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摘 要 作為最主流的儲能電池液冷技術(shù)，間接冷板冷卻技術(shù)相比風(fēng)冷技術(shù)雖然實現(xiàn)了在電池?fù)Q熱和均溫效果上的突破，但仍存在著電芯頂?shù)讌^(qū)域溫差過大、液冷管路循環(huán)阻力過大和功耗過高等問題。為解決這些問題，本工作以某型電池包作為研究對象，設(shè)計了一種新型的直接浸沒式電池包冷卻系統(tǒng)，即采用直接浸沒式冷卻技術(shù)將電池包直接置于冷卻液中冷卻。通過數(shù)值仿真對該浸沒式系統(tǒng)進(jìn)行了溫度場和流場特性的評估，并與冷板式冷卻系統(tǒng)進(jìn)行對比。接著分別探究了浸沒冷卻液流量、電芯間距和噴射孔數(shù)量對于浸沒電池包溫度場的影響。研究發(fā)現(xiàn)：相比于冷板冷卻系統(tǒng)，浸沒式冷卻系統(tǒng)下電池包頂面最高溫度和最大溫差均明顯下降，系統(tǒng)整體冷卻性能顯著提升；同時浸沒電芯頂?shù)讌^(qū)域最大溫差大幅度縮小，有效解決了冷板冷卻時存在的頂?shù)讌^(qū)域溫差過大的問題；隨著冷卻液流量和電芯間距的增加，電池包頂面最高溫度和最大溫差均不同程度下降，但其溫度下降率逐漸下降；噴射孔數(shù)量的增加使得電池包頂面最高溫度略微下降，但最大溫差明顯提升。
關(guān)鍵詞 儲能電池包；直接浸沒式冷卻；熱特性
儲能技術(shù)因其可為新能源提供有效的能量平衡和能源儲備，已成為推動世界能源發(fā)展和變革的主導(dǎo)力量。而鋰離子電池憑借其高比能量、綠色無污染等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于電化學(xué)儲能系統(tǒng)中。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對鋰電池的安全高效運行具有重要意義，合理的熱管理不僅能有效帶走電池充放電過程中的產(chǎn)熱，避免電池溫度過高，也可以提高電池使用壽命，提升系統(tǒng)運行效率。
在當(dāng)今儲能領(lǐng)域中，液冷技術(shù)憑借更佳的溫控效果等綜合優(yōu)勢，已成為最主流的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)。作為最成熟的液冷方案，冷板冷卻技術(shù)利用冷板將電池?zé)崃總鬟f給封閉在循環(huán)管路中的冷卻液，實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。作為一種“間接式”的液冷實現(xiàn)方案，冷板技術(shù)相比風(fēng)冷換熱效率顯著提升，均溫性更佳。但其也存在一定缺點，如冷板位置差異導(dǎo)致電芯兩端區(qū)域溫差過大，電芯高發(fā)熱量時冷板存在管路循環(huán)阻力過大和功耗過高等。
基于對冷板冷卻不足之處的改進(jìn)思考，近年來，研究人員提出了一種“直接式”的液冷實現(xiàn)方案，即浸沒式液冷技術(shù)。浸沒式冷卻拋棄冷板，使電池與浸沒冷卻液直接接觸，將產(chǎn)熱高效、快速、及時轉(zhuǎn)移。相比間接冷板式冷卻，直接浸沒式冷卻理論上熱阻更小，冷卻效率更高，溫度均勻性更好。
國內(nèi)外學(xué)者針對電池浸沒式開展了部分研究工作。Wang等通過實驗探究了不同浸沒液溫度和流量下浸沒電池模組溫度的瞬態(tài)變化情況；王寧等利用仿真評估了單管、雙管和盤型的輔助進(jìn)液方式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(tǒng)和強制風(fēng)冷系統(tǒng)下的散熱效果差異；田鈞等設(shè)計了一種模組浸沒式系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)換熱板技術(shù)進(jìn)行了對比；劉周斌等通過仿真評估了不同流道支路數(shù)量下浸沒式冷卻系統(tǒng)的溫度差異；姜威研究了非穩(wěn)態(tài)工況下電池模組浸沒式流動沸騰的傳熱特性；饒釗研究了低溫環(huán)境下電池模組的預(yù)熱情況；盧乙彬等通過仿真分析了氟化液、硅油和礦物質(zhì)油在浸沒式冷卻中的散熱效果差異；裴波等通過仿真研究了浸沒電池的預(yù)熱和散熱情況；張進(jìn)強等通過實驗研究了不同充放電倍率下，浸沒油量、環(huán)境溫度及進(jìn)出口位置對于浸沒式模組溫升特性的影響。
