作家：李岳峰1,2(]article_adlist-->), 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

单元：1. 运达动力科技集团股份有限公司；2. 浙江省风力发电时间要点现实室

援用：李岳峰, 徐卫潘, 韦银涛, 等. 储能锂电板包浸没式液冷系统散热想象及热仿真分析[J]. 储能科学与时间, 2024, 13(10): 3534-3544. 

DOI：10.19799/j.cnki.2095-

4239.2024.0186

本文亮点：1.想象了一种新式的平直浸没式储能电板包液冷冷却系统，有用治理了以往盘曲冷板式液冷时间在冷却电板时存在的电芯温差过大等问题，且显耀提高了电板包举座温度性能；2.探究了浸没冷却液流量、电芯间距和喷射孔数目对浸没电板包温度场的影响，为今后储能电板浸没式的创新筹商和本色斥地提供一定的想象参考想路和热流场规定追想。

摘 要看成最主流的储能电板液冷时间，盘曲冷板冷却时间比较风冷时间天然已毕了在电板换热和均温后果上的冲破，但仍存在着电芯顶底区域温差过大、液冷管路轮回阻力过大和功耗过高级问题。为治理这些问题，本职责以某型电板包看成筹商对象，想象了一种新式的平直浸没式电板包冷却系统，即遴荐平直浸没式冷却时间将电板包平直置于冷却液中冷却。通过数值仿真对该浸没式系统进行了温度场和流场特色的评估，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目对于浸没电板包温度场的影响。筹商发现：比较于冷板冷却系统，浸没式冷却系统下电板包顶面最高温度和最大温差均显豁下落，系统举座冷却性能显耀提高；同期浸没电芯顶底区域最大温差大幅度缩小，有用治理了冷板冷却时存在的顶底区域温差过大的问题；跟着冷却液流量和电芯间距的增多，电板包顶面最高温度和最大温差均不同进程下落，但其温度下落率渐渐下落；喷射孔数目的增多使得电板包顶面最高温度稍许下落，但最大温差显豁提高。

关键词储能电板包；平直浸没式冷却；热特色

储能时间因其可为新动力提供有用的能量均衡和动力储备，已成为鼓吹天下动力发展和变革的主导力量。而锂离子电板凭借其高比能量、绿色无沾污等上风，庸俗应用于电化学储能系统中。电板热管束系统对锂电板的安全高效运行具有首要意旨，合理的热管束不仅能有用带漏电板充放电进程中的产热，幸免电板温渡过高，也不错提高电板使用寿命，提高系统运行遵守。

在咫尺储能领域中，液冷时间凭借更佳的温控后果等玄虚上风，已成为最主流的电板热管束时间。看成最熟习的液冷决策，冷板冷却时间期骗冷板将电板热量传递给闭塞在轮回管路中的冷却液，已毕热量的转换。看成一种“盘曲式”的液冷已毕决策，冷板时间比较风冷换热遵守显耀提高，均温性更佳。但其也存在一定舛错，如冷板位置各别导致电芯两头区域温差过大，电芯高发烧量时冷板存在管路轮回阻力过大和功耗过高级。

基于对冷板冷却不及之处的翻新想考，连年来，筹商东谈主员提议了一种“平直式”的液冷已毕决策，即浸没式液冷时间。浸没式冷却烧毁冷板，使电板与浸没冷却液平直构兵，将产热高效、快速、实时转换。比较盘曲冷板式冷却，平直浸没式冷却表面上热阻更小，冷却遵守更高，温度均匀性更好。

国表里学者针对电板浸没式开展了部分筹商职责。Wang等通过现实探究了不同浸没液温度和流量下浸没电板模组温度的瞬态变化情况；王宁等期骗仿真评估了单管、双管和盘型的扶持进液神气对于浸没模组最高温度的影响；吴成会等通过现实对比了单电芯在浸没系统和强制风冷系统下的散热后果各别；田钧等想象了一种模组浸没式系统，并与传统换热板时间进行了对比；刘周斌等通过仿真评估了不同流谈歧路数目下浸没式冷却系统的温度各别；姜威筹商了非稳态工况下电板模组浸没式流动隆盛的传热特色；饶钊筹商了低温环境下电板模组的预眷注况；卢乙彬等通过仿真分析了氟化液、硅油和矿物资油在浸没式冷却中的散热后果各别；裴波等通过仿真筹商了浸没电板的预热和散眷注况；张进强等通过现实筹商了不同充放电倍率下，浸没油量、环境温度及相差口位置对于浸没式模组温升特色的影响。

