作家：李岳峰1,2(]article_adlist-->), 徐卫潘1,2, 韦银涛1,2, 丁纬达1,2, 孙勇1,2, 项峰1,2, 吕游
1,2, 伍家祥1,2, 夏艳1,2
单元：1. 运达动力科技集团股份有限公司；2. 浙江省风力发电技能重心践诺室
援用：李岳峰, 徐卫潘, 韦银涛, 等. 储能锂电板包浸没式液冷系统散热想象及热仿真分析[J]. 储能科学与技能, 2024, 13(10): 3534-3544.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2024.0186
本文亮点：1.想象了一种新式的径直浸没式储能电板包液冷冷却系统，灵验搞定了以往波折冷板式液冷技能在冷却电板时存在的电芯温差过大等问题，且显贵擢升了电板包举座温度性能；2.探究了浸没冷却液流量、电芯间距和喷射孔数目对浸没电板包温度场的影响，为今后储能电板浸没式的创新辩论和骨子征战提供一定的想象参考想路和热流场规章回首。
摘 要动作最主流的储能电板液冷技能，波折冷板冷却技能比较风冷技能固然已毕了在电板换热和均温遵守上的拦截，但仍存在着电芯顶底区域温差过大、液冷管路轮回阻力过大和功耗过高级问题。为搞定这些问题，本责任以某型电板包动作辩论对象，想象了一种新式的径直浸没式电板包冷却系统，即接管径直浸没式冷却技能将电板包径直置于冷却液中冷却。通过数值仿真对该浸没式系统进行了温度场和流场特色的评估，并与冷板式冷却系统进行对比。接着分别探究了浸没冷却液流量、电芯间距和喷射孔数目对于浸没电板包温度场的影响。辩论发现：比较于冷板冷却系统，浸没式冷却系统下电板包顶面最高温度和最大温差均显着下跌，系统举座冷却性能显贵擢升；同期浸没电芯顶底区域最大温差大幅度缩小，灵验搞定了冷板冷却时存在的顶底区域温差过大的问题；跟着冷却液流量和电芯间距的加多，电板包顶面最高温度和最大温差均不同进度下跌，但其温度下跌率迟缓下跌；喷射孔数目的加多使得电板包顶面最高温度稍许下跌，但最大温差显着擢升。
关节词储能电板包；径直浸没式冷却；热特色
储能技能因其可为新动力提供灵验的能量均衡和动力储备，已成为股东全国动力发展和变革的主导力量。而锂离子电板凭借其高比能量、绿色无羞耻等上风，鄙俗应用于电化学储能系统中。电板热料理系统对锂电板的安全高效运行具有遑急趣味，合理的热料理不仅能灵验带漏电板充放电经过中的产热，幸免电板温渡过高，也不错提高电板使用寿命，擢升系统运行遵守。
在目下储能规模中，液冷技能凭借更佳的温控遵守等概括上风，已成为最主流的电板热料理技能。动作最练习的液冷有打算，冷板冷却技能应用冷板将电板热量传递给顽固在轮回管路中的冷却液，已毕热量的振荡。动作一种“波折式”的液冷已毕有打算，冷板技能比较风冷换热遵守显贵擢升，均温性更佳。但其也存在一定短处，如冷板位置互异导致电芯两头区域温差过大，电芯高发烧量时冷板存在管路轮回阻力过大和功耗过高级。
基于对冷板冷却不及之处的鼎新想考，比年来，辩论东说念主员提倡了一种“径直式”的液冷已毕有打算，即浸没式液冷技能。浸没式冷却湮灭冷板，使电板与浸没冷却液径直宣战，将产热高效、快速、实时振荡。比较波折冷板式冷却，径直浸没式冷却表面上热阻更小，冷却遵守更高，温度均匀性更好。
