转自：GDUT新能源与能源综合利用团队
研究背景
相比于传统冷却方式，由于介电冷却液具有高比热容和对流换热系数，浸没式冷却具备出色的载热能力。由于冷却液与LIBs直接接触，浸没式冷却拥有全覆盖的接触面积，接触热阻可以忽略不计，而且冷却剂的用量可以根据需要调整，简化了BTMS的结构设计。此外，当出现极端条件时，冷却剂通过加速循环具有吸收大量热量的潜力。而且因为LIBs整体浸泡在冷却剂中，与空气完全隔绝，浸没式冷却可以起到阻止燃烧的作用，从源头降低热失控的风险。再者，相比于电动汽车等应用场景，浸没式冷却更适配于储能系统。这是因为储能系统工作环境相对稳定，不像移动设备那样需要频繁应对变化的工况，因此对重量的要求不高，重量是次要考虑因素，这使得浸没式冷却系统能够使用足够的冷却液和更大体积的冷却设备，以应对大规模储能系统的热管理需求。此外，储能系统通常采用模块化设计，浸没式冷却的模块化设计使得系统扩展和维护更加便捷，保障了系统的可靠性和高效运行。
文章摘要
浸没式冷却在与传统的电池热管理（BTMS）方式相比时表现出优异的冷却性能，然而，浸没式冷却中冷却液和锂离子电池（LIBs）同时存在温度空间差异性的问题。对此，本文提出了一种基于梯度冷却的浸没式电池热管理系统 (GSIC BTMS)，通过实验研究了该结构在包括极端负载的不同工况下的散热性能。结果表明，在静态浸没式冷却(SFIC)条件下，极耳部分的冷却效应对整体的冷却效应影响显著，将极耳浸没可以把电池最高温度降低10.4°C，但温度空间差异性问题仍然存在。在强制流动（FFIC）条件下，增加冷却液流速有效地将LIBs产生的热量移除，即使在极端负载5C放电倍率下，最高温度仍低于45°C。极耳处平均温度的下降幅度大于电池本体处，随着流速的增加，所有工况下二者的温差均可被控制在1°C以内，低负载下进一步增加流速极耳处平均温度甚至低于电池本体处，这说明GSIC BTMS有效地抑制了极耳这一热风险区域的温升。同时LIBs模组的整体温度均匀性也得到改善，在流速增加时，电池模组温差在1C-5C的放电倍率下均呈下降趋势，没有出现温降与均温性的矛盾。结合理论分析证明，低负载条件下增加流速仍然可进一步抑制温升，但加剧功耗的同时也降低了冷却效率，而高流速更适用于电池的高负载条件。这些结果证实了GSIC BTMS的可行性，为浸没式冷却BTMS的更为有效地开发提供了新的见解。
文章内容
冷却液和LIB同时存在温度空间差异性问题，本文以EBC160冷却液（中石油克拉玛依石化有限责任公司炼油化工研究院）为介电流体，方形LIBs为电芯，提出了一种基于梯度冷却的浸没式电池热管理系统，利用了冷却液的温度空间差异性，引导了入口处较低温的冷却液首先流动到极耳处并将其充分冷却，然后继续流动至LIB本体处。这种顺序冷却的设计消除了冷却液的温度空间差异性造成的不利影响，并将其转化成温度梯度上的优势。高冷却液流速下LIBs模组温降与均温性的矛盾得到改善。极耳区域作为潜在热风险最大的区域，在该结构中得到特别关注和有效控制。
Fig. 1. (a) 系统示意图 (b) 传感器位置 (c) 浸没式顺序冷却
SFIC中LIBs与冷却液的传热方式为自然对流，当LIBs在放电过程中温度不断提高时，LIBs与冷却液形成了温度梯度，从而发生传热，冷却液密度受温度影响，产生浮力效应，形成自然对流流动，该冷却方式无需额外功耗。该实验明确了极耳部分在整体散热的重要性。
Fig. 2. 不同放电倍率下自然风冷和SFIC的电池模块最高温度和温差
随着体积流速从0ml/min增加到1000ml/min，2C,3C,4C,5C放电倍率下最高温度分别从40.7、43.7、47.0、49.2°C下降至32.8、37.2、40.6、43.4°C，总体下降7.9、6.5、6.4、5.8°C。这表明冷却液流量的增大明显增强了系统整体的冷却能力。在与空气冷却相比时，最高温度降低了16.3、19.4、20.0、25.2°C。
Fig. 3. 不同放电倍率和流速下电池的最高温度
从图4（a-b）中可以观察到，在2C、3C的放电倍率下，极耳处温度的最大降幅分别达到8.1°C和7.2°C，而电池本体的温度最大降幅为6.4°C和4.9°C。当体积流速达到400ml/min时，极耳与电池主体处的温度差异已经显著减小，最大温差在0.7°C以内。随着体积流速进一步增加至1000ml/min时，二者温差进一步缩小，特别是在放电过程中电阻降低的后期，极耳的温度甚至低于电池主体的温度。在极端负载的情况下，锂离子电池模组会更迅速积累热量，观察图4（c-d）可以发现，即使在4C、5C的极端工况下，极耳处的温度最大降幅也能达到7.0和5.9°C，电池本体的温度最大降幅则为4.0和2.8，在体积流速在达到800ml/min以上时仍可将极耳与电池本体的温度保持在1°C以内，这表明系统的梯度冷却结构有效地抑制了极耳这一热敏感区域的温度，减少了由于温度梯度引起的内部应力，使其温度曲线与电池本体温度曲线在很大程度上重叠。
Fig. 4. 顺序冷却效应
使用Grashof number(Gr)进行表征自然对流的程度：
自然对流中的Nusselt Number（Nun）被用来表示流体由温差引起的热传递程度：
系统在强制对流的过程中的传热系数计算：
Fig. 5. 不同放电倍率和流速下对流换热系数随时间的变化
Fig. 6. 不同放电倍率和流速下稳定阶段的平均对流换热系数
Nu的计算如下：
Fig. 7. 不同放电倍率和流速下Nu数的大小
运行能耗是衡量热管理系统的效率的重要指标。在确保热管理系统有效性的同时，权衡冷却效果和功耗之间的关系是有必要的。以电池模组单次完整放电内消耗的电量为基准，统计了系统热管理的功耗占比，结果如图8所示。
Fig. 8. 不同放电倍率和流速下热管理的功耗占比
GSIC的设计成功利用了冷却液在出入口的空间温度差异性，LIBs在1C-5C放电倍率极耳下的热管理需求得到了解决，极耳在梯度冷却的过程中得到了有效的冷却。
该工作的科学价值主要体现在：
（1）设计并测试了基于梯度冷却的浸没式电池热管理系统结构；
（2）冷却剂的温度空间差异性的风险被转化成温度梯度的优势；
（3）在5C的速率下，极耳与电池本体之间的温差仍可保持在1°C以内；
（4）传热过程的理论分析验证了结构的可行性和测试的科学性。
