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摘 要 随着储能需求的快速增长，单体电池容量越来越大，大容量电池逐渐成为电化学储能系统的主流，然而对现有电池组冷却系统的研究仍集中在小容量电池系统。本工作对280 Ah大容量电池组浸没式液冷系统进行研究，探讨了电池间距，冷却液进出口方式、进口流速、种类对冷却性能的影响，进一步分析了冷却液热物性参数对冷却效果的影响权重。结果表明：适当增加电池间距对浸没式液冷电池组冷却效果有积极影响，当电池间距由0增加至5 mm时，电池组最大温差ΔTmax、最高温度Tmax分别降低1.57 ℃、1.84 ℃；冷却液进口位置对ΔTmax和Tmax影响大于出口位置的影响，进口位置对电池箱体内流场影响大于出口位置的影响；ΔTmax和Tmax随进口流速增加而降低，进口流速由0.2 m/s增加至0.4 m/s时，ΔTmax和Tmax分别降低21.2%、8.0%；去离子水冷却效果最佳，硅油冷却效果最差，去离子水相较于硅油的ΔTmax和Tmax分别降低5.17 ℃、5.99 ℃；冷却液热物性参数对电池组冷却效果影响权重依次为密度、比热容、热导率和动力黏度。本研究结果对大容量电池组浸没式液冷系统设计具有一定指导意义。

关键词 浸没式冷却；电池热管理；参数敏感性；数值模拟

全球能源危机加剧，由化石能源向可再生能源转型已成为各国的共同目标。然而，以风电、光电为主的可再生能源存在波动性、间歇性、不可预测性等缺陷导致电力系统出现调峰难、外送难和消纳难等问题，严重阻碍了可再生能源领域的可持续发展。作为解决这些难题的有效手段，储能技术因其承载能力和调节能力日益得到青睐，特别是电化学储能集快速响应、能量时移、布置灵活等特点于一体，对保障电力系统稳定、构建新型电力系统、促进能源低碳转型起到关键性作用。

在电化学储能中，锂电池具有比能量高、环境污染小、循环特性好等优点，并且随着制造工艺日渐成熟，制作成本不断降低，在储能应用中具备明显优势。然而，锂电池在进行充放电时会释放大量的热量，过高或过低的工作温度和过大的温差将会直接影响锂电池的性能和安全性。据报道，锂电池最佳工作温度为15~35 ℃，电池组中各电池单体之间最大温差不宜超过5 ℃。因此，高效的电池热管理系统(battery thermal management system, BTMS)在调节电池温升和温差中至关重要。

根据传热介质的不同，电池热管理系统可分为以下几种方式：空气冷却、相变材料(phase change material, PCM)冷却和液体冷却。空气冷却具有结构简单、成本低等优势，然而空气的热导率、比热容远低于液体，无法将电池产生的热量进行高效散热，其均温性与温控效果已然无法满足需求。相变材料冷却具有温控效果好、散热效率高等优点，但由于结构复杂、力学性能差、成本高等缺点无法进行广泛应用。液体冷却根据接触方式分为间接液冷与直接液冷。间接液冷，又称为冷板式液冷，电池充放电过程所产生热量被冷板中的冷却介质所带走，进而实现电池组的散热。直接液冷，又称为浸没式液冷，通过将电池浸入介电流体中来冷却电池。与其他散热方式相比，浸没式液冷电池组与介电流体直接接触，具备接触热阻小、传热面积大、冷却效率高、结构紧凑等优势，并且能够有效抑制电池热失控的发生。国内外学者从冷却效果、电池组结构、冷却液流动特性等方面对浸没式液冷进行了详细研究。例如，吴成会等实验对比了2.0 Ah容量电池在浸没系统和强制风冷系统下的散热效果差异，单体电池在3 C、5 C放电倍率下，浸没冷却的电池最高温度较强制风冷分别降低2.36 ℃和6.45 ℃；Tan等针对3.2 Ah容量电池组提出多层结构和交叉流动配置流道，最大温差和温度标准偏差可分别降低18.1%和25.0%。Dubey等对比了4.8 Ah容量电池在浸没式模型和冷板式模型下，放电倍率和冷却液流量对电池组散热影响，2 C放电倍率时浸没系统的最大温升约为冷板系统的50%。然而，现有研究主要集中在应用于新能源汽车等场景的小型动力型电池。与动力型电池不同，储能型电池具有更大容量，同一充放电倍率情况下所产生的热量更多，运行安全稳定性、循环寿命要求更高。已有的动力型电池浸没式液冷研究结果不能完全推广至储能型电池热管理应用中。

