摘 要：【目的】為了研究基于多流道液冷板的儲能電池模塊溫度特性，設(shè)計了高效散熱的液冷儲能電池模塊?！痉椒ā坎捎梅抡婺M方法，建立液冷儲能電池模塊流—固耦合模型，分析液冷儲能電池模塊在1 P充放電功率下的冷卻液流場和電池溫度場的分布特性，并結(jié)合試驗進行驗證?！窘Y(jié)果】該液冷儲能電池模塊以額定功率1 P充放電時，電池單體表面最大溫升為12.5 ℃，最大溫差為3.2 ℃?！窘Y(jié)論】該液冷儲能電池模塊具有良好的溫度控制能力，可為大容量儲能系統(tǒng)的熱管理設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞：液冷；電池模塊；熱仿真；溫度控制

中圖分類號：TG333" " "文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）20-0010-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.002

Design and Simulation of Liquid-Cooled Energy Storage Battery Module

Abstract：[Purposes] In order to study temperature characteristics of energy storage battery module based on multi-channel liquid-cooled plate， this paper designed efficient heat dissipation liquid-cooled energy storage battery module. [Methods] The fluid-solid coupling model of liquid-cooled energy storage battery module was established by simulation method. The distribution characteristics of coolant flow field and battery temperature field of liquid-cooled energy storage battery module under 1 P charging and discharging power were analyzed and verified by experiments. [Findings] When the liquid-cooled energy storage battery module was charged and discharged at 1 P， the maximum temperature rise of batteries was 12.5 ℃ and the maximum temperature difference was 3.2 ℃. [Conclusions] The result indicated that the liquid-cooled energy storage battery module had good temperature control ability， which could provide reference for the thermal management design of the energy storage system.

Keywords： liquid-cooling; battery module; thermal simulation; temperature control

0 引言

鋰離子電池因其能量密度大、循環(huán)壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)點而得到了大力發(fā)展，在電力系統(tǒng)發(fā)—輸—配—用的各個環(huán)節(jié)中應(yīng)用廣泛。但鋰離子電池的性能、壽命和安全性對溫度較為敏感，因此，良好的熱管理是保證電池持續(xù)高效工作的重要途徑［1］。

在電力儲能領(lǐng)域，鋰離子電池的散熱技術(shù)主要有風(fēng)冷散熱和液冷散熱，其中風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、成本較低，是當(dāng)前儲能系統(tǒng)主要的溫控方案。但隨著儲能系統(tǒng)能量密度的提升、應(yīng)用場景的多樣化及電池溫度控制的規(guī)范化，風(fēng)冷散熱方式對儲能電池系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)滯后、系統(tǒng)溫差大、調(diào)溫能力差及風(fēng)冷儲能安全性不足等問題將更加突出［2］。液冷散熱技術(shù)以水+乙二醇混合溶液為冷卻介質(zhì)，通過對流換熱將電池產(chǎn)生的熱量帶走，相較于風(fēng)冷散熱，液冷散熱技術(shù)具有更高的散熱效率、更低的能源消耗，可以保證電池溫升更低且溫度均勻性更高，從而提高儲能系統(tǒng)多工況的適應(yīng)能力［3］。液冷儲能技術(shù)逐漸成為目前大容量儲能系統(tǒng)散熱技術(shù)的主流研究和發(fā)展方向，研究人員在儲能電池液冷技術(shù)方面開展了更多的研究［4-6］。

合理的液冷板結(jié)構(gòu)是保障液冷儲能電池模塊具有優(yōu)良散熱性能的關(guān)鍵。本研究設(shè)計了一種多流道結(jié)構(gòu)液冷板，開展了基于該液冷板的儲能電池模塊散熱仿真模擬研究，并完成液冷儲能電池模塊的溫度特性試驗驗證。

1 液冷電池模塊設(shè)計及仿真模型建立

1.1 電池模塊設(shè)計

本研究設(shè)計的液冷電池模塊所使用的液冷板結(jié)構(gòu)如圖1所示，該液冷板采用導(dǎo)熱性高的鋁型材料擠壓而成。液冷板左側(cè)為冷卻液進口，右側(cè)為冷卻液出口，流道為多流道結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以增大冷卻液與液冷板的接觸面積，從而提高液冷板的散熱能力。此外，為了提高冷卻液在流道內(nèi)流動的均勻性，在液冷板后端增設(shè)圓柱狀擾流點，通過阻礙冷卻液的流動，來提高冷卻液的流動均勻性。

根據(jù)液冷板結(jié)構(gòu)特點，本研究設(shè)計的液冷儲能電池模塊如圖2所示。電池模塊由箱體、電池、電池管理系統(tǒng)從控單元、液冷板等組成，內(nèi)部集成溫感、煙感、氣體探測器等多狀態(tài)監(jiān)測模塊，用于監(jiān)測電池模塊內(nèi)部的火災(zāi)狀態(tài)。其中，電池單體采用磷酸鐵鋰電池（上海產(chǎn)），額定容量280 Ah，額定電壓3.2 V。電池模塊的電池成組方式為1并52串，額定容量280 Ah，額定電壓166.4 V。電池模塊內(nèi)部設(shè)置12組溫度采集點，用于采集各電池單體的溫度。

