高温环境下储能电池模组浸没式散热研究

Research on Immersion Heat Dissipation of Energy Storage Battery Modules in High Temperature Environments

摘要: 针对储能电池在高温环境下放电的散热问题威胁其安全高效运行。本研究以某电池模组为对象，设计了一种带有缓冲积液腔及梯形分流口的新型散热系统，经数值量化分析，探究不同浸没液、放电倍率及入口流量在高温环境下对其散热性能影响。结果表明合成油散热综合性能佳，且1C放电倍率和入口流量为1.5 L/min时综合效果最优，此时模组在压降ΔP，最大温差ΔT_max及结束温度T_end分别为1.07 kPa，0.95℃，34.77℃。本研究为优化电池模组散热、提升储能系统性能和安全性提供依据。

Abstract: The problem of heat dissipation during discharge of energy storage batteries in high temperature environments poses a threat to their safe and efficient operation. This study focuses on a certain battery module and designs a new type of heat dissipation system with a buffer fluid chamber and a trapezoidal diversion port. Through numerical quantification analysis, the study explores the effects of different immersion liquids, discharge rates, and inlet flow rates on their heat dissipation performance in high temperature environments. The results showed that the comprehensive heat dissipation performance of synthetic oil was excellent, and the optimal comprehensive effect was achieved when the 1C discharge rate and inlet flow rate was 1.5 L/min. At this time, the module had a pressure drop ΔP, maximum temperature difference ΔT_max, and end temperature T_end of 1.07 kPa, 0.95˚C, and 34.77˚C, respectively. This study provides a basis for optimizing the heat dissipation of battery modules, improving the performance and safety of energy storage systems.

1. 引言

随着全球能源结构的转型和新能源技术的飞速发展，储能电池作为一种高效的能量存储设备，在可再生能源发电、智能电网、电动汽车等领域发挥着至关重要的作用[1]。然而，储能电池在充放电过程中会产生大量的热量，尤其是在高温环境下进行充放电倍率时，热量的积累引发热失控等安全问题[2]。因此，有效的电池热管理系统对于保障储能电池的安全、高效运行至关重要。

浸没式散热技术作为一种新兴的电池热管理方法，具有诸多优势。与传统的风冷、相变材料冷却和热管冷却等方式相比，浸没式冷却利用介电流体直接与电池接触，热阻小，传热面积大，能够实现高效的热量传递和良好的温度均匀性[3]。同时，当介电流体具有阻燃性时，还能有效降低电池热失控的风险，为储能电池模组在高温环境下的安全运行提供了有力保障。

众多关于储能浸没散热研究取得丰硕成果。张进强等[4]通过实验研究了不同充放电倍率下，浸没油量、环境温度及进出口位置对于浸没式模组温升特性的影响。Wang等[5]通过实验探究了不同浸没液温度和流量下浸没电池模组温度的瞬态变化情况；卢乙彬等[6]通过仿真分析了氟化液、硅油和矿物 质油在浸没式冷却中的散热效果差异。尽管浸没式散热研究成果很多，但是针对高温环境下的研究仍存在大量空白。Zhu [7]等人针对锂离子电池放电过程中的热积累问题，设计了四种浸没冷却系统(BICS)的冷却通道结构，使电池模组的最高温度和温差分别降低了17.9%和20.8%。

对于高温环境下，散热结构设计成为其焦点。微通道式结构借微小流道提升传热效率，但面临制造难、易堵塞及成本高的问题；仿生结构设计虽优化了流动路径与散热均匀性，却仍处于实验室探索阶段。在数值模拟领域，从简单热传导模型迈向多物理场耦合模拟。通过整合电池电化学反应与热流体方程，精准预测电池模组在不同工况下的温度变化，为散热优化提供支撑。与电池管理系统融合实现智能调控，提升自适应与能源利用效率；

针对上述研究状况，本文以某电池模组为研究对象，首先设计了适用于该电池模组的新型散热系统，通过数值量化分析，探究了不同浸没液，不同放电倍率及不同入口流量在高温环境下对该电池模组的散热性能的影响，旨在提升储能系统的整体性能和安全性。