针对上述研究现状，本工作以某大容量电池包为研究对象，通过数值模拟研究了电池排列间距，冷却液进出口方式、进口流速、种类等因素对液冷系统冷却效果的影响。在此基础上深入研究了冷却液热物性参数对电池组温度的影响权重，旨在为今后储能电池浸没式液冷的创新研究以及实际开发提供一定的设计参考思路。

1 储能电池组数理模型

1.1 物理模型

电池浸没式液冷系统工作原理，如图1所示。储能电池直接浸没在冷却液中，冷却液在循环泵的驱动下在电池箱体和换热器间循环流动，将储能电池的发热量通过二次侧冷却设备传递出去。本工作选取的电池组模型，如图2所示。电池为方形铝壳磷酸铁锂(3.2 V/280 Ah)，单体尺寸为204 mm×174 mm×72 mm(Hb×Wb×Tb)，按照4×13的排布方式排列。电池箱体高度H为230 mm，电池组与箱体壁面距离d1为25 mm，电池竖排间距d2为10 mm，电池横排间距di在0~10 mm之间变化。冷却液进出口方式采用异侧单进单出，根据进出口高度不同形成不同流道结构，如图3所示。不同冷却液进出口方式见表1。

图1   工作原理图

图2   模型示意图

图3   冷却液进出口布置

表1   冷却液进出口高度距电池箱体底部的距离单位：mm

1.2 数学模型

1.2.1 电池产热模型

在实际情况中，电池的产热过程十分复杂。为了简化分析，本工作假设电池内部材料均匀分布，电池内部发热均匀，材料的物性参数不随温度的变化而变化，忽略辐射传热和电池内部对流。

表2   电池参数表

1.2.2 电池产热模型验证

将1 C放电倍率下电池各表面平均温度的数值模拟结果与文献[23]实验结果相对比，结果如图4所示。在放电初期，模拟值与文献[23]实验值吻合良好，直至放电结束，电池表面平均温度模拟值与实验值分别为34.9 ℃、33.2 ℃，最大误差为5.1%，表明所建立的电池产热模型能够较好地呈现电池实际产热过程。

图4   电池平均温度模拟值与文献[23]实验值对比

1.2.3 控制方程

计算过程中满足的控制方程见式(3)~(6)。

1.3 初始条件与边界条件

利用Fluent软件对电池箱体内冷却液的流动和传热过程进行数值计算。初始和环境温度为25 ℃，电池采用1 C倍率放电，冷却液进口为速度入口，进口温度为25 ℃，出口为压力出口，操作压力为101325 Pa。忽略辐射换热和接触热阻，电池箱与外界环境采用第三类边界条件。环境空气进行自然对流传热时，传热系数取5 W/(m2·K)。

1.4 网格生成与网格无关性验证

本工作应用多面体网格对冷却液流体区域与电池固体区域进行网格划分，网格生成，如图5所示。以冷却液进出口方式Case5为例，冷却液进口流速取0.4 m/s，电池横排间距di=5 mm，以电池组最高温度Tmax和电池组最大温差ΔTmax对网格独立性进行检验。结果如图6所示，随着网格数量的增加，Tmax和ΔTmax趋于稳定，当网格数量增加到605×104后，继续增加网格数量，结果变化均不明显。以网格数量为605×104得到的Tmax和ΔTmax为基准，继续增加网格数量对应的Tmax和ΔTmax与其之间的相对误差均不超过1%。考虑到结果的准确性与计算经济性，选取网格数量605×104作为后续计算的基准网格数。

图5   网格示意图

图6   网格无关性验证

2 结果与讨论

2.1 电池组横排间距对电池温升特性的影响

为了研究电池横排间距di对电池组冷却效果的影响，选用进出口方式Case5、进口流速0.4 m/s、进出口管径40 mm的模型为研究对象，分别设置电池横排间距di为0、2.5 mm、5 mm、7.5 mm、10 mm五种方式。计算结果如图7所示。电池组最大温差ΔTmax、最高温度Tmax随着电池间距di的增加先降低后增大。间距为0时，ΔTmax、Tmax分别为10.94 ℃、37.19 ℃，此时电池与冷却液之间总换热面积最小，因此电池组之间最大温差和最大温度均为最大值。间距增加至2.5 mm时，电池与冷却液之间换热面积增加，ΔTmax、Tmax分别降低至10.64 ℃、36.61 ℃。但增大电池间距至7.5 mm及以上时，ΔTmax、Tmax均会增大。

