冷板式的温度性能差异。不同充放电倍率下电芯最大发热量数据详见表2。

表2   不同充放电倍率下电芯最大发热量

2.3 流道结构

在电池包内，流道结构通过改变冷却液循环方式从而影响电池包温度性能。在本工作中，对比研究了有无流道对于电池包温度性能的影响情况。流道结构详见图2。

3 数值模拟

3.1 仿真模型、边界条件和物性参数设定

仿真模型详见图1。冷却液入口设定为流量入口，数值固定为5 L/min，初始温度设定为20 ℃；冷却液出口设定为压力出口。在探究冷却液类型和流道结构影响时，电芯工况固定为0.5 C发热量工况，发热量大小详见表2。电芯物性参数来源于实验室测定，其热物性参数详见表3。

表 3   电芯热物性参数

3.2 仿真设置

本工作采用某专业热流体仿真软件进行稳态流固耦合计算，湍流模型选取Realizable k - ε。将高精度的二阶迎风格式用于方程离散，同时采用Coupled算法保证计算稳定收敛。通过监控特定电芯温度确保残差收敛后各监控温度值达到稳定。

3.3 网格生成和独立性测试

分别对流体区域和固体区域进行网格划分，生成的多面体网格如图3所示。

为了保证计算准确度，需要进行网格独立性测试，测试方案详见表4。由表4的预测结果可知，电芯平均温度随着网格数量的变化而变化。直到网格数量达到方案3和4时，温度预测情况基本达到稳定。从计算精度和成本角度综合考虑，选定网格方案3用于仿真计算。

表4   网格独立性测试方案和预测结果

3.4 温度特性衡量指标

本研究中温度特性衡量指标如下：①电池包整体最高温度。该指标用于衡量电池包整体温度水平；②电池包整体最大温差。该指标用于衡量电池包整体温度的一致性水平；③电芯顶底两面最大温差。由于传统冷板技术下电池包顶底温差较大，因此引入该指标用于衡量浸没式对于顶底温差一致性的改善情况。

4 结果与讨论

4.1 不同冷却液类型下浸没式电池包系统温度性能评估

图4展示了不同冷却液下浸没电池包顶部温度分布云图。由图可知：①氟化液条件下电芯顶部温度分布在24~26 ℃，温度分布具有良好的一致性；②硅油和矿物质油下，电芯顶部最高温度均超过30 ℃，同时最低温度不低于21 ℃。因此硅油和矿物质油条件下电池包温度一致性较差，尤其是矿物质油。

图5定量展示了不同冷却液下电池包最高温度对比。由图可知：①氟化液、硅油和矿物质油条件下，电池最高温度分别为25.83 ℃，31.99 ℃和40.03 ℃，电池最高温度呈逐渐升高的趋势；②以氟化液为基准，硅油和矿物质油下电池最高温度分别提升了23.85%和54.97%。

图6定量展示了不同冷却液下电池包最大温差对比。由图可知：①氟化液、硅油和矿物质油条件下，电池最大温差分别为1.69 ℃，9.47 ℃和19.5 ℃，电池最大温差呈逐渐升高的趋势；②以氟化液为基准，硅油和矿物质油下电池最大温差分别提高了5.60倍和11.54倍。

图7定量展示了不同冷却液下电池包顶底最大温差对比。由图可知：①氟化液、硅油和矿物质油条件下，电池顶底最大温差分别为1.06 ℃，7.59 ℃和19.86 ℃，电池顶底最大温差呈逐渐升高的趋势；②以氟化液为基准，硅油和矿物质油下电池顶底最大温差分别提高了7.16倍和18.74倍。

综上可知，氟化液具有最佳的温度性能表现，其次是硅油，最后是矿物质油。三种冷却液下温度性能表现差异可由冷却液热物性差异解释。不同温度下，三种冷却液运动黏度和导热系数随温度变化情况如表5和表6所示。由表可知：相比氟化液，硅油和矿物质油在不同温度下均具有更高的运动黏度，达到氟化液的20~60倍。而导热系数仅达到氟化液的约1.8倍。过高的运动黏度不利于流体流动，进而限制了冷却液和电芯间的热交换，因此硅油和矿物质油下电池包散热性能显著削弱。所以相比冷却液导热系数等参数，运动黏度是影响本工作不同冷却液下电池温度性能的首要因素。

表5   不同温度下三种冷却液运动黏度数值

表6   不同温度下三种冷却液导热系数数值

4.2 不同电芯发热量下浸没式电池包系统温度性能评估

图8对比展示了不同电芯发热量下冷板式和浸没式电池顶部温度云图。由图可知：①0.25 C时，当电芯发热量较低时，冷板式和浸没式温度差异较小，电芯顶部温度范围分别在23~25 ℃和21~23 ℃；②0.5 C和1 C时，冷板式和浸没式温度逐渐提高，但冷板式温度提升程度更高，因此两者温度分布差距逐渐扩大。