2. 物理模型

电池模组由八块电池组成，如图1所示。电芯材料为磷酸铁锂电池，其具体参数见表1。浸没液采用下进上出的方式，从入口处首先进入缓冲积液腔，然后从梯形分流口流出，实现对电池模组的散热。进出口直径为d₁，电芯间隙[8]为d₂，模组间隙为d₃，电芯底部预留高度为h，具体数值见表1。

Figure 1. Model schematic diagram

图1. 模型示意图

Table 1. Battery parameters

表1. 电池参数

参数名称	数值
额定容量/(A·h)	100
长 × 宽 × 高/(mm)	160 × 51 × 116
质量m (g)	1992
比热容c1/[J/(kg·K)]	1023.6
导热率λ1/[W/(m·K)]	λx = 13.2 λy = 3.7 λz = 9.6
额定电压U/(V)	3.65
d1/d2/d3/h (mm)	15 5 10 10

3. 数值模拟

3.1. 电池生热率

电池在充放电工作期间，会释放大量热量，从而导致温度显著升高，对其工作性能产生大幅影响。为精确测定电池产热率，本研究运用盛雷等人[9]提出的“校准量热法”进行测定。在40℃条件下，通过实验得到电池在0.5C，1C及1.5C的放电倍率下的生热率曲线方程。公式为$q\left(t\right)=k_0+k_{1}t+k_2{t}^2+k_3{t}^3+k_4{t}^4$ ，具体数值如表2。

3.2. 控制方程

锂离子电池模组工作时会产生大量热量，散热过程也随之开启。浸没液在流动时，与电池模组发生热量传递，借此带走热量，实现电池冷却。热流密度q (即单位时间内通过单位面积传递的热量)能够表示为[10]。

Table 2. Coefficient of heat generation rate equation for different discharge rates

表2. 不同放电倍率生热率方程系数

放电倍率	k0	k1	k2	k3	k4
0.5C	8.057 × 10^−^1	8.8 × 10^−^3	−6 × 10^−^6	2 × 10^−^9	−9 × 10^−^14
1C	1.1354 × 10^1	−1.2 × 10^−^3	−3 × 10^−^6	1.021 × 10^−^9	−7 × 10^−^14
1.5C	4.5133 × 10^1	−4.3 × 10^−^3	−2.89 × 10^−^6	5 × 10^−^9	−1 × 10^−^12

$q=hA\left(T_{battery}-T_{liquid}\right)$ (1)

浸没箱里浸没液满足能量控制方程及动量方程。不同浸没液热物性参数如表3所示。

Table 3. Different immersion liquid parameters (20˚C)

表3. 不同浸没液参数(20℃)

名称	密度(kg∙m^−^3)	导热系数[W∙(m∙K)^−^1]	比热容(J/kg∙K)	运动粘度(cSt)
氟化液	1400	0.075	1300	0.32
硅油	940	0.134	1800	10
矿物质油	805	0.136	2150	20
合成油	782.8	0.1312	1970	6.051

3.3. 网格无关性验证

本文采用多面体网格对浸没液流体区域与电池固体区域进行网格划分，为了便于计算进行以下假设[11]：1) 忽略接触电阻。2) 流体为不可压缩流体。3) 忽略热辐射。

初始环境温度为40℃，电池采用1C放电倍率，浸没液进口为质量流量入口，进口温度为固定20C，进口流量为1.5 L/min，出口为压力出口。环境空气进行自然对流传热时，传热系数取5 W/(m²∙K)。结果如图2所示，随着网格数量的增加，T_end及ΔP趋于稳定，考虑到计算与经济成本，选取网格数量296万为后面计算基准。

Figure 2. Grid independence verification

图2. 网格无关性验证

4. 结果与讨论

4.1. 不同浸没液评估

首先针对不同浸没液对该浸没电池模组系统进行评估。进口质量流量均为1.5 L/min，进口温度为20℃，电池模组以1C放电倍率工作，其温度标量图如图3所示，不难看出，在温度一致性方面上，合成油效果较好，而矿物质油较差。