国表里学者针对电板浸没式开展了部分辩论责任。Wang等通过践诺探究了不同浸没液温度和流量下浸没电板模组温度的瞬态变化情况；王宁等应用仿真评估了单管、双管和盘型的援手进液表情对于浸没模组最高温度的影响；吴成会等通过践诺对比了单电芯在浸没系统和强制风冷系统下的散热遵守互异；田钧等想象了一种模组浸没式系统，并与传统换热板技能进行了对比；刘周斌等通过仿真评估了不同流说念歧路数目下浸没式冷却系统的温度互异；姜威辩论了非稳态工况下电板模组浸没式流动重生的传热特色；饶钊辩论了低温环境下电板模组的预眷注况；卢乙彬等通过仿真分析了氟化液、硅油和矿物资油在浸没式冷却中的散热遵守互异；裴波等通过仿真辩论了浸没电板的预热和散眷注况；张进强等通过践诺辩论了不同充放电倍率下，浸没油量、环境温度及出进口位置对于浸没式模组温升特色的影响。
综上可知，由于电板浸没式冷却是一个新兴的辩论规模，现时有关辩论责任仍然处于起步阶段，广阔辩论内容存在空缺。同期，现时对于电板浸没式的辩论仅限于几颗电芯或模组级别的冷却，仍莫得文件针对竣工电板包的冷却进行有关的浸没式预辩论和创新想象。
针对上述辩论现象，本责任以某电板包动作辩论对象，当先想象了适用于该电板包的浸没式新式散热系统，通过数值仿真评估了该系统的温度场和流场特色，并与相轸恤况下冷板冷却系统的温度特色进行了对比分析。接着在此基础上通过数值仿真定量探究了浸没冷却液流量、电芯毛病和喷射孔数目变化对于浸没电板包冷却遵守的影响。本责任旨在为今后储能电板浸没式的创新辩论和骨子征战提供一定的想象参考想路和热流场规章回首。
1 电板包浸没冷却系统想象
1.1 电板包情况及浸没系统散热结构想象
本责任中式的储能锂电板包及浸没式液冷系统散热想象如图1所示。
图1储能锂电板包偏激浸没式液冷系统电板包由4列模组组成，单个模组由13颗电芯组成，共52颗。其中，电芯局势为方形，材料为磷酸铁锂，长宽高尺寸分别为174.4 mm×71.5 mm×207 mm。电板包都备浸没在冷却液中，浸没式液冷系统的进口位于左上端，出口位于右下端。在进口侧想象了用于援手进液的主通说念及分支的喷射孔，用来已毕相对均匀的轮回进液，其中喷射孔位于电芯毛病位置。冷却液从进口投入，通过主通说念后再由喷射孔喷入浸没系统里面，已毕对电板包的合手续冷却。喷射孔孔径D=5 mm，孔长L=4D。同列电芯毛病为0.5D，异列电芯毛病为1.4D。为了已毕浸没冷却液与电芯的充分宣战，电芯底部预留高度3D。
1.2 浸没冷却液选型
冷却液动作浸没式系统的中枢，由于径直浸泡电芯将其热量带走，其热物性能的确径直决定了浸没系统的冷却性能。近些年来，氟化液束缚被应用于电板浸没式冷却规模中。这主淌若因为氟化液具有温控性能精致、绿色环保、介电常数低、材料兼容性精致等上风。因此，本责任中式了好意思国3M公司Novec7000型氟化液动作浸没冷却液，其主要热物性参数见表1。
表1 Novec7000热物性参数(20 ℃)
2 数值模拟
2.1 臆测模子及范畴条目
本责任臆测模子如图1所示。表2和表3分别列出了臆测范畴条目和电芯热物性参数。电芯中式海辰铁锂280 Ah电芯，其物性参数来源于践诺室测量。其中，电芯发烧量由充放电倍率覆按获得；密度由电芯质地和体积测算获得；热诱掖导受瞬变平面热源法测量；比热容阐发热量法对电芯进行加热和测算获得。
表2 臆测范畴条目
表 3 电芯热物性参数
2.2 臆测建树
本责任应用某热流体仿真软件，中式Realizable k-ε湍流模子臆测。接管Coupled算法，将高精度二阶顶风步骤应用于方程摧毁，确保臆测闲散拘谨。同期设定严格的残差法度确保臆测的精确性，其中能量方程残差低于1.0×10-7，都集性、动量及湍流方程残差低于1.0×10-5。监控电芯体平均温度，确保残差拘谨时各监测电芯的体平均温度值达到闲散。