1.2 仿真模型建立

本研究采用三維制圖軟件來建立液冷儲能電池模塊幾何模型，采用流體仿真軟件建立仿真模型，開展電池模塊氣流場和溫度場仿真分析。

1.2.1 控制方程。液冷電池模塊散熱模型數(shù)值計算中主要涉及的物理問題有腔體內(nèi)的傳導(dǎo)換熱及固體之間的熱傳導(dǎo)。根據(jù)質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，該仿真模型的流動方程采用連續(xù)方程、動量方程及k-ε湍流方程，導(dǎo)熱方程采用能量方程。

1.2.2 仿真模型。液冷電池模塊簡化后的仿真模型如圖3所示，該模塊由電池模塊箱體、52只單體電池、電池組固定端板、底部液冷板組成。電池單體并列四排依次排列，與底部液冷板緊密接觸，兩側(cè)固定端板將電池組固定，將模型導(dǎo)入仿真軟件后，在仿真軟件中對其劃分網(wǎng)格。

1.2.3 邊界條件。計算域劃分為冷卻液所在的流體域，電池單體、固定件、液冷板、液冷管路所在的固體域以及箱體內(nèi)部的空氣域。進口采用速度進口邊界條件，冷卻液流量為10 L/min，出口采用充分發(fā)展的壓力出口邊界條件。仿真時環(huán)境溫度為35 ℃，液冷電池模塊初始溫度為35 ℃，進口冷卻液溫度為22 ℃。電池單體簡化為均勻的發(fā)熱體，以功率1 P運行時，電池單體發(fā)熱功率為13 W。

2 液冷電池模塊仿真分析

2.1 流場仿真

液冷電池模塊內(nèi)部液冷板流場和流體矢量場仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，冷卻液從液冷板左側(cè)入口進入流道，分流后沿著流道逐漸向右側(cè)出口流動；冷卻液在液冷板流道內(nèi)流動較為均勻，無渦流產(chǎn)生。

2.2 溫度場仿真

液冷電池模塊1 P連續(xù)充放電運行溫度場仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5（a）電池模塊整體溫度場和圖5（c）電池模塊縱截面溫度場可以看出，電池溫度從下往上呈梯度分布，高溫區(qū)在電池上部，低溫區(qū)在電池下部，越靠近液冷板，電池的溫度越低。這是因為電池底部與液冷板直接接觸，通過與液冷板流道內(nèi)的冷卻液進行熱交換，實現(xiàn)了快速散熱，故溫度下降顯著。而電池頂部只能通過熱量的向下傳導(dǎo)散熱，故溫度更高。從圖5（b）電池模塊橫截面溫度場可以看出，電池模塊同一高度截面上，電池包左側(cè)電池溫度要稍高于右側(cè)電池溫度。這是因為冷卻液從電池包左側(cè)進入液冷板后，在液冷板流道內(nèi)從左到右的流動過程中，與電池進行熱交換，導(dǎo)致冷卻液溫度升高，冷卻效果逐漸下降，但電池模塊整體溫度的一致性較好。

在仿真過程中，對各電池單體表面溫度進行監(jiān)測，溫度監(jiān)測點設(shè)置在電池頂部中間位置如圖6所示。每個電池組設(shè)置3組溫度監(jiān)測點，共計12組，溫度監(jiān)測點編號分別為T1-1～T1-3、T2-1～T2-3、T3-1～T3-3、T4-1～T4-3。

液冷電池模塊1 P充放電過程中，電池單體模擬溫度曲線如圖7所示。電池單體表面初始溫度為35.0 ℃，充放電結(jié)束后，電池單體表面最高溫度為49.0 ℃，最低溫度為46.0 ℃，最大溫升為14.0 ℃，監(jiān)測點的電池單體間最大溫差3.0 ℃，具有較高的溫度一致性，這說明液冷板結(jié)構(gòu)具有較好的溫控效果。

3 試驗驗證

按照《電力儲能用鋰離子電池》（GB/T 36276—2023）標(biāo)準(zhǔn)的要求，對研制的液冷儲能電池模塊進行充放電測試。通過電池管理系統(tǒng)從控單元采集電池單體表面溫度，溫度采集點為仿真模擬溫度的對應(yīng)點位置。電池模塊充放電測試設(shè)備為充放電儀（購自北京大華品耐科技有限公司，PSC900—300），測試時電池模塊充放電倍率為1 P，充放電電壓范圍為2.80 ～3.65 V，測試環(huán)境溫度為35 ℃。

液冷儲能電池模塊1 P充放電過程中電池溫度曲線如圖8所示。電池模塊以恒功率1 P連續(xù)充放電后，電池單體表面最高溫度為47.5 ℃，最低溫度為44.3 ℃，最大溫升12.5 ℃，最大溫差3.2 ℃。電池模塊溫度測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，表現(xiàn)出良好的溫度一致性。

4 結(jié)語

本研究以磷酸鐵鋰電池為研究對象，開展了基于多流道結(jié)構(gòu)液冷板的儲能電池模塊散熱設(shè)計及仿真。通過數(shù)值模擬，獲得液冷儲能電池模流場和溫度場分布特性，在此基礎(chǔ)上，研制出液冷儲能電池模塊，并開展液冷儲能電池模塊大功率連續(xù)運行下溫度特性試驗研究。液冷儲能電池模塊1 P連續(xù)充放電下，電池單體表面最大溫升12.5 ℃，最大溫差3.2 ℃，溫度一致性優(yōu)異，表明該散熱結(jié)構(gòu)液冷儲能電池模塊具有良好的溫控能力，可極大改善電池模塊溫升高、溫度分布不均勻的問題，同時驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

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