Figure 3. Schematic diagram of scalar field at different immersion liquid temperatures

图3. 不同浸没液温度标量场示意图

图4定量展示了不同浸没液下的T_end，ΔP及ΔT_max。从图中可以看出，合成油在ΔP及ΔT_max最小，分别为1.07 kPa，0.95℃，以最大值为基准，合成油在此方面分别降低了43.09%，74.18%。在T_end方面，硅油效果较好，为34.24℃。相比于合成油降低了1.52%。

Figure 4. Thermal field and pressure drop of different immersion liquid battery modules

图4. 不同浸没液电池模组热场与压降

进一步分析不同浸没液对电池模组的影响，从数据可以看出，合成油ΔP最小，这意味着它在电池模组内流动时受到的阻力相对其他三种浸没液最小，有利于液体快速循环带走热量；

硅油的导热系数相对较高，使得在热量传导方面具有一定优势，能较快地将电池模组的热量传递给液体。矿物质油比热容较大，在吸收电池模组热量时自身温度升高相对较慢，但可能由于其热量分布特性，使得电池模组内温度差异较大；而合成油比热容适中，既能较好地吸收热量，又能在一定程度上保证热量的均匀分布，从而在最大温差和结束温度方面表现较好。合成油的运动粘度相对较低，这使得它在电池模组中能够更顺畅地流动，从而提高了热量交换的效率，有助于降低电池模组的温度和减小温度差异。综上所述，不同浸没液的物理参数(导热系数、比热容、运动粘度等)共同影响了它们在电池模组散热中的表现，合成油在各方面综合性能较好，是较为理想的浸没液选择；

4.2. 不同放电倍率评估

选取浸没液为合成油的工况下，对电池模组进行0.5C，1C，1.5C进行放电，其T_end及ΔT_max分别由图5所示。随着放电倍率的增加，T_end逐渐增大，且当放电倍率为1.5C时，T_end为最大值56.49℃，此时的T_end相比于0.5C及1C增加了约0.75倍；而此时的ΔT_max也为最大值，其最大值为3.92℃。

(a) 不同放电倍率下T_end (b) 不同放电倍率ΔT_max

Figure 5. Different discharge rates T_end and ΔT_max

图5. 不同放电倍率T_end与ΔT_max

不同放电倍率对电池模组的影响显著。在低放电倍率(0.5C)下，电池内部的电化学反应相对温和，反应速率较慢，因此产生的热量相对较少。这使得散热系统能够较为轻松地应对热量散发需求，电池模组内部的温度上升幅度较小，且温度分布相对均匀，温差较小。这种工作状态对电池的性能和寿命影响较小，电池能够在较为稳定的温度环境下运行，减少了因高温导致的材料老化、副反应加剧等问题。随着放电倍率增加到1C，电化学反应速率加快，电池内部的极化现象逐渐增强，欧姆内阻产生的热量明显增加。虽然此时温度有所升高，但由于散热系统仍能有效工作，使得电池模组内的温差控制在较好的范围内。在这种情况下，电池模组仍能保持较好的性能和可靠性，不过相较于0.5C放电倍率，电池的工作压力有所增加，长期在这种倍率下工作可能会对电池寿命产生一定程度的影响。而在高放电倍率(1.5C)时，电池内部的电化学反应变得极为剧烈，大量的锂离子快速脱嵌和嵌入，导致电极材料结构承受较大的应力，同时欧姆内阻产生的热量急剧增加。此时电池模组温度大幅升高，且由于热量产生过于集中，散热系统难以迅速将热量均匀散发，使得温差明显增大。这种高温和大温差环境会严重影响电池模组的性能，如电池容量衰减加快、内阻增大等，同时也会加速电池材料的老化和损坏，降低电池的使用寿命，甚至可能引发热失控。

