大规模锂离子电池组浸没式冷却系统多喷嘴入口结构优化的数值研究
来源：JLG电瓶 2026-02-27 10:52:05 点击：
摘要
锂离子电池的液体浸没冷却技术因其卓越的冷却性能而广受关注。本研究针对大型锂离子电池组（90S1P）的浸没冷却系统，提出了多喷嘴入口配置方案。研究表明，多喷嘴结构可迫使冷却液流经电芯间隙，从而显著强化冷却液与电芯间的传热效果。其中，电池组前端布置的多喷嘴入口（CIF）展现出比侧面布置（CIS）更优异的综合性能。在CIF配置中，喷嘴-电池间距、喷嘴直径与电池排间隙对系统温升、温差及压降具有显著影响。经确定其对应最优值分别为1 mm、20 mm和10 mm。优化配置下，采用2 L/min与5 L/min的流量分别对应1C和3C放电工况，以实现功耗、最高温度与温差的最佳平衡。当电池组以3C倍率放电时，其温升与温差仅分别为14.98°C与4.96°C。该研究结果凸显了浸没式液冷技术在大规模储能系统领域的巨大应用潜力。引言
目前，常见的电池热管理系统类型主要包括风冷、相变材料（PCM）冷却和液冷[7]。风冷系统因其设计简单、重量轻、成本低且无泄漏风险，曾是应用最广泛的电池热管理系统之一。然而，空气的低比热容和低导热性导致风冷系统的散热效率较低。对于大规模或高功率电池组，风冷系统难以有效冷却电池并维持组内温度均匀性[8][9]。相变材料（PCM）冷却技术利用电池单体间高潜热的相变材料吸收电池产生的大量热量，从而降低整体温升并提升电池包内温度均匀性[10][11][12]。然而作为被动冷却系统，当相变材料完全熔化后，PCM冷却系统将无法持续吸热，需耦合其他冷却技术协同工作[13]。此外，多数相变材料导热系数较低，导致热扩散性能较差。
根据液态冷却剂与电池的接触方式，液冷技术可分为间接液冷和浸没式冷却（亦称直接液冷）[14]。其中，间接液冷系统使冷却剂沿管道或冷却板的流道流动，这些管道或冷却板布置在电池模块的侧面或底部，将热量带离电池包。以水和乙二醇混合液为代表的冷却剂，其导热系数和比热容远高于空气[15]。因此，间接冷却系统展现出更优异的热消散性能，使其成为当前市场上应用最广泛的电池热管理系统。然而，复杂的附加金属组件增加了整体重量与成本。此外，冷却管道/板与电池之间较大的接触热阻，成为超快充条件（300 kW）下的技术瓶颈[16][17]。
近年来，浸没式冷却作为一种创新的热管理技术备受关注，该技术将电池部分或完全浸没于冷却剂中，并通过冷却剂的显热和/或潜热将产生的热量带走。由于冷却剂与电池之间不存在接触热阻，浸没式冷却具有极高的传热速率和更大的传热面积，与间接液冷相比[18][19][20]，可实现更高的冷却效率和更优的温度均匀性。Pulugundla等[21]报道称，与间接液冷相比，浸没式液冷能有效降低21700圆柱电池在3C倍率下的最高单体温度并改善其温度梯度。Dubey等[22]研究表明，在2C放电条件下，浸没系统的最高温升约为冷板系统的50%。给定冷却剂流速时，浸没冷却使导热系数提升2.5-3倍，同时将压降降低至冷板冷却的1/15-1/25。Liu等[23]指出，在2C放电倍率下，变压器油浸没冷却电池的最高温度与最大温差分别为37.35°C和2.64°C，显著低于自然风冷系统。总体而言，在高倍率放电场景中，浸没式液冷相较间接液冷与风冷具有显著优势。
在浸没式液冷系统中，冷却剂对散热效率与热可靠性至关重要。理想冷却剂应具备良好绝缘性、高比热容与导热系数、优异阻燃性、长使用寿命、无腐蚀特性、低密度及低黏度等特性。适用于单相浸没冷却系统的冷却剂包括碳氢化合物、酯类、氢氟醚、硅油及水性溶液等。Jithin等[24]对比了矿物油、AmpCool-AC100与去离子水的冷却效能。结果表明，去离子水在3C放电倍率下能更有效地将温升限制在2.2°C以内，而矿物油与AmpCool-AC100的热性能表现相当。除优异的散热能力外，当介电流体具备阻燃特性时，浸没式冷却还能有效降低电池热失控风险[25]。Bai等[26]通过过充实验研究了125Ah方形磷酸铁锂(LFP)电池在10#变压器油中的热失控特性。相较于风冷(0.0367°C/s−1），静态浸没冷却速率（0.0744 °C/s−1）与动态浸没冷却速率（0.1431 °C/s−1）分别高出两倍和四倍。