图9对比展示了不同电芯发热量下冷板式和浸没式电池最高温度。由图可知：①三种充放电倍率下，浸没式电池最高温度均低于冷板式，但不同倍率下降低程度有所差异；②0.25 C时，电芯较低发热量下浸没式和冷板式差异较小，最高温度分别为22.18 ℃和24.78 ℃，最高温度仅相差2.6 ℃；③0.5 C时，浸没式和冷板式最高温度差异增大，最高温度分别为25.83 ℃和34.13 ℃，最高温度相差8.3 ℃；④1 C时，浸没式和冷板式最高温度差异达到最大，最高温度分别为38.47 ℃和65.73 ℃，最高温度相差27.26 ℃。浸没式对于最高温度的降低效果随着充放电倍率的增加而增大。

图10对比展示了不同电芯发热量下冷板式和浸没式电池最大温差。由图可知：随着倍率提升，电芯发热量增加使得冷板式和浸没式的最大温差差异逐渐增大，但浸没式最大温差始终低于冷板式；从0.25 C增加到1 C，相比冷板式，浸没式下电池包最大温差分别降低了0.19 ℃、0.76 ℃和1.76 ℃。浸没式对于最大温差的削弱效果随着充电倍率的增加而提升。

图11对比展示了不同电芯发热量下冷板式和浸没式电池顶底最大温差。由图可知：随着倍率提升，电芯发热量增加使得冷板式和浸没式的顶底最大温差差异逐渐增大，但浸没式顶底温差始终低于冷板式；从0.25 C增加到1 C，相比冷板式，浸没式下电池包顶底最大温差分别降低了3.35 ℃、11.55 ℃和32.03 ℃。浸没式下电芯顶底温差始终保持在较低的程度，且相比于冷板式，随着充放电倍率的增加浸没式对于顶底温差的削弱作用逐渐提升。

综上可知，相比冷板式，浸没式在低中高充放倍率下均展现了更优异的冷却性能。这证明浸没式对于各种发热量的电池系统具有更好的适应性；浸没式在低充放电倍率下与冷板式的差异较小，但在中高充放倍率下温度性能提升显著。这说明浸没式更适用于高发热量的电池系统；浸没式对于降低电池顶底温差具有显著的效果，发热量从0.25 C提升至1 C，顶底温差仅升高了3.26 ℃。

4.3 有无流道结构下浸没式电池包系统温度性能评估

图12展示了有无流道下电池顶底两面的温度云图。由图可知，在包内无流道时，电芯顶面两侧出现了两个高温区域[图12(a)中红色区域]，该区域温度达到了28 ℃以上。在电芯底面两侧区域也出现了高温区域，温度达到了27~28 ℃；在包内设置流道后，原高温区域消失，电池包顶底两面温度分布十分均匀，温度范围控制在24~26 ℃。

图13展示了有无流道下电池最高温度情况。有无流道下，电池最高温度分别为25.83 ℃和29.17 ℃，流道使得电池最高温度降低了3.34 ℃。

图14展示了有无流道下电池最大温差情况。有无流道下，电池最大温差分别为1.69 ℃和4.34 ℃，流道使得最大温差降低了2.65 ℃。

图15展示了有无流道下电池顶底最大温差情况。有无流道下，电池顶底最大温差分别为1.06 ℃和2.60 ℃，流道使得顶底最大温差降低了1.54 ℃。

流道结构对于包内温度的改善可由流线分布解释。图16展示了有无流道下电池包流线分布对比。由图16(a)可以发现：无流道时，流线主要聚集在中部区域，且在该区域内冷却液流速较高；同时在两侧形成了低速流线区域，且该区域流线数量较少，这对应了图12(a)中的高温区域。由图16(b)可以发现：有流道时，在流道喷射孔的作用下，流线相对均匀地分布在电池包各处，且各处流速分布较为均匀。这使得电池包内的冷却液分布更加均匀，因此电池包冷却性能显著提升。

5 结 论

本文针对自研新型浸没式电池包，通过数值模拟的方法探究了冷却液选型、电芯发热量和流道结构对于浸没系统温度特性的影响。本工作主要结论如下。

（1）氟化液具有最佳的温度性能表现，其次是硅油，最后是矿物质油。以氟化液为基准，硅油和矿物质油下电池最高温度分别提高了23.85%和54.97%；最大温差分别提高了5.6倍和11.54倍；顶底最大温差分别提高了7.16倍和18.74倍。相比导热系数等参数，运动黏度是影响本文不同冷却液下电池温度性能的首要因素。

（2）相比冷板式，浸没式在低中高充放倍率下均展现了更优异的冷却性能。浸没式在电芯低发热量下与冷板式的温度性能差异较小，其优势主要体现在中高电芯发热量时。从0.25 C增加到1 C，相比冷板式，浸没式电池包最高温度分别降低了2.6 ℃、8.3 ℃和27.26 ℃；最大温差分别降低了0.19 ℃、0.76 ℃和1.76 ℃；顶底最大温差分别降低了3.35 ℃、11.55 ℃和32.03 ℃。

（3）流道结构显著提高了电池包的温度性能。相比无流道下，带流道结构的电池包最高温度降低了3.34 ℃，最大温差降低了2.65 ℃，顶底最大温差降低了1.54 ℃。流道结构通过改变电池包内流线的空间分布从而改善了冷却液分布的均匀性，这是电池包温度性能提升的根本原因。