2.3 网格生成和无关性考证
本责任应用高精度多面体-六面体中枢网格分别对浸没流体区和电芯固体区进行网格别离，生成网格情况如图2所示。为确保网格精度，需针对数值瞻望限制进行网格无关性考证，见表4。表4列出了5组不同数目的网格有打算偏激对应的电芯体平均温度瞻望情况。由瞻望限制可知，跟着网格数目增多，瞻望温度束缚变化，直至有打算3、4和5时温度瞻望情况的确一致。由此可见，当网格数目不少于有打算3中时，电芯温度瞻望可以为达到闲散。综总臆测精度和资本，最终笃定有打算3用于后续仿真臆测，网格总和约为1845万。
图2臆测网格表4 网格无关性考证有打算及瞻望限制
3 限制与商讨
3.1 电板包浸没系统想象的仿真评估
当先针对本责任中研发想象的新式浸没电板包系统进行评估。图3展示了浸没系统下电板包名义温度散播。为了对比电板包温度特色，在交流流量等条目下，对电板包进行了波折式冷板冷却想象，其中液冷板置于电芯底部，并进行了仿真评估。图4展示了波折冷板冷却下电板包名义温度散播情况。通过图3和图4的对比分析发现：①在浸没冷却想象下，电芯举座温度散播在24～26 ℃，同期电芯顶底温度及相邻电芯温度一致性均保合手较好；②在冷板冷却想象下，电芯举座温度散播在21～
图3电板包浸没式冷却系统温度散播
图4电板包冷板式冷却系统温度散播34 ℃之间，尽管相邻电芯间温度一致性较好，但电芯顶底温度互异较大。
为了进一步定量形色电板包温度特色，分别中式电板包顶面和底面的最高温度，并将浸没式和冷板式下电板包的温度数据进行统计和比较，见表5。由表中数据分析可知：①在电板包顶面，比较冷板式冷却，浸没式冷却下电板包最高温度和最大温差分别镌汰了8.30 ℃和0.76 ℃，因此浸没式显着擢升了电板包举座的温度性能；②在电板包底面，冷板式冷却由于液冷板径直宣战导致底面温度偏低，浸没式冷却下电板包最高温度比较冷板式高了4.49 ℃，但最大温差基本交流；③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 ℃，比较冷板式冷却镌汰了11.55 ℃。因此浸没式冷却大幅度改善了冷板冷却时电芯顶底区域温差过大的问题。
表5 电板包浸没冷却系统温度数据(℃)
为了潜入探究浸没系统中冷却液的流动情况，作水平经过喷射孔中线的截面1，如图5所示。
图5截面1位置图6展示了截面1上的速率及流线散播情况。由图可知：在喷射孔的作用下，冷却液均的确沿着垂直于进液通说念的标的均匀喷入浸没系统中。均匀的冷却液轮回流动是使得电板包温升和温差获得改善的根柢原因。
图6截面1上速率及流线散播3.2 冷却液进口流量影响
为了探究冷却液进口流量对于电板浸没式系统温度特色的影响，分别中式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。
为了浅陋对比不同工况下温升和温差的变化速率，在此规则温度变化率∆T=|T2-T1|/T1×100%，其中，下标1和2分别暗示温度变化前后的工况，T则暗示现时工况下的温度值。
图7展示了不同冷却液流量条目下电板包顶面最高温度散播。由图不错发现：①跟着冷却液流量的加多，电板包顶面最高温度迟缓下跌。冷却液流量平均每加多2.5 L/min，电板包最高温度下跌约2.5 ℃。②不同冷却液流量阶段温升下跌率有所互异，冷却液流量从2.5 L/min加多至10 L/min经过中，温升下跌率分别为15.73%、6.74%、3.86%。因此在5 L/min之前，冷却液流量加多对于最高温度的削弱更灵验，在此之后削弱作用迟缓减轻。