图7   电池间距对ΔTmax、Tmax的影响

为了进一步探究不同电池间距下浸没式液冷电池箱体内的换热特性，取电池组高度方向z=102 mm截面1处的速度分布，如图8所示。由图8可知，随着电池间距的增加，电池与冷却液之间换热面积保持不变(di=0时除外)，增加电池间距降低了冷却液的流动阻力，冷却液流动过程中能量损失减少，有利于电池组与冷却液之间的换热。此外，在流量不变的情况下，增加电池间距降低冷却液流速，减弱了电池组与冷却液之间的换热。在两种因素的共同作用下，在间距小于5 mm的情况下，冷却液对电池组的冷却效果随电池间距增大而增强，当电池间距增加至5 mm时，ΔTmax、Tmax分别为9.37 ℃、35.35 ℃，电池组冷却效果最佳。在间距大于5 mm的情况下，电池间距继续增加，冷却液对电池组的冷却效果逐渐减弱。间距为10 mm时，ΔTmax、Tmax分别增大到9.86 ℃、35.75 ℃，与5 mm间距时相比分别上升5.2%、1.1%。

图8   z=102 mm处不同间距的流速云图 (a) 截面1 z=102 mm示意图，(b) 0，(c) 2.5 mm，(d) 5 mm，(e) 7.5 mm，(f) 10 mm

2.2 进出口方式对电池组温升特性的影响

为了研究冷却液进出口方式对电池组冷却效果的影响，选用冷却效果最优的电池横排间距di=5 mm、进口流速0.4 m/s、进出口管径40 mm的模型为研究对象。进出口位置选取为表1所示9种方式。不同进出口位置下电池组最大温差ΔTmax和最高温度Tmax如图9所示。进口高度为102 mm，出口高度不同模型Case4、Case5、Case6的最大温差ΔTmax和最高温度Tmax分别为9.32 ℃、9.38 ℃、9.41 ℃和35.29 ℃、35.35 ℃、35.39 ℃，出口高度的改变对最大温差ΔTmax和最高温度Tmax的影响不明显，Case4的最大温差ΔTmax相较于模型Case5、Case6分别降低0.6%、0.9%。出口高度为182 mm，进口高度不同的Case1、Case4、Case7三个模型中，最大温差ΔTmax和最高温度Tmax随进口高度的降低先减小后增大，进口高度为102 mm时的最大温差ΔTmax相较于182 mm和20 mm的两种模型分别降低5.6%和4.2%。

图9   冷却液进出口方式对ΔTmax、Tmax的影响

为探究不同进出口方式下浸没式液冷电池箱体内的流场特性，作截面2(x=388 mm)，如图10所示。截面2处的速度分布、涡度分布分别如图11、图12所示。由图可知，冷却液在进口位置附近产生涡流，涡流位置和涡度随进口位置的变化而不同。以Case1、Case4、Case7为例，涡流位置分别出现在冷却液进口的下方、两侧和上方，Case4所产生的涡度区域较Case1、Case7分别提高21.0%、23.5%，表明Case4较Case1、Case7两种情况对电池箱体内冷却液扰动更为剧烈。对比冷却液进口位置相同、出口位置不同的模型Case1、Case2和Case3，出口位置的不同并未明显影响冷却液的涡度大小、流线变化，故冷却液进口位置相较冷却液出口位置对电池组冷却效果影响更显著。