綜上可知，由于電池浸沒式冷卻是一個新興的研究領(lǐng)域，當(dāng)前相關(guān)研究工作仍然處于起步階段，大量研究內(nèi)容存在空白。同時，當(dāng)前關(guān)于電池浸沒式的研究僅限于幾顆電芯或模組級別的冷卻，仍沒有文獻(xiàn)針對完整電池包的冷卻進(jìn)行相關(guān)的浸沒式預(yù)研究和創(chuàng)新設(shè)計。
針對上述研究狀況，本工作以某電池包作為研究對象，首先設(shè)計了適用于該電池包的浸沒式新型散熱系統(tǒng)，通過數(shù)值仿真評估了該系統(tǒng)的溫度場和流場特性，并與相同情況下冷板冷卻系統(tǒng)的溫度特性進(jìn)行了對比分析。接著在此基礎(chǔ)上通過數(shù)值仿真定量探究了浸沒冷卻液流量、電芯間隙和噴射孔數(shù)量變化對于浸沒電池包冷卻效果的影響。本工作旨在為今后儲能電池浸沒式的創(chuàng)新研究和實際開發(fā)提供一定的設(shè)計參考思路和熱流場規(guī)律總結(jié)。
1 電池包浸沒冷卻系統(tǒng)設(shè)計
1.1 電池包情況及浸沒系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計
本工作選取的儲能鋰電池包及浸沒式液冷系統(tǒng)散熱設(shè)計如圖1所示。
圖1 儲能鋰電池包及其浸沒式液冷系統(tǒng)
電池包由4列模組構(gòu)成，單個模組由13顆電芯構(gòu)成，共52顆。其中，電芯形狀為方形，材料為磷酸鐵鋰，長寬高尺寸分別為174.4 mm×71.5 mm×207 mm。電池包完全浸沒在冷卻液中，浸沒式液冷系統(tǒng)的入口位于左上端，出口位于右下端。在入口側(cè)設(shè)計了用于輔助進(jìn)液的主通道及分支的噴射孔，用來實現(xiàn)相對均勻的循環(huán)進(jìn)液，其中噴射孔位于電芯間隙位置。冷卻液從入口進(jìn)入，通過主通道后再由噴射孔噴入浸沒系統(tǒng)內(nèi)部，實現(xiàn)對電池包的持續(xù)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(xiàn)浸沒冷卻液與電芯的充分接觸，電芯底部預(yù)留高度3D。
1.2 浸沒冷卻液選型
冷卻液作為浸沒式系統(tǒng)的核心，由于直接浸泡電芯將其熱量帶走，其熱物性能幾乎直接決定了浸沒系統(tǒng)的冷卻性能。近些年來，氟化液不斷被應(yīng)用于電池浸沒式冷卻領(lǐng)域中。這主要是因為氟化液具有溫控性能良好、綠色環(huán)保、介電常數(shù)低、材料兼容性良好等優(yōu)勢。因此，本工作選取了美國3M公司Novec7000型氟化液作為浸沒冷卻液，其主要熱物性參數(shù)見表1。
表1 Novec7000熱物性參數(shù)(20 ℃)
2 數(shù)值模擬
2.1 計算模型及邊界條件
本工作計算模型如圖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(shù)。電芯選取海辰鐵鋰280 Ah電芯，其物性參數(shù)來源于實驗室測量。其中，電芯發(fā)熱量由充放電倍率試驗得到；密度由電芯質(zhì)量和體積測算得到；熱導(dǎo)率采用瞬變平面熱源法測量；比熱容根據(jù)熱量法對電芯進(jìn)行加熱和測算得到。
表2 計算邊界條件
表3 電芯熱物性參數(shù)
2.2 計算設(shè)置