图7不同浸没冷却液流量下电板包顶面最高温度图8展示了不同冷却液流量条目下电板包顶面最大温差散播。由图不错发现：①最大温差变化趋势与最高温度交流，即跟着冷却液流量的加多，最大温差显贵下跌。冷却液流量平均每加多2.5 L/min，电板包最高温度下跌约0.76 ℃；②不同冷却液流量阶段温差下跌率有所互异，冷却液流量从2.5 L/min加多至10 L/min经过中，温升下跌率分别为47.35%、26.63%、25.00%。因此在5 L/min之前，冷却液流量加多对于最大温差的削弱更灵验，在此之后削弱作用迟缓减轻。
图8不同浸没冷却液流量下电板包顶面最大温差为了分析不同冷却液进口流量下浸没系统的流场特征，图9展示了截面1上的速率散播情况。由图可知：①跟着冷却液流量的加多，由喷射孔喷射出的冷却液速率显贵擢升。②冷却液速率的擢升促使其向隔离进口的浸没区域束缚扩展，因此浸没区域举座的流速擢升。流速的擢升有助于增强冷却液和电芯间的对流换热。这亦然跟着冷却液流量加多，电板系统的温度性能迟缓擢升的根柢原因。③流量加多，流场速率散播迟缓趋于同样[图9(c)、(d)]。这不错解说为何冷却液加多至5 L/min之后，其对于温度性能的擢升作用迟缓减轻。
图9不同浸没冷却液流量下截面1上的速率散播3.3 电芯间距影响
为了探究电芯间距大小对于浸没电板包温度的影响，规则三种电芯间距的臆测工况，见表6。
表6 不同电芯间距的臆测工况
图10展示了不同电芯间距下电板包顶面最高温度散播。由图不错发现：①跟着电芯间距加多，电板包顶面最高温度呈现迟缓下跌的趋势。异列间距平均加多0.7D，同列间距平均加多0.25D，最高温度平均下跌了0.44 ℃。②跟着电芯间距的加多，最高温度下跌率分别为3.58%和1.36%。电芯间距加多对于最高温度的削弱作用迟缓镌汰。
图10不同电芯间距下电板包顶面最高温度图11展示了不同电芯间距下电板包顶面最大温差散播。由图不错发现：①跟着电芯间距加多，电板包顶面最大温差也呈现迟缓下跌的趋势。异列间距平均加多0.7D，同列间距平均加多0.25D，最大温差平均下跌了0.47 ℃。②跟着电芯间距的加多，最大温差下跌率分别为26.84%和18.34%。电芯间距加多对于最大温差的削弱作用迟缓镌汰。举座来看，冷却液流量变化对于电板包温升和温差的影响进度高于电芯毛病的影响。
图11不同电芯间距下电板包顶面最大温差为了探究不同电芯间距下的浸没系统流场特色，作水平经过电板包的截面2，如图12所示。
图12截面2位置图13对比了三种电芯间距下截面2上的速率散播。由图可知：跟着电芯间距的加多，通过电芯间的流体速率迟缓擢升，如图13(b)、(c)中白色虚线框中所示。毛病流速的加多有助于擢升电芯与冷却液间的对流换热强度，因此浸没系统的温度性能束缚擢升。法度毛病和大毛病工况比较，电芯间流速大小差距迟缓缩小，这是间距加多至一定进度后对于温度性能擢升作用被削弱的根柢原因。
图13不同电芯间距下截面2上的速率散播3.4 喷射孔数目影响
为了探究喷射孔数目对于浸没电板包温度的影响，规则两种喷射孔数目情况，见表7。
表7 不同喷射孔数目的臆测工况
图14分别展示了工况2和4下的喷射孔具体情况。在开首工况2想象中，喷射孔仅叮嘱于同列电芯毛病位置；而工况4在工况2的基础上，在每个电芯中间位置荒芜加多1个喷射孔，共计25个。