综上可知，由于电板浸没式冷却是一个新兴的筹商领域，现时相关筹商职责仍然处于起步阶段，精深筹商内容存在空缺。同期，现时对于电板浸没式的筹商仅限于几颗电芯或模组级别的冷却，仍莫得文件针对无缺电板包的冷却进行相关的浸没式预筹商和创新想象。

针对上述筹商状态，本职责以某电板包看成筹商对象，最初想象了适用于该电板包的浸没式新式散热系统，通过数值仿真评估了该系统的温度场和流场特色，并与相珍惜况下冷板冷却系统的温度特色进行了对比分析。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、电芯裂缝和喷射孔数目变化对于浸没电板包冷却后果的影响。本职责旨在为今后储能电板浸没式的创新筹商和本色斥地提供一定的想象参考想路和热流场规定追想。

1 电板包浸没冷却系统想象

1.1　电板包情况及浸没系统散热结构想象

本职责登科的储能锂电板包及浸没式液冷系统散热想象如图1所示。

电板包由4列模组组成，单个模组由13颗电芯组成，共52颗。其中，电芯步地为方形，材料为磷酸铁锂，长宽高尺寸分别为174.4 mm×71.5 mm×207 mm。电板包总共浸没在冷却液中，浸没式液冷系统的进口位于左上端，出口位于右下端。在进口侧想象了用于扶持进液的主通谈及分支的喷射孔，用来已毕相对均匀的轮回进液，其中喷射孔位于电芯裂缝位置。冷却液从进口干与，通过主通谈后再由喷射孔喷入浸没系统里面，已毕对电板包的合手续冷却。喷射孔孔径D=5 mm，孔长L=4D。同列电芯裂缝为0.5D，异列电芯裂缝为1.4D。为了已毕浸没冷却液与电芯的充分构兵，电芯底部预留高度3D。

1.2　浸没冷却液选型

冷却液看成浸没式系统的中枢，由于平直浸泡电芯将其热量带走，其热物性能险些平直决定了浸没系统的冷却性能。近些年来，氟化液连续被应用于电板浸没式冷却领域中。这主如果因为氟化液具有温控性能清雅、绿色环保、介电常数低、材料兼容性清雅等上风。因此，本职责登科了好意思国3M公司Novec7000型氟化液看成浸没冷却液，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　盘算模子及领域要求

本职责盘算模子如图1所示。表2和表3分别列出了盘算领域要求和电芯热物性参数。电芯登科海辰铁锂280 Ah电芯，其物性参数开头于现实室测量。其中，电芯发烧量由充放电倍率查验取得；密度由电芯质地和体积测算取得；热导率遴荐瞬变平面热源法测量；比热容证据热量法对电芯进行加热和测算取得。

表2   盘算领域要求

表 3   电芯热物性参数

2.2　盘算建树

本职责应用某热流体仿真软件，登科Realizable k-ε湍流模子盘算。遴荐Coupled算法，将高精度二阶逆风方法应用于方程阻碍，确保盘算沉稳连续。同期设定严格的残差举止确保盘算的精确性，其中能量方程残差低于1.0×10-7，畅通性、动量及湍流方程残差低于1.0×10-5。监控电芯体平均温度，确保残差连续时各监测电芯的体平均温度值达到沉稳。

2.3　网格生成和无关性考证

本职责应用高精度多面体-六面体中枢网格分别对浸没流体区和电芯固体区进行网格差异，生成网格情况如图2所示。为确保网格精度，需针对数值推测收尾进行网格无关性考证，见表4。表4列出了5组不同数目的网格决策很是对应的电芯体平均温度推测情况。由推测收尾可知，跟着网格数目增多，推测温度连续变化，直至决策3、4和5时温度推测情况险些一致。由此可见，当网格数目不少于决策3中时，电芯温度推测可以为达到沉稳。综共盘算精度和资本，最终笃定决策3用于后续仿真盘算，网格总额约为1845万。

表4   网格无关性考证决策及推测收尾

3 收尾与筹商

3.1　电板包浸没系统想象的仿真评估

最初针对本职责中研发想象的新式浸没电板包系统进行评估。图3展示了浸没系统下电板包名义温度漫衍。为了对比电板包温度特色，在疏导流量等要求下，对电板包进行了盘曲式冷板冷却想象，其中液冷板置于电芯底部，并进行了仿真评估。图4展示了盘曲冷板冷却下电板包名义温度漫衍情况。通过图3和图4的对比分析发现：①在浸没冷却想象下，电芯举座温度漫衍在24～26 ℃，同期电芯顶底温度及相邻电芯温度一致性均保合手较好；②在冷板冷却想象下，电芯举座温度漫衍在21～