本工作應(yīng)用某熱流體仿真軟件，選取Realizable k-ε湍流模型計算。采用Coupled算法，將高精度二階迎風(fēng)格式應(yīng)用于方程離散，確保計算穩(wěn)定收斂。同時設(shè)定嚴(yán)格的殘差標(biāo)準(zhǔn)確保計算的精確性，其中能量方程殘差低于1.0×10-7，連續(xù)性、動量及湍流方程殘差低于1.0×10-5。監(jiān)控電芯體平均溫度，確保殘差收斂時各監(jiān)測電芯的體平均溫度值達(dá)到穩(wěn)定。
2.3 網(wǎng)格生成和無關(guān)性驗證
本工作應(yīng)用高精度多面體-六面體核心網(wǎng)格分別對浸沒流體區(qū)和電芯固體區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成網(wǎng)格情況如圖2所示。為確保網(wǎng)格精度，需針對數(shù)值預(yù)測結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，見表4。表4列出了5組不同數(shù)量的網(wǎng)格方案及其對應(yīng)的電芯體平均溫度預(yù)測情況。由預(yù)測結(jié)果可知，隨著網(wǎng)格數(shù)量增多，預(yù)測溫度不斷變化，直至方案3、4和5時溫度預(yù)測情況幾乎一致。由此可見，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量不少于方案3中時，電芯溫度預(yù)測可認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定。綜合計算精度和成本，最終確定方案3用于后續(xù)仿真計算，網(wǎng)格總數(shù)約為1845萬。
圖2 計算網(wǎng)格
表4 網(wǎng)格無關(guān)性驗證方案及預(yù)測結(jié)果
3 結(jié)果與討論
3.1 電池包浸沒系統(tǒng)設(shè)計的仿真評估
首先針對本工作中研發(fā)設(shè)計的新型浸沒電池包系統(tǒng)進(jìn)行評估。圖3展示了浸沒系統(tǒng)下電池包表面溫度分布。為了對比電池包溫度特性，在相同流量等條件下，對電池包進(jìn)行了間接式冷板冷卻設(shè)計，其中液冷板置于電芯底部，并進(jìn)行了仿真評估。圖4展示了間接冷板冷卻下電池包表面溫度分布情況。通過圖3和圖4的對比分析發(fā)現(xiàn)：①在浸沒冷卻設(shè)計下，電芯整體溫度分布在24～26 ℃，同時電芯頂?shù)诇囟燃跋噜忞娦緶囟纫恢滦跃３州^好；②在冷板冷卻設(shè)計下，電芯整體溫度分布在21～
圖3 電池包浸沒式冷卻系統(tǒng)溫度分布
圖4 電池包冷板式冷卻系統(tǒng)溫度分布
34 ℃之間，盡管相鄰電芯間溫度一致性較好，但電芯頂?shù)诇囟炔町愝^大。
為了進(jìn)一步定量描述電池包溫度特性，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(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和比較，見表5。由表中數(shù)據(jù)分析可知：①在電池包頂面，相比冷板式冷卻，浸沒式冷卻下電池包最高溫度和最大溫差分別降低了8.30 ℃和0.76 ℃，因此浸沒式明顯提升了電池包整體的溫度性能；②在電池包底面，冷板式冷卻由于液冷板直接接觸導(dǎo)致底面溫度偏低，浸沒式冷卻下電池包最高溫度相比冷板式高了4.49 ℃，但最大溫差基本相同；③對于每顆電芯，浸沒式冷卻下電芯頂?shù)變擅孀畲鬁夭顑H為1.06 ℃，相比冷板式冷卻降低了11.55 ℃。因此浸沒式冷卻大幅度改善了冷板冷卻時電芯頂?shù)讌^(qū)域溫差過大的問題。
表5 電池包浸沒冷卻系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)(℃)
為了深入探究浸沒系統(tǒng)中冷卻液的流動情況，作水平經(jīng)過噴射孔中線的截面1，如圖5所示。
圖5 截面1位置
圖6展示了截面1上的速度及流線分布情況。由圖可知：在噴射孔的作用下，冷卻液均幾乎沿著垂直于進(jìn)液通道的方向均勻噴入浸沒系統(tǒng)中。均勻的冷卻液循環(huán)流動是使得電池包溫升和溫差得到改善的根本原因。