图14不同喷射孔图15和图16分别展示了两种喷射孔数目下电芯顶面最高温度和最大温差情况。由图可知：①跟着喷射孔数目加多1倍，最高温度仅稍许削弱了0.14 ℃，温度下跌率为0.93%；②跟着喷射孔数目加多1倍，最大温差加多了1.24 ℃，温差加多率为73.37%。由此可见，喷射孔数目的加多的确未对电板包最高温升产生影响，但显贵加多了电板包最大温差。
图15不同喷射孔数目下电板包顶面最高温度
图16不同喷射孔数目下电板包顶面最大温度差为了潜入探究喷射孔数目增多导致温差增大的原因，图17对比展示了两种工况下电芯顶面温度散播。由图可知：比较工况2，喷射孔数目的加多使得侧边区域的电芯冷却获得了显着改善，该区域部分位置温度镌汰至22～23 ℃，如图17(b)中红色虚线框中所示。由于其他区域温度范围并未发生改革，因此电板包内电芯间温差加多，温度一致性镌汰。
图17不同喷射孔数目下电板包顶面温度散播云图图18对比了喷射孔数目加多前后截面1上的流场速率散播情况。由图可知：喷射孔数目加多后，都集喷射孔出口区域的流速显贵加多，如图18(b)中白色虚线方框中所示。该区域碰巧对应图17中红色虚线框对应的电芯区域，流速的加多使得电芯名义的最低温度显贵下跌，因此酿成了举座温差变大。
图18不同喷射孔数目下截面1上的速率散播4 结 论
针对某型电板包，想标志战了适用于该电板包的新式浸没式散热系统，并通过数值仿真评估了浸没系统的流场特色及电板包的温度场特色。接着探究了浸没冷却液进口流量、电芯毛病和喷射孔数目变化对于电板包温度场的影响。主要论断如下：
（1）在现时想象的新式浸没冷却系统下，比较于波折式冷板冷却系统，电板包顶面最高温度和最大温差分别下跌了8.30 ℃和0.76 ℃，冷却性能举座显贵擢升；同期浸没冷却下电芯顶底两面最大温差仅为1.41 ℃，比较冷板式下跌了11.55 ℃，冷板冷却下电芯顶底温差过大的问题获得大幅度改善。
（2）跟着浸没冷却液流量的加多，电板包顶面最高温度和最大温差均呈现显贵下跌的趋势。冷却液流量平均每加多2.5 L/min，电板包最高温度下跌约2.5 ℃，最大温差下跌约0.76 ℃；不同流量阶段电板包温升和温差下跌率有所不同：当流量低于5 L/min时，温升和温差下跌率较高，分别平均为15.73%和47.35%；当流量高于5 L/min时，温升和温差下跌率迟缓镌汰，平均为5.30%和25.82%。
（3）跟着电芯间距的加多，电板包顶面最高温度和最大温差均呈现稍许下跌的趋势。异列间距平均擢升0.7D，且同列间距平均擢升0.25D，电板包最高温度平均下跌约0.44 ℃，最大温差平均下跌约0.47 ℃；跟着电芯间距的束缚加多，温度和温升下跌率呈迟缓下跌的趋势，其中最高温差下跌率分别为3.58%和1.36%，最大温差下跌率分别为26.84%和18.34%。
（4）跟着喷射孔数目加多1倍，电板包顶面最高温度稍许下跌了约0.14 ℃，最大温差显贵擢升了约1.24 ℃。
通信作家：李岳峰（1995—），男，博士，工程师，辩论标的为储能、发电机热料理及涡轮叶片主动热驻扎技能，E-mail：lyf0304@mail.ustc.edu.cn。
本刊推选（点击图片可跳转到相应著作书册）
邮发代号：80-732
关系热线：010-64519601/9602/9643
投稿网址：http://esst.cip.com.cn/CN/2095-4239/home.shtml开云体育(中国)官方网站
海量资讯、精确解读，尽在新浪财经APP