图10   截面2 x=388 mm

图11   不同进出口方式下截面2上的速度云图

图12   不同进出口方式下截面2上的涡度云图

2.3 冷却液进口流速对电池组温升特性的影响

为进一步研究冷却液进口流速对电池组冷却效果的影响，选用Case4、进出口管径40 mm、电池横排间距di=5 mm的模型为研究对象，冷却液进口流速分别为0.2 m/s、0.4 m/s、0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s。模拟结果如图13所示。电池组最大温差ΔTmax和最高温度Tmax随着流速的增加而降低，降幅逐渐减小。当流速从0.2 m/s提高至1.6 m/s，ΔTmax和Tmax分别从11.83 ℃和38.37 ℃降低至5.70 ℃和31.00 ℃。在此过程中，低流速时流速变化对ΔTmax和Tmax影响更明显，如流速由0.2 m/s增加至0.4 m/s，ΔTmax和Tmax分别降低2.51℃(21.2%)和3.07℃(8.0%)。而当流速由1.4 m/s增加至1.6 m/s时，ΔTmax和Tmax分别降低0.12 ℃(2.0%)和0.15 ℃(0.5%)。低流速(≤0.6 m/s)下，电池组直至放电结束时，ΔTmax和Tmax依旧保持升高趋势。高流速(≥0.8 m/s)下，ΔTmax和Tmax至放电结束时已经趋于稳定，电池温度达到稳定状态的时间随着流速的增加而缩短，流速0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s达到稳定的时间分别为3500 s、3250 s、3050 s、2900 s、2750 s。

图13   不同进口流速下电池组温升特性 (a) 流速对Tmax的影响；(b) 流速对ΔTmax的影响

图14对比了放电结束时不同流速下电池组温度分布，流速由0.2 m/s增加至0.4 m/s时，电池组温度云图变化最为明显。在相同充放电倍率下，电池组产热量一定，随着流速的增加，冷却液与电池组强制对流换热增强，电池组ΔTmax和Tmax随之降低，对流换热强化效果随流速增加而减小。

图14   不同进口流速下电池组温度云图 (a) 0.2 m/s，(b) 0.4 m/s，(c) 0.6 m/s，(d) 0.8 m/s，(e) 1.0 m/s，(f) 1.2 m/s，(g) 1.4 m/s，(h) 1.6 m/s

2.4 冷却液种类对电池组温升特性的影响

冷却液作为浸没式液冷的重要组成部分，对电池冷却效果的影响至关重要。为了研究冷却液种类对电池组冷却效果的影响，选用合成油、MIVOLT-DF7、FC-72、去离子水、硅油5种典型冷却液，物性参数，如表4所示。合成油参数由厂家提供，其他种类的冷却液参数参考文献[29]。选用模型Case4、进出口管径40 mm、电池横排间距5 mm、进口流速1.6 m/s为研究工况。

表4   浸没式冷却液物性参数

2.4.1 冷却液物性参数对电池组温升特性的影响

模拟结果如图15所示。去离子水表现出最佳的冷却效果，ΔTmax、Tmax分别为3.61 ℃和28.64 ℃，满足电池组的最大温差需求，其较低的运动黏度和较高的热导率、比热容有效增强了冷却液与电池组之间的换热效果。硅油的冷却效果最差，ΔTmax、Tmax分别达到8.78 ℃、34.63 ℃，相较于去离子水增加143.2%、20.9%。合成油、MIVOLT-DF7、FC-72三种冷却液冷却效果相近，ΔTmax和Tmax分别为5.72 ℃、6.22 ℃、6.02 ℃和30.93 ℃、31.74 ℃、31.11 ℃。图16展示了不同冷却液种类对进出口压降ΔP和电池表面传热系数h的影响。进出口压降ΔP主要由密度与动力黏度影响。密度影响输送冷却液所需动能，动力黏度影响冷却液流动过程的动能损失。5种冷却液中，合成油的进出口压降ΔP最小为2543 Pa，FC-72的进出口压降ΔP最大为4865 Pa，相较于合成油增加91.3%。表面传热系数h表征对流换热过程强弱，反映电池表面与冷却液的热交换程度。表面传热系数h与ΔTmax、Tmax成反比，硅油的表面传热系数h最低为18.81 W/(m2·K)，去离子水的表面传热系数h最高为22.69 W/(m2·K)。5种冷却液冷却性能由强到弱依次为：去离子水、合成油、FC-72、MIVOLT-DF7、硅油。

