低温环境下浸没式电池系统的被动蓄热研究
2026-05-27 21:20:12
浸没式电池系统具有卓越的散热性能、更高的安全性以及更长的循环寿命。然而，其在低温环境下的应用受到被动保温性能不佳的严重制约，目前尚缺乏相关研究。为应对这一挑战，本研究通过实验与数值模拟相结合的方法，系统探究了浸没式电池系统在零下环境中的保温性能。研究确定了两个关键的改进方向：浸没液体的导热系数与隔热材料的布置位置。敏感性分析表明，降低导热系数是最具效果的液体侧参数。此外，热通道分析证实，在电池底部安装气凝胶可显著减少纵向热损失。通过协同将液体导热系数降至基准值的40%并采用1.5毫米气凝胶层，电池温度最高可提升12摄氏度。在热保持期间温度波动幅度不超过6°C，因此有效热保持时长较基线水平延长了80.4%。虽然量化结果仅针对测试的四电池模块和-20°C碳氢基液体，但所提出的优化方法可推广至其他规模及运行条件。本研究为寒冷气候应用场景下的浸没式电池系统被动热保持优化提供了理论支撑策略。
引言
以电动汽车为代表的交通电气化因其高效性和环境友好性得以迅速发展与应用[1,2]。锂离子电池凭借其高能量密度、可靠的充放电性能、长循环寿命及环境相容性[3,4]，已成为电气化交通领域主要的储能部件。这类电池对工作温度具有相对严格的要求，过高或过低的温度不仅会损害其性能，还可能引发安全隐患[[5], [6], [7]]。因此，在任何应用锂离子电池的场合中，合适的热管理系统都不可或缺[8,9]。目前采用的热管理方案主要包括：空气冷却[10,11]、间接液体冷却[12]、相变材料冷却[13,14]、热管冷却[15]以及浸没式冷却[16,17]（见表8）。随着对电池充放电速率要求的不断提高以及安全规范的日益严格，浸没式冷却作为一种极具前景的热管理方案正受到广泛关注[18]。该技术不应被视为其他冷却方法的替代方案，而应理解为一种互补性策略。该方法采用介电流体作为工作介质，将电池直接浸没其中，利用流体的显热或潜热吸收电池产生的热量[19]。与传统空气冷却和间接液体冷却等方案相比，浸没式冷却系统在散热效率、温度均匀性、安全性、寿命延长及系统简化方面具有显著优势[[20], [21], [22], [23]]。基于浸没式电池系统的特性，其在高性能电动汽车[24]、重型电动卡车[25,26]、轨道交通电动车辆[27]、电动船舶[28]及储能系统[29]等领域展现出广阔的应用前景。然而，浸没式电池系统卓越的冷却能力带来了固有的交易，尤其在低温运行时。此类条件下的热管理通常涉及主动加热与被动蓄热两个方面，二者均对浸没式电池系统构成挑战。在主动加热领域，研究者们探索了多种方法。Qin等[30]采用双向脉冲电流对电池进行内部加热，并评估了其对容量衰减的影响。Fan等[31]通过仿真研究了底部安装的液冷板加热方案，确定了最佳入口质量流量与温度参数。Wang等[32]通过实验证明热管在低温环境下能有效实现电池加热。Luo等[33]则研究了基于加热液体的浸没式电池系统预热方法。然而，对于浸没式电池系统而言，低温环境下的主动加热需要同时提升浸没液体与电池组的温度。这一要求会导致加热时间延长及更高的能量损耗[34]。因此，增强此类系统的被动保温能力至关重要——它既能在低温环境下提升电池温度，又无需额外能量消耗。在电池系统被动保温研究领域，Wu等[35]研究了环境温度、放电电流与气凝胶厚度对电池保温性能的影响，指出气凝胶具有厚度依赖性的显著保温作用。Bat等[36]将一种新型轻质隔热材料应用于电池系统，并通过实验验证了其提升被动保温性能的有效性。Deng等文献[37]研究了气凝胶安装位置对低温环境下电池温度变化的影响，并根据研究结果提出了优化策略。Li等[38]制备了一种新型Oct/SEBS复合相变材料(PCM)，用于电池的低温热管理，利用PCM中储存的热能在寒冷环境中提升电池温度。上述研究为本研究提供了宝贵的理论与方法参考。然而，这些研究探讨的场景与浸没式电池系统仍存在显著差异。对于传统电池热管理系统(BTMS)，系统关闭后，电芯被低导热率的空气包围，其热量主要通过底部与电池包基座的接触传导向环境散发。相比之下，浸没式系统中电芯被高导热性液体包围，其热量可通过液体迅速传递至电池包所有表面，继而散逸至环境中。这使得浸没场景下的被动隔热面临显著更大的挑战。本研究重点探讨了浸没式电池系统在低温环境下的被动蓄热性能，该领域现有研究明显不足。与依赖风冷或冷板的传统电池热管理系统(BTMS)不同，浸没式系统涉及独特的热传递机制和冷却介质。因此，我们的优化策略整合了针对浸没系统特有物理性质设计的定制化冷却液配方与专用绝缘布局，提供了当前文献中未见的独特性和技术创新点。通过实验与模拟，我们比较浸没式电池系统与传统电池系统的保温性能，分析浸没液体物性对散热效率的影响，并探索浸没环境下隔热材料的排布方式。本研究针对低温环境下浸没式电池系统的被动热保持性能与优化策略这一当前研究空白，为浸没液体的选择与调整以及极寒气候下保温材料的配置提供了可操作的参考依据。
