SSB蓄电池通过近全深度部分水浸法实现锂离子电池储能系统的热管理

2026-04-02 09:28:24

锂离子电池储能系统的浸没式冷却热管理技术因其结构简单、可靠性高，已引起学术界和工业界的广泛关注。现有研究报道了使用介电油或含氟液体作为浸没冷却介质，然而介电油的高粘度和含氟液体的高昂成本在一定程度上阻碍了其大规模应用。水虽具有成本低廉、传热性能优异的特点，但其介电性能相对较差。本研究提出近全深部分浸没（NFDPI）概念，以应对将水作为锂离子电池储能热管理系统冷却剂所面临的挑战。通过实验验证NFDPI冷却方法的有效性，并探究NFDPI范围内浸没深度与冷却剂类型对锂离子电池模组热管理性能的影响。数值模拟证实了水在Pack级锂离子电池储能系统NFDPI热管理中具有优异性能。该研究为锂离子电池储能系统的浸没式冷却热管理提供了新见解。

引言

由于具有高能量密度、长循环寿命和优异的充放电性能，锂离子电池（Li-ion batteries, LIBs）已成为现代电动汽车和储能系统的核心组件[[1], [2], [3], [4]]。热管理对LIB系统至关重要，因为电池的性能和寿命高度依赖于其工作温度[[5], [6], [7], [8]]。过高或过低的温度均会损害电池，影响其容量、循环寿命及安全性[9]。锂离子电池的典型热管理方法包括主动冷却和被动冷却。主动冷却采用液体或空气冷却系统，使液体冷却剂或空气在电池组内循环流动，从而带走多余热量，确保电池在最佳温度范围内工作。被动冷却则依靠高导热材料和相变材料，通过热传导和相变吸热来调节电池温度[10]。此外，新兴热管理技术如基于纳米材料的热导涂层和智能温控系统[11,12]，展现出成为通用解决方案的巨大潜力。
近年来，锂离子电池（LIBs）的浸没式冷却技术受到广泛关注[6,13]。将电池浸没在介电流体中可显著增强散热性能，使电池温度维持在适宜范围内，从而改善温度均匀性、减少局部过热现象，并提升安全性与使用寿命。当前浸没冷却研究主要集中于冷却剂选型与流道设计两方面。图1展示了锂离子电池浸没冷却的基本原理。
锂离子电池的浸没式冷却热管理技术可根据冷却剂是否发生相变分为两相或单相方法。两相浸没冷却系统具有更高的散热能力，并已在数据中心冷却领域得到应用[[14], [15], [16], [17], [18]]，但这类系统通常伴随更高的复杂度。Ju等学者[19]对比了空冷、间接液冷与浸没冷却的整体散热性能：由于空冷的传热效率较低，且间接液冷因板间受限流动导致显著压降，这两种方法的性能系数均低于浸没冷却。Wang等[20]对比研究了天然酯油与矿物油作为电池模块浸没式冷却介质的性能，结果表明天然酯油优于矿物油，是电池热管理系统更高效环保的替代方案。Han等[21]构建了60单体电池组的三维模型，整合基于理论与实验数据的热源项，发现在2C放电倍率下，该系统能防止局部过热并将最高温度控制在34℃。通过提高冷却液流速，系统温度均匀性得到改善。Ju等[19]研究了一种基于自组织流道设计的浸没式冷却系统；采用交错式歧管系统和棋盘拓扑结构后，锂离子电池热性能显著提升，最高温度与最大温差分别降低12.56%和43.81%。Zhang等[22]设计了一种鱼形仿生流体导流结构用于锂离子电池组的浸没式冷却；该设计使电池最高温度降低12.2%，泵功耗减少42.1%。值得注意的是，全球首个采用浸没式冷却技术的储能电站——南方电网梅州宝湖储能电站（位于梅州五华）已于2023年3月6日正式投运[23]。该储能电站规模达70兆瓦/140兆瓦时。这标志着浸没式冷却技术在锂离子电池储能系统热管理中的成功应用。
目前，广泛研究的浸没式冷却介质主要包括介电油和氟化液[[24], [25], [26]]。介电油可分为植物油、矿物油、硅油及天然酯类介电油[27]。氟化液则涵盖氢氟醚、全氟烯烃和全氟聚醚等类型[28]。水作为常见传热流体，也可用于锂离子电池的浸没式热管理。为防止低温环境下冻结，可将其与乙二醇（EG）混合使用。表1汇总了常见冷却介质的主要热物理参数。
无论是介电油还是氟化液均具有介电特性，可直接接触电池电极而不会引发短路。然而介电油的高粘度特性与氟化液的高成本问题，均不利于二者在锂离子电池浸没式冷却中的规模化应用。就热物理性质而言，水相较于油基冷却剂和氟化冷却剂具有显著优势。水的热导率是油的4-5倍，约为各类氟化液的10倍，这使得电池产生的热量能够实现高速耗散。同时，水具有其他任何液体都无法比拟的比热容。高比热容的冷却液意味着其在吸收或释放相同热量时温度变化更小，有助于维持系统温度稳定性。就密度而言，水和油均低于氟化液，其中水的密度略高于油。使用相同体积下密度更低的冷却液可减轻电池组重量。
近期研究表明，在特定条件下使用水作为锂离子电池浸没冷却剂具有可行性。Justin等人[29]通过数值模拟研究了去离子水等多种冷却剂对锂离子电池的单相浸没冷却性能，结果表明水作为浸没冷却剂具备优异的温控能力。Luo等[30]开发了一种以水为冷却介质的浸没冷却系统，采用特殊密封圈与螺纹盖结构防止水与电池电极接触；数值模拟显示在3C放电倍率下，较小水流量（200 mL/min）即可确保电池组最高温度低于50°C。Li等人[31]提出采用水与环氧基相变材料的复合浸没冷却系统，在3C放电条件下实现了42°C的最高温度与低于2°C的最大温差。Zhou等[32]采用聚氨酯作为锂离子电池表面绝缘涂层，利用水替代介电流体作为浸没式冷却介质。
虽然在锂离子电池浸没冷却研究中，介电流体仍是主流选择，但以水作为冷却剂的可行性正日益受到关注。当采用水作为锂离子电池全浸没冷却的冷却剂时，电池正负极之间可能形成短路回路。因此必须确保水与电池极耳保持隔离。对于极耳位于顶部的方形电池而言，通过液位控制实现水与极耳的物理隔离并不困难。目前通过结构优化或操作改进来降低此类风险的研究甚少，这表明该领域亟需更多深入研究。
本研究针对储能系统中常用的棱柱形锂离子电池，提出了一种以水为冷却介质的近全深度部分浸没（NFDPI）冷却方法。该方法中冷却液的浸没深度略低于电池极耳与安全阀所在的顶面，确保水体不与电极接触，从而规避短路风险。通过实验研究了以水为冷却介质时NFDPI方案的验证过程与冷却性能。随后，建立了电池模块的数值模型，以评估实际应用中储能电池组的热管理性能。实验与模拟结果均表明，水具有良好的热管理能力。这一特性在锂离子电池储能系统中尤为显著——采用水作为浸没式冷却工质，不仅能提升热管理性能，还可降低系统建设与运营成本。