采用微通道换热器的储能系统间接水冷电池冷却系统性能实验研究

2026-06-01 19:58:33

近年来，全球变暖与气候变化问题日益引发关注，这加速了可再生能源的部署。然而，可再生能源发电固有的间歇性特点，使得储能系统（ESS）在稳定电力供需平衡方面的重要性显著提升。在各种储能技术中，基于锂离子电池的系统因其高能量密度与优异的充放电效率而得到广泛应用。然而，电池性能、使用寿命及安全性对工作温度高度敏感，这凸显了有效热管理的重要性。本研究将间接液冷系统应用于储能系统，并在系统层级通过实验评估其热管理性能。在相同运行条件下，对两种具有代表性的间接液冷式换热器——冷却板与微通道——进行了对比分析。研究结果表明，与冷却板式换热器相比，微通道换热器能实现更低的电池平均温度及更优的温度均匀性。此外，液冷系统与风冷系统的直接对比表明，液冷技术可显著降低电池工作温度。相较于风冷系统，液冷系统能使电池平均温度降低约17°C，并将单体电芯最高温度抑制达18°C左右。这种显著的温度降低提高了热稳定性，并明显减缓了电池健康状态（SOH）的退化速度，使SOH下降率从风冷条件下的约4.4%降至液冷条件下的约1.7%。这些结果证实，间接液冷技术（尤其是与微通道换热器结合使用时）能显著提升热管理性能，并有效延长基于锂离子电池的储能系统（ESS）使用寿命。

引言

近年来，全球变暖与气候变化问题日益受到关注，促使各国实施各类环保政策，进而推动了对可再生能源日益增长的研究兴趣[1]。然而，基于可再生能源的发电技术高度依赖自然条件，因而其能量产出具有固有的间歇性特征[2]。这种间歇性可能导致能源供需之间的时间错配，进而对电网稳定性产生不利影响[3]。因此，储能系统（ESS）已成为缓解此类供需失衡的关键解决方案[4]。ESS是指存储已产生能量并在需要时释放的技术[5]。具代表性的ESS技术包括锂离子电池（电化学储能）[6][7]、抽水蓄能（机械储能）[8][9]以及热能存储系统[10][11]。其中，锂离子电池因其高能量密度和优异的充放电效率[12]而成为应用最广泛的储能技术，并有望在未来继续保持其关键能源存储技术的地位。
然而，锂离子电池对温度具有高度敏感性[13]。在高温条件下，电池退化过程会加速，导致性能恶化与循环寿命降低[14]。此外，高温环境会触发放热反应[15]，这些反应持续产生额外热量并进一步升高电池内部温度[16]。反之在低温环境中，由于电荷转移阻抗增加，电化学反应动力学过程将受到阻碍[17]。例如，已有研究报道，在85°C时电池容量会下降约7.5%，120°C时下降约22%，而在-40°C条件下，能量密度和功率密度分别掉落至标称值的5%和1.25%[18][19]。因此，将电池维持在最佳工作温度区间至关重要。若能将温度控制在20-30°C的适宜范围内，电池寿命差异可超过四年[20]，这表明有效的热管理技术对确保系统稳定性和可靠性具有决定性作用。
电池热管理方法主要分为风冷和液冷两大类[21]。风冷式热管理方法是通过风扇或风道引入冷却空气对电池进行冷却的方式，其典型代表是商业化ESS（储能系统）的热管理系统。然而，风冷式热管理方法存在对流传热系数相对液冷较低的限制，且由于电池结构致密导致气流无法深入电池内部，致使冷却性能下降[22]。因此，要实现电池的有效热管理，需采用液冷式热管理方法。液冷热管理方法包括直接冷却与间接冷却两种方式。在直接冷却方式中，由于电池与冷却液直接接触，存在冷却液泄漏导致漏电的风险[23]。因此，当前研究重点聚焦于间接液冷电池热管理技术，致力于优化作为间接液冷方法核心部件的换热器的冷却性能与压降特性。
Pan等[24]通过实验分析了将微通道模拟装置（设计使冷却剂在鳍片间流动至单个电池单元）的冷却性能与压降特性。研究证实，与传统微通道换热器相比，该新型微通道换热器展现出更优的冷却能力与更低的压降。但该研究主要聚焦单电池层级的微通道冷却性能，未涉及其结论在ESS规模系统中的应用多性向。张等[25]在歧管冷却板内设计了两种溢流微通道构型（沿冷却剂流动方向的变截面结构与垂直方向的变截面结构），并通过数值分析将其热阻和压降与传统微通道构型进行对比。研究结果表明，垂直方向采用变截面结构的溢流微通道构型为最优配置。然而，本研究仅局限于微通道几何结构的优化分析，未与传统冷却板式换热器进行系统级性能对比。Rabiei等人[26]通过数值模拟分析了适用于锂离子电池模块的六种微通道构型，对比了其冷却能力与压降特性，证实50微米金属泡沫填充微通道结构在低流速工况下具有最优冷却表现。然而，本研究仅探讨了强化微通道构型，既未开展系统级评估，也未与板式换热器进行直接性能对比。Qi等人[27]通过数值模拟，针对锂离子电池高倍率放电工况，对比分析了不同微通道流道几何形状对冷却能力与压降特性的影响。研究结果表明，就冷却性能而言，多U型微通道换热器优于蛇形微通道和平行微通道；在压降方面，其数值低于蛇形微通道但高于平行微通道。然而，本研究仅在高放电速率条件下考察了微通道流道几何结构的影响，冷却板式换热器及ESS尺度因素未纳入研究范围。Telli等人[28]对比了U型转弯换热器与逆流 canopy-to-canopy 换热器在电池模组中的冷却性能，证实后者在温度分布均匀性方面更具优势。但该研究仅在模组层级比较了不同冷却板流道布置方案，未将微通道换热器纳入对比分析范畴。Gan等人[29]提出了一种用于储能系统的对称双螺旋流道液冷板几何构型，并证实该构型在流阻与温度均匀性方面更具优势。然而，该研究虽提出了先进的冷却板设计方案并论证了其热性能优势，但未在相同储能系统运行工况下与微通道换热器进行直接对比。Li等[30]通过数值模拟分析了电池模组中换热器安装位置对冷却性能的影响。研究证实将换热器置于电芯间时冷却效果最佳。但该工作仅采用数值模拟手段分析了冷却板布置方式的影响，既未进行实验验证，也未与微通道换热器开展直接性能对比。
近期研究主要针对单电池或电池模块层面，通过优化通道几何结构、流道路径或安装位置，对微通道换热器或板式冷却换热器进行了探究。尽管这些研究通过实验或数值分析为局部热性能提供了重要见解，但其研究发现可能无法直接推广至储能系统（ESS）规模的应用场景——在该场景中，热相互作用、冷却剂分布及运行约束条件会变得更加复杂。因此，在相同的ESS运行条件下，针对微通道与冷却板式换热器之间的直接实验对比研究仍然匮乏。为此，本研究通过实验分析了满足系统层面电池最高允许温度与温度均匀性要求的间接液冷热管理系统的冷却性能。为实现这一目标，研究在40℃环境温度与0.在5C充放电倍率条件下，推导出满足以下热管理目标的设计变量（冷却液流量与温度）：电池模组最高温度≤30°C、模组内电芯间最大温差≤10°C、模组内单个电芯最大温差≤10°C。此外，通过对比分析微通道换热器与冷却板式换热器这两种典型间接液冷换热器的冷却性能，遴选出最优换热方案。最终通过与风冷模组的对比实验，验证了间接液冷方案的优越性。