图15   冷却液种类对ΔTmax、Tmax的影响

图16   冷却液种类对压降和电池表面传热系数的影响

2.4.2 冷却液物性参数敏感性分析

由上述内容可知，影响冷却液换热效果的热物性参数主要包括密度、比热容、热导率、动力黏度，为了研究各参数对冷却效果的影响，以表4中冷却效果较好的合成油和去离子水为基准，在保持其他参数不变的情况下，研究各物性参数变化时电池组最大温差ΔTmax和最高温度Tmax的变化。根据初始条件不同分为A、B两组工况，A组工况中冷却液种类为合成油、进口流速为1.2 m/s、进出口方式为模型Case5；B组工况中冷却液种类为去离子水、进口流速为1.6 m/s、进出口方式为模型Case4。

模拟结果如图17所示。最大温差ΔTmax随着密度、比热容、热导率的增大而减小、随着动力黏度的增大而增大。其中，密度的变化对最大温差ΔTmax影响最大，密度由合成油、去离子水密度的60%变化至140%时，最大温差ΔTmax分别由7.65 ℃、4.65 ℃减小至5.2 ℃和3.06 ℃，降低32%和34%。密度的提高会引起进口动能增大，电池箱体内冷却液扰动更加剧烈。同时，密度的提高也会使得单位体积内流体的储热能力增强，在以上两种因素的共同作用下，密度变化对温差ΔTmax表现出最大的影响，但密度的提高会引起输送动力的增大。比热容变化对最大温差ΔTmax的影响次之，比热容由合成油、去离子水比热容的60%变化至140%时，最大温差ΔTmax由7.42 ℃、4.29 ℃减小至5.26 ℃和3.24 ℃，降低29%和24%。比热容的提高使得单位体积内流体的储热能力增强，同样温差下吸收的热量更多，冷却效果更好。热导率变化对最大温差ΔTmax影响较小，热导率由合成油、去离子水热导率的60%变化至140%时，最大温差ΔTmax由6.89 ℃、4.02 ℃减小至5.48 ℃和3.35 ℃，降低20%和17%。热导率的提高使得热边界层热阻降低，强化换热效果。动力黏度变化对最大温差ΔTmax影响相反，动力黏度由合成油、去离子水动力黏度的60%变化至140%时，最大温差ΔTmax由5.7 ℃、3.22 ℃增加至6.2 ℃和3.75 ℃，提高9%和16%，动力黏度表征流体在外力作用下，流体内部抵抗流动阻力的大小，动力黏度越大，流动阻力越大，对流换热效果越差。冷却液4种热物性参数对电池组冷却效果影响权重依次为：密度>比热容>热导率>动力黏度。

图17   冷却液物性参数变化对ΔTmax的影响 (a) A组工况； (b) B组工况

3 结 论

本工作对280 Ah大容量方形磷酸铁锂电池组在浸没式液体冷却方式下的温升特性进行数值仿真研究。研究了放电倍率1 C下电池间距、冷却液进出口方式、进口流速、种类等不同因素对电池组温度场分布特性的影响，主要结论如下。

（1）合适的电池间距对电池组冷却效果有积极影响，电池间距5 mm冷却效果最佳，相比于间距为0时，ΔTmax和Tmax分别下降1.57 ℃、1.84 ℃，继续增加电池间距反而对温控效果有抑制作用。

（2）进口位置对电池组冷却效果影响大于出口位置的影响，出口位置高度为182 mm时，进口位置高度从102 mm变化至182 mm和20 mm时，ΔTmax分别降低5.6%、4.2%；进口位置高度为102 mm时，出口位置高度从182 mm降低至102 mm和20 mm时，ΔTmax分别降低0.6%、0.9%。

（3）电池组ΔTmax和Tmax随着冷却液流速的增加而降低，降幅随流速增加逐渐减小。在低流速时流速变化对ΔTmax和Tmax影响更明显，流速由0.2 m/s增加至0.4 m/s时，ΔTmax和Tmax分别减小2.51 ℃和3.07 ℃，同比降低21.2%和8.0%。在高流速时流速变化对ΔTmax和Tmax影响较小，流速由1.4 m/s增加至1.6 m/s时，ΔTmax和Tmax分别减小0.12 ℃和0.15 ℃，同比降低2.0%和0.5%。

（4）对比合成油、MIVOLT-DF7、FC-72、去离子水、硅油五种冷却液对电池组的冷却效果，去离子水表现出最好的冷却效果，硅油冷却效果最差。冷却液热物性参数对浸没式液冷系统冷却效果的影响依次为：密度>比热容>热导率>动力黏度。