圖6 截面1上速度及流線分布
3.2 冷卻液入口流量影響
為了探究冷卻液入口流量對于電池浸沒式系統(tǒng)溫度特性的影響，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(jìn)行對比評估。
為了方便對比不同工況下溫升和溫差的變化速率，在此規(guī)定溫度變化率?T=|T2-T1|/T1×100%，其中，下標(biāo)1和2分別表示溫度變化前后的工況，T則表示當(dāng)前工況下的溫度值。
圖7展示了不同冷卻液流量條件下電池包頂面最高溫度分布。由圖可以發(fā)現(xiàn)：①隨著冷卻液流量的增加，電池包頂面最高溫度逐漸下降。冷卻液流量平均每增加2.5 L/min，電池包最高溫度下降約2.5 ℃。②不同冷卻液流量階段溫升下降率有所差異，冷卻液流量從2.5 L/min增加至10 L/min過程中，溫升下降率分別為15.73%、6.74%、3.86%。因此在5 L/min之前，冷卻液流量增加對于最高溫度的削弱更有效，在此之后削弱作用逐漸減弱。
圖7 不同浸沒冷卻液流量下電池包頂面最高溫度
圖8展示了不同冷卻液流量條件下電池包頂面最大溫差分布。由圖可以發(fā)現(xiàn)：①最大溫差變化趨勢與最高溫度相同，即隨著冷卻液流量的增加，最大溫差顯著下降。冷卻液流量平均每增加2.5 L/min，電池包最高溫度下降約0.76 ℃；②不同冷卻液流量階段溫差下降率有所差異，冷卻液流量從2.5 L/min增加至10 L/min過程中，溫升下降率分別為47.35%、26.63%、25.00%。因此在5 L/min之前，冷卻液流量增加對于最大溫差的削弱更有效，在此之后削弱作用逐漸減弱。
圖8 不同浸沒冷卻液流量下電池包頂面最大溫差
為了分析不同冷卻液入口流量下浸沒系統(tǒng)的流場特征，圖9展示了截面1上的速度分布情況。由圖可知：①隨著冷卻液流量的增加，由噴射孔噴射出的冷卻液速度顯著提升。②冷卻液速度的提升促使其向遠(yuǎn)離入口的浸沒區(qū)域不斷蔓延，因此浸沒區(qū)域整體的流速提升。流速的提升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加，電池系統(tǒng)的溫度性能逐漸提升的根本原因。③流量增加，流場速度分布逐漸趨于相似[圖9(c)、(d)]。這可以解釋為何冷卻液增加至5 L/min之后，其對于溫度性能的提升作用逐漸減弱。
圖9 不同浸沒冷卻液流量下截面1上的速度分布
3.3 電芯間距影響
為了探究電芯間距大小對于浸沒電池包溫度的影響，規(guī)定三種電芯間距的計算工況，見表6。
表6 不同電芯間距的計算工況
圖10展示了不同電芯間距下電池包頂面最高溫度分布。由圖可以發(fā)現(xiàn)：①隨著電芯間距增加，電池包頂面最高溫度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。異列間距平均增加0.7D，同列間距平均增加0.25D，最高溫度平均下降了0.44 ℃。②隨著電芯間距的增加，最高溫度下降率分別為3.58%和1.36%。電芯間距增加對于最高溫度的削弱作用逐漸降低。
圖10 不同電芯間距下電池包頂面最高溫度
圖11展示了不同電芯間距下電池包頂面最大溫差分布。由圖可以發(fā)現(xiàn)：①隨著電芯間距增加，電池包頂面最大溫差也呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。異列間距平均增加0.7D，同列間距平均增加0.25D，最大溫差平均下降了0.47 ℃。②隨著電芯間距的增加，最大溫差下降率分別為26.84%和18.34%。電芯間距增加對于最大溫差的削弱作用逐漸降低。整體來看，冷卻液流量變化對于電池包溫升和溫差的影響程度高于電芯間隙的影響。
圖11 不同電芯間距下電池包頂面最大溫差
為了探究不同電芯間距下的浸沒系統(tǒng)流場特性，作水平經(jīng)過電池包的截面2，如圖12所示。
圖12 截面2位置
