储能锂电池包浸没式液冷系统散热设计及热仿真分析

储能锂电池包浸没式液冷系统散热设计及热仿真分析

引用

新浪网

1.

https://finance.sina.com.cn/roll/2024-11-25/doc-incxhcvq8255004.shtml

随着储能技术的快速发展，储能锂电池包的散热问题日益凸显。传统的间接冷板式液冷技术虽然在电池换热和均温效果上有所突破，但仍存在电芯顶底区域温差过大、液冷管路循环阻力过大和功耗过高等问题。为解决这些问题，研究人员提出了一种新型的直接浸没式储能电池包液冷冷却系统。本文以某型电池包为研究对象，通过数值仿真评估了该系统的温度场和流场特性，并探究了浸没冷却液流量、电芯间距和喷射孔数量对电池包温度场的影响，为储能电池浸没式冷却技术的创新研究和实际开发提供了设计参考思路和热流场规律总结。

1. 电池包浸没冷却系统设计

1.1 电池包情况及浸没系统散热结构设计

本研究选取的储能锂电池包由4列模组构成，每列模组包含13颗电芯，共计52颗电芯。电芯采用方形设计，材料为磷酸铁锂，尺寸为174.4 mm×71.5 mm×207 mm。电池包完全浸没在冷却液中，浸没式液冷系统的入口位于左上端，出口位于右下端。在入口侧设计了主通道及分支喷射孔，喷射孔位于电芯间隙位置，孔径D为5 mm，孔长L为4D。同列电芯间隙为0.5D，异列电芯间隙为1.4D。为了实现充分的冷却液与电芯接触，电芯底部预留高度为3D。

图1 储能锂电池包及其浸没式液冷系统

1.2 浸没冷却液选型

本研究选用美国3M公司Novec7000型氟化液作为浸没冷却液，其具有温控性能良好、绿色环保、介电常数低、材料兼容性良好等优势。表1列出了Novec7000的主要热物性参数（20℃）。

2. 数值模拟

2.1 计算模型及边界条件

本研究采用某热流体仿真软件进行数值模拟，计算模型如图1所示。表2和表3分别列出了计算边界条件和电芯热物性参数。电芯选用海辰铁锂280 Ah电芯，其物性参数来源于实验室测量。

2.2 计算设置

采用Realizable k-ε湍流模型计算，Coupled算法，高精度二阶迎风格式应用于方程离散。残差标准设定为：能量方程残差低于1.0×10-7，连续性、动量及湍流方程残差低于1.0×10-5。

2.3 网格生成和无关性验证

采用高精度多面体-六面体核心网格对浸没流体区和电芯固体区进行网格划分。表4列出了5组不同数量的网格方案及其对应的电芯体平均温度预测情况。最终确定方案3用于后续仿真计算，网格总数约为1845万。

图2 计算网格

3. 结果与讨论

3.1 电池包浸没系统设计的仿真评估

图3展示了浸没系统下电池包表面温度分布，图4展示了间接冷板冷却下电池包表面温度分布。通过对比分析发现：

• 在浸没冷却设计下，电芯整体温度分布在24～26℃，电芯顶底温度及相邻电芯温度一致性均保持较好。
• 在冷板冷却设计下，电芯整体温度分布在21～34℃之间，尽管相邻电芯间温度一致性较好，但电芯顶底温度差异较大。

表5列出了电池包浸没冷却系统温度数据。分析可知：

• 在电池包顶面，相比冷板式冷却，浸没式冷却下电池包最高温度和最大温差分别降低了8.30℃和0.76℃。
• 在电池包底面，冷板式冷却由于液冷板直接接触导致底面温度偏低，浸没式冷却下电池包最高温度相比冷板式高了4.49℃，但最大温差基本相同。
• 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℃，相比冷板式冷却降低了11.55℃。

图3 电池包浸没式冷却系统温度分布

图4 电池包冷板式冷却系统温度分布

3.2 冷却液入口流量影响

分别选取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。图7展示了不同冷却液流量条件下电池包顶面最高温度分布，图8展示了不同冷却液流量条件下电池包顶面最大温差分布。

分析可知：

• 随着冷却液流量的增加，电池包顶面最高温度和最大温差均显著下降。冷却液流量平均每增加2.5 L/min，电池包最高温度下降约2.5℃，最大温差下降约0.76℃。
• 不同冷却液流量阶段温升和温差下降率有所不同：当流量低于5 L/min时，温升和温差下降率较高；当流量高于5 L/min时，温升和温差下降率逐渐降低。

图7 不同浸没冷却液流量下电池包顶面最高温度

图8 不同浸没冷却液流量下电池包顶面最大温差

3.3 电芯间距影响

规定三种电芯间距的计算工况。图10展示了不同电芯间距下电池包顶面最高温度分布，图11展示了不同电芯间距下电池包顶面最大温差分布。

分析可知：

• 随着电芯间距增加，电池包顶面最高温度和最大温差均呈现逐渐下降的趋势。
• 电芯间距增加对于最高温度和最大温差的削弱作用逐渐降低。

图10 不同电芯间距下电池包顶面最高温度

图11 不同电芯间距下电池包顶面最大温差

3.4 喷射孔数量影响

规定两种喷射孔数量情况。图14展示了两种喷射孔数量的具体情况。图15展示了两种喷射孔数量下电芯顶面最高温度情况，图16展示了两种喷射孔数量下电芯顶面最大温度差情况。

分析可知：

• 喷射孔数量的增加几乎未对电池包最高温升产生影响，但显著增加了电池包最大温差。
• 喷射孔数量增加后，靠近喷射孔出口区域的流速显著增加，导致部分区域温度显著下降，从而造成整体温差变大。

图15 不同喷射孔数量下电池包顶面最高温度

图16 不同喷射孔数量下电池包顶面最大温度差

4. 结论

• 相比于间接式冷板冷却系统，新型浸没冷却系统下电池包顶面最高温度和最大温差分别下降了8.30℃和0.76℃，冷却性能整体显著提升。
• 浸没冷却下电芯顶底两面最大温差仅为1.06℃，相比冷板式下降了11.55℃，有效改善了冷板冷却下电芯顶底温差过大的问题。
• 冷却液流量的增加对电池包温度性能有显著提升作用，但超过5 L/min后提升效果逐渐减弱。
• 电芯间距的增加有助于改善温度分布，但增加到一定程度后效果趋于稳定。
• 喷射孔数量的增加虽然能改善局部区域的冷却效果，但会导致整体温差增大。

本研究为储能电池浸没式冷却技术的创新研究和实际开发提供了重要的设计参考思路和热流场规律总结，对推动储能系统的技术进步具有重要意义。