浸沒(méi)式液冷儲(chǔ)能電池包箱體研究

鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車，其在充放電循環(huán)過(guò)程中，內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高，過(guò)高的溫升會(huì)影響鋰離子電池的充放電效率，并加速其老化過(guò)程，從而縮短其壽命，甚至還有可能導(dǎo)致熱失控。因此需要對(duì)鋰離子電池模組運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行熱管理。

目前鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要有空冷、液冷及相變材料冷卻。在某些極端條件下單一空冷及相變材料冷卻不能滿足熱管理需求。近年來(lái)越來(lái)越多的研究集中于液冷熱管理系統(tǒng)，液冷系統(tǒng)根據(jù)冷卻液與電池接觸方式分為間接式和直接式液冷。

對(duì)于儲(chǔ)能電池包散熱而言，直接式液冷，也就是浸沒(méi)式液冷冷卻技術(shù)既可以保證電池處于合適的溫度范圍內(nèi)，又可以保持電池包內(nèi)具有良好的溫度均勻性，同時(shí)可能是未來(lái)發(fā)展的方向。近年來(lái)，不少國(guó)內(nèi)電池包企業(yè)通過(guò)研究和試驗(yàn)證明了浸沒(méi)式液冷比間接式液冷電池包在降低電池包內(nèi)溫度問(wèn)題和提高電池包內(nèi)溫度均勻性方面有一定的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)針對(duì)浸沒(méi)式液冷技術(shù)的研究基本都是基于選擇氟化液作為冷卻介質(zhì)進(jìn)行研究，但是當(dāng)前主流冷卻介質(zhì)氟化液存在顯著缺陷：其低比熱容和低導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致散熱效率受限，且生物累積性強(qiáng)、價(jià)格昂貴（成本占比超系統(tǒng) 30% ），嚴(yán)重阻礙技術(shù)推廣。同時(shí)替代介質(zhì)如礦物油、硅油雖具備高比熱容、高導(dǎo)熱性和成本優(yōu)勢(shì)，價(jià)格僅為氟化液1/10～1/5 ，卻因存在閃點(diǎn)（ gt;150^°C ）引發(fā)燃燒風(fēng)險(xiǎn)，難以滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。因此需設(shè)計(jì)安全、高效、低成本的新型浸沒(méi)冷卻系統(tǒng)。

新型浸沒(méi)式冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.冷卻介質(zhì)的選型

對(duì)于純電動(dòng)汽車浸沒(méi)式液體冷卻電池包所使用的冷卻液，目前文獻(xiàn)中常見(jiàn)的主要有礦物油、硅油和氟化液等。

礦物油由于具有較好的電絕緣性，被廣泛應(yīng)用于浸沒(méi)式液體冷卻技術(shù)中。但是大多數(shù)礦物油的熱力學(xué)性能總體不如水；而且礦物油的黏度普遍比較高，導(dǎo)致在實(shí)際系統(tǒng)中，循環(huán)礦物油所需的泵功率較大，可能會(huì)對(duì)純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程有一定影響。此外，雖然礦物油的燃點(diǎn)比較高，但仍然具有可燃性，在一定程度上增加了電池包的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此不考慮選用礦物油作為浸沒(méi)式液體冷卻電池包內(nèi)的冷卻液。

根據(jù)文獻(xiàn)與行業(yè)內(nèi)使用的硅油和氟化液數(shù)據(jù)，目前主要對(duì)AC6000氟化液與ICL-1000改性硅油的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了分析，見(jiàn)表1。

表1氟化液與改性硅油的關(guān)鍵性能參數(shù)對(duì)比

AC6000氟化液與ICL-1000改性硅油在關(guān)鍵性技術(shù)上還存在以下情況。

1）安全特性差異。AC6000氟化液依靠分子結(jié)構(gòu)中C-F鍵的高穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)不可燃，但高溫分解可能產(chǎn)生HF等劇毒氣體。

2）材料成本優(yōu)勢(shì)。氟化液與改性硅油成本對(duì)比見(jiàn)表2。

表2氟化液與改性硅油成本對(duì)比

因此ICL-1000改性硅