34 ℃之间，尽管相邻电芯间温度一致性较好，但电芯顶底温度各别较大。

为了进一步定量态状电板包温度特色，分别登科电板包顶面和底面的最高温度，并将浸没式和冷板式下电板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在电板包顶面，比较冷板式冷却，浸没式冷却下电板包最高温度和最大温差分别裁减了8.30 ℃和0.76 ℃，因此浸没式显豁提高了电板包举座的温度性能；②在电板包底面，冷板式冷却由于液冷板平直构兵导致底面温度偏低，浸没式冷却下电板包最高温度比较冷板式高了4.49 ℃，但最大温差基本疏导；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 ℃，比较冷板式冷却裁减了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   电板包浸没冷却系统温度数据(℃)

图6展示了截面1上的速率及流线漫衍情况。由图可知：在喷射孔的作用下，冷却液均险些沿着垂直于进液通谈的场所均匀喷入浸没系统中。均匀的冷却液轮回流动是使得电板包温升和温差取得改善的根柢原因。

3.2　冷却液进口流量影响

为了探究冷却液进口流量对于电板浸没式系统温度特色的影响，分别登科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。

为了便捷对比不同工况下温升和温差的变化速率，在此章程温度变化率∆T=|T2-T1|/T1×100%，其中，下标1和2分别暗示温度变化前后的工况，T则暗示现时工况下的温度值。

图7展示了不同冷却液流量要求下电板包顶面最高温度漫衍。由图不错发现：①跟着冷却液流量的增多，电板包顶面最高温度渐渐下落。冷却液流量平均每增多2.5 L/min，电板包最高温度下落约2.5 ℃。②不同冷却液流量阶段温升下落率有所各别，冷却液流量从2.5 L/min增多至10 L/min进程中，温升下落率分别为15.73%、6.74%、3.86%。因此在5 L/min之前，冷却液流量增多对于最高温度的削弱更有用，在此之后削弱作用渐渐缓慢。

图8展示了不同冷却液流量要求下电板包顶面最大温差漫衍。由图不错发现：①最大温差变化趋势与最高温度疏导，即跟着冷却液流量的增多，最大温差显耀下落。冷却液流量平均每增多2.5 L/min，电板包最高温度下落约0.76 ℃；②不同冷却液流量阶段温差下落率有所各别，冷却液流量从2.5 L/min增多至10 L/min进程中，温升下落率分别为47.35%、26.63%、25.00%。因此在5 L/min之前，冷却液流量增多对于最大温差的削弱更有用，在此之后削弱作用渐渐缓慢。

为了分析不同冷却液进口流量下浸没系统的流场特征，图9展示了截面1上的速率漫衍情况。由图可知：①跟着冷却液流量的增多，由喷射孔喷射出的冷却液速率显耀提高。②冷却液速率的提高促使其向隔离进口的浸没区域连续膨大，因此浸没区域举座的流速提高。流速的提高有助于增强冷却液和电芯间的对流换热。这亦然跟着冷却液流量增多，电板系统的温度性能渐渐提高的根柢原因。③流量增多，流场速率漫衍渐渐趋于相通[图9(c)、(d)]。这不错阐述为何冷却液增多至5 L/min之后，其对于温度性能的提高作用渐渐缓慢。

3.3　电芯间距影响

为了探究电芯间距大小对于浸没电板包温度的影响，章程三种电芯间距的盘算工况，见表6。

表6   不同电芯间距的盘算工况

图10展示了不同电芯间距下电板包顶面最高温度漫衍。由图不错发现：①跟着电芯间距增多，电板包顶面最高温度呈现渐渐下落的趋势。异列间距平均增多0.7D，同列间距平均增多0.25D，最高温度平均下落了0.44 ℃。②跟着电芯间距的增多，最高温度下落率分别为3.58%和1.36%。电芯间距增多对于最高温度的削弱作用渐渐裁减。