冷却液流速与电池间距等参数是优化冷却效率的关键因素。Zhou等[27]发现当硅油流速从1 mm/s提升至12 mm/s时，电池在3C放电工况下的最高温度可从38.9°C降至29.9°C。Huang等[28]通过实验研究了季戊四醇酯流速对系统热性能的影响，当流速由0.003 kg/s增至0.045 kg/s时，电池组温升可降低61%。然而，当流量从0.025 kg/s增至0.045 kg/s时，功耗将提升2.3倍。Liu等[29]通过FLUENT模拟软件研究了十六节38120型锂离子电池组成的电池包中单体间距对温度分布的影响。研究结果表明：随着单体间距从1 mm扩大至5 mm，电池模块的最高温升降低29%，温差由7.2°C减小至5.2°C。
尽管已有大量研究对浸没式冷却系统的性能进行了探讨，但多数研究聚焦于单体电池或小型模组，对大规模电池组的关注明显不足。当前，由数十或数百个大型方形电池构成的大规模电池组，已成为电动汽车或电网级储能系统实际应用的主流趋势。此外，由于实验装置的高成本与复杂性，数值模拟已成为大规模浸没冷却电池组早期设计与优化的可行替代方案。这些模拟通过建立模型来表征实际电池行为，并采用数值方法求解复杂方程。然而，在大规模浸没式电池组中，由于电池阵列间存在更多热源及复杂流场，传热行为变得更为复杂，这对热管理系统的设计提出了重大挑战。
在本研究中，主要创新点在于通过针对90S1P构型105Ah磷酸铁锂（LiFePO<sub>4</sub>）电池组浸没冷却系统的几何优化与入口结构设计的全面数值研究来解决这一问题。研究提出了多喷嘴入口结构，并确定了包括喷嘴直径（<i>D<sub>n</sub></i>）、喷嘴与电池组间距（<i>L<sub>n-b</sub></i>）以及电池间距（<i>S<sub>b</sub></i>）在内的关键几何参数。4%% %% ) 评估指标包括：电池最高温度、最低温度、平均温度、电池包内部最大温差以及冷却液压降。进一步对比了多喷嘴入口不同布置方向（电池包前端CIF或侧壁CIS）的冷却性能。最后针对电池包不同放电电流工况，优化了冷却液流速这一运行参数。noz模拟结果为大尺度电池包浸没式冷却系统的实际设计与热管理提供了重要指导依据。Dn), battery spacing (Drow) are assessed. The performance is evaluated based on the following metrics: maximum temperature, minimum temperature, average temperature of the batteries, maximum temperature difference within the battery pack, and pressure drop of the coolant. Moreover, the cooling performance of the multi-nozzle inlets with different directions positioned on the front (CIF) or the side (CIS) of the battery pack is compared. Finally, the operational parameter of coolant flow rate is optimized under various discharge current of battery pack. The simulation results provide valuable guidelines for the design and thermal management of practical immersion cooling system for large- scale battery packs.