圖13對比了三種電芯間距下截面2上的速度分布。由圖可知：隨著電芯間距的增加，通過電芯間的流體速度逐漸提升，如圖13(b)、(c)中白色虛線框中所示。間隙流速的增加有助于提升電芯與冷卻液間的對流換熱強度，因此浸沒系統(tǒng)的溫度性能不斷提升。標(biāo)準(zhǔn)間隙和大間隙工況相比，電芯間流速大小差距逐漸縮小，這是間距增加至一定程度后對于溫度性能提升作用被削弱的根本原因。
圖13 不同電芯間距下截面2上的速度分布
3.4 噴射孔數(shù)量影響
為了探究噴射孔數(shù)量對于浸沒電池包溫度的影響，規(guī)定兩種噴射孔數(shù)量情況，見表7。
表7 不同噴射孔數(shù)量的計算工況
圖14分別展示了工況2和4下的噴射孔具體情況。在初始工況2設(shè)計中，噴射孔僅布置于同列電芯間隙位置；而工況4在工況2的基礎(chǔ)上，在每個電芯中間位置額外增加1個噴射孔，共計25個。
圖14 不同噴射孔
圖15和圖16分別展示了兩種噴射孔數(shù)量下電芯頂面最高溫度和最大溫差情況。由圖可知：①隨著噴射孔數(shù)量增加1倍，最高溫度僅略微削弱了0.14 ℃，溫度下降率為0.93%；②隨著噴射孔數(shù)量增加1倍，最大溫差增加了1.24 ℃，溫差增加率為73.37%。由此可見，噴射孔數(shù)量的增加幾乎未對電池包最高溫升產(chǎn)生影響，但顯著增加了電池包最大溫差。
圖15 不同噴射孔數(shù)量下電池包頂面最高溫度
圖16 不同噴射孔數(shù)量下電池包頂面最大溫度差
為了深入探究噴射孔數(shù)量增多導(dǎo)致溫差增大的原因，圖17對比展示了兩種工況下電芯頂面溫度分布。由圖可知：相比工況2，噴射孔數(shù)量的增加使得側(cè)邊區(qū)域的電芯冷卻得到了明顯改善，該區(qū)域部分位置溫度降低至22～23 ℃，如圖17(b)中紅色虛線框中所示。由于其他區(qū)域溫度范圍并未發(fā)生改變，因此電池包內(nèi)電芯間溫差增加，溫度一致性降低。
圖17 不同噴射孔數(shù)量下電池包頂面溫度分布云圖
圖18對比了噴射孔數(shù)量增加前后截面1上的流場速度分布情況。由圖可知：噴射孔數(shù)量增加后，靠近噴射孔出口區(qū)域的流速顯著增加，如圖18(b)中白色虛線方框中所示。該區(qū)域正好對應(yīng)圖17中紅色虛線框?qū)?yīng)的電芯區(qū)域，流速的增加使得電芯表面的最低溫度顯著下降，因此造成了整體溫差變大。
圖18 不同噴射孔數(shù)量下截面1上的速度分布
4 結(jié) 論
針對某型電池包，設(shè)計開發(fā)了適用于該電池包的新型浸沒式散熱系統(tǒng)，并通過數(shù)值仿真評估了浸沒系統(tǒng)的流場特性及電池包的溫度場特性。接著探究了浸沒冷卻液入口流量、電芯間隙和噴射孔數(shù)量變化對于電池包溫度場的影響。主要結(jié)論如下：
（1）在當(dāng)前設(shè)計的新型浸沒冷卻系統(tǒng)下，相比于間接式冷板冷卻系統(tǒng)，電池包頂面最高溫度和最大溫差分別下降了8.30 ℃和0.76 ℃，冷卻性能整體顯著提升；同時浸沒冷卻下電芯頂?shù)變擅孀畲鬁夭顑H為1.41 ℃，相比冷板式下降了11.55 ℃，冷板冷卻下電芯頂?shù)诇夭钸^大的問題得到大幅度改善。
（2）隨著浸沒冷卻液流量的增加，電池包頂面最高溫度和最大溫差均呈現(xiàn)顯著下降的趨勢。冷卻液流量平均每增加2.5 L/min，電池包最高溫度下降約2.5 ℃，最大溫差下降約0.76 ℃；不同流量階段電池包溫升和溫差下降率有所不同：當(dāng)流量低于5 L/min時，溫升和溫差下降率較高，分別平均為15.73%和47.35%；當(dāng)流量高于5 L/min時，溫升和溫差下降率逐漸降低，平均為5.30%和25.82%。
（3）隨著電芯間距的增加，電池包頂面最高溫度和最大溫差均呈現(xiàn)略微下降的趨勢。異列間距平均提升0.7D，且同列間距平均提升0.25D，電池包最高溫度平均下降約0.44 ℃，最大溫差平均下降約0.47 ℃；隨著電芯間距的不斷增加，溫度和溫升下降率呈逐漸下降的趨勢，其中最高溫差下降率分別為3.58%和1.36%，最大溫差下降率分別為26.84%和18.34%。
（4）隨著噴射孔數(shù)量增加1倍，電池包頂面最高溫度略微下降了約0.14 ℃，最大溫差顯著提升了約1.24 ℃。