综上所述，在高温环境下放电倍率的增加会导致电池模组结束温度升高和最大温差增大，综合时间成本及安全性考虑，在浸没流动散热中选择1C放电较为合适。

4.3. 不同入口流量评估

在研究不同入口流量对电池模组散热性能的影响时，设置了多种流量工况，包括0.5 L/min、1 L/min、1.5 L/min、2 L/min和2.5 L/min，并在浸没液为合成油、电池模组放电倍率为1C的条件下进行测试。如图6所示，截面1为浸没液从梯形分流口流出瞬间的速度矢量图，其具体流速见表4。

随着入口流量的增加，电池模组内浸没液的流速显著提高。在0.5 L/min流量时，最高流速为0.054 m/s，平均流速为0.108 m/s；当流量提升到2.5 L/min时，最高流速达到0.253 m/s，平均流速为0.506 m/s；如图7所示，随着流量的增加，T_end逐渐减小，当流量为2 L/min，此时T_end为33.51℃，相比于0.5 L/min降低了约23%；随着流量的增加ΔT_max先减小后增大，并在1.5 L/min达到最佳效果，此时ΔT_max为0.95℃。而ΔP随着流量的增加逐渐增大，当流量为2.5 L/min时，ΔP为1.15 kPa。

Figure 6. Velocity vector diagram of trapezoidal diversion hole

图6. 梯形分流孔速度矢量图

Table 4. Flow velocity value at section 1

表4. 截面1处的流速值

名称	0 L/min	0.5 L/min	1 L/min	1.5 L/min	2 L/min	2.5 L/min
最高流速/(m/s)	0	0.054	0.110	0.155	0.206	0.253
平均流速/( m/s)	0	0.108	0.219	0.310	0.412	0.506

进一步分析不同流量的影响，随着流量的增加，提高了浸没液在电池模组内的流速，进一步增强液体与电池模组之间的热交换，从而可能对散热效果产生积极影响，使其T_end逐渐减小。而流速增加会导

(a) ΔT_max及T_end (b) ΔP

Figure 7. Temperature and pressure drop at different flow rates

图7. 不同流量下温度及压降

致流体与流道壁面之间的摩擦阻力增大，同时流体内部的粘性力也会增加，这些因素共同作用使得液体流动过程中需要克服更大的阻力，从而表现为ΔP增大。从理论公式角度来看，根据流体力学中的达西–

威斯巴赫公式$\Delta P=f\frac{L}{D}\frac{{\nu }^2}{2}\rho$ (其中为ΔP压力差，f为摩擦系数，L为管道长度，D为导流孔直径，v为

流速，为流体密度)，当入口流量增加时，流速增大，在其他条件不变的情况下，会导致ΔP增大。对于ΔT_max的影响，在流量较小时，浸没液的流速较慢，热量传递主要依靠热传导，热量在电池模组内的分布不均匀，容易出现局部热量积聚，导致温差较大；当流量继续增大到一定程度后，虽然整体散热效果更好，T_end降低，但由于液体在电池模组内的流动变得更加复杂和紊乱，会出现局部的涡流或流动死区等现象，这些区域的热量不能及时有效地被带走，反而导致局部温度差异又开始增大。综上所述，不同入口流量对电池模组的散热性能有着多方面的影响。入口流量的增加可以提高浸没液流速，改善散热均匀性，降低T_end，但同时也会使ΔP略有上升。在本次研究的多种流量工况中，1.5 L/min的入口流量在流速、ΔT_max、T_end和ΔP等方面表现出较好的综合性能，既能保证较好的散热效果，又能使系统能耗相对较低。

5. 结论

本文围绕高温环境下储能电池模组浸没式散热展开研究，设计新型散热系统并经数值模拟分析，得出以下结论：

(1) 浸没液方面，合成油优势突出，其流动阻力小、散热均匀，ΔP为1.07 kPa、ΔT_max达0.95℃，较优性能使其成为理想选择。

(2) 放电倍率上，从0.5C至1.5C增长时，T_end随之增大，但ΔT_max在1C时最优，综合考量1C放电倍率在浸没散热中最为适宜。

(3) 入口流量上，流量增加提升浸没液流速、降低T_end，但也会增大ΔP，其中1.5 L/min流量综合性能良好，兼顾散热效果与能耗。