图11展示了不同电芯间距下电板包顶面最大温差漫衍。由图不错发现：①跟着电芯间距增多，电板包顶面最大温差也呈现渐渐下落的趋势。异列间距平均增多0.7D，同列间距平均增多0.25D，最大温差平均下落了0.47 ℃。②跟着电芯间距的增多，最大温差下落率分别为26.84%和18.34%。电芯间距增多对于最大温差的削弱作用渐渐裁减。举座来看，冷却液流量变化对于电板包温升和温差的影响进程高于电芯裂缝的影响。

为了探究不同电芯间距下的浸没系统流场特色，作水平经过电板包的截面2，如图12所示。

图13对比了三种电芯间距下截面2上的速率漫衍。由图可知：跟着电芯间距的增多，通过电芯间的流体速率渐渐提高，如图13(b)、(c)中白色虚线框中所示。裂缝流速的增多有助于提高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连续提高。举止裂缝和大裂缝工况比较，电芯间流速大小差距渐渐缩小，这是间距增多至一定进程后对于温度性能提高作用被削弱的根柢原因。

3.4　喷射孔数目影响

为了探究喷射孔数目对于浸没电板包温度的影响，章程两种喷射孔数目情况，见表7。

表7   不同喷射孔数目的盘算工况

图14分别展示了工况2和4下的喷射孔具体情况。在运行工况2想象中，喷射孔仅叮咛于同列电芯裂缝位置；而工况4在工况2的基础上，在每个电芯中间位置特殊增多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目下电芯顶面最高温度和最大温差情况。由图可知：①跟着喷射孔数目增多1倍，最高温度仅稍许削弱了0.14 ℃，温度下落率为0.93%；②跟着喷射孔数目增多1倍，最大温差增多了1.24 ℃，温差增多率为73.37%。由此可见，喷射孔数目的增多险些未对电板包最高温升产生影响，但显耀增多了电板包最大温差。

为了长远探究喷射孔数目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漫衍。由图可知：比较工况2，喷射孔数目的增多使得侧边区域的电芯冷却取得了显豁改善，该区域部分位置温度裁减至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更动，因此电板包内电芯间温差增多，温度一致性裁减。

图18对比了喷射孔数目增多前后截面1上的流场速率漫衍情况。由图可知：喷射孔数目增多后，集结喷射孔出口区域的流速显耀增多，如图18(b)中白色虚线方框中所示。该区域恰恰对应图17中红色虚线框对应的电芯区域，流速的增多使得电芯名义的最低温度显耀下落，因此变成了举座温差变大。

4 结 论

针对某型电板包，想象斥地了适用于该电板包的新式浸没式散热系统，并通过数值仿真评估了浸没系统的流场特色及电板包的温度场特色。接着探究了浸没冷却液进口流量、电芯裂缝和喷射孔数目变化对于电板包温度场的影响。主要论断如下：

（1）在现时想象的新式浸没冷却系统下，比较于盘曲式冷板冷却系统，电板包顶面最高温度和最大温差分别下落了8.30 ℃和0.76 ℃，冷却性能举座显耀提高；同期浸没冷却下电芯顶底两面最大温差仅为1.41 ℃，比较冷板式下落了11.55 ℃，冷板冷却下电芯顶底温差过大的问题取得大幅度改善。

（2）跟着浸没冷却液流量的增多，电板包顶面最高温度和最大温差均呈现显耀下落的趋势。冷却液流量平均每增多2.5 L/min，电板包最高温度下落约2.5 ℃，最大温差下落约0.76 ℃；不同流量阶段电板包温升和温差下落率有所不同：当流量低于5 L/min时，温升和温差下落率较高，分别平均为15.73%和47.35%；当流量高于5 L/min时，温升和温差下落率渐渐裁减，平均为5.30%和25.82%。

（3）跟着电芯间距的增多，电板包顶面最高温度和最大温差均呈现稍许下落的趋势。异列间距平均提高0.7D，且同列间距平均提高0.25D，电板包最高温度平均下落约0.44 ℃，最大温差平均下落约0.47 ℃；跟着电芯间距的连续增多，温度和温升下落率呈渐渐下落的趋势，其中最高温差下落率分别为3.58%和1.36%，最大温差下落率分别为26.84%和18.34%。

（4）跟着喷射孔数目增多1倍，电板包顶面最高温度稍许下落了约0.14 ℃，最大温差显耀提高了约1.24 ℃。

通信作家：李岳峰（1995—），男，博士，工程师，筹商场所为储能、发电机热管束及涡轮叶片主动热防备时间，E-mail：lyf0304@mail.ustc.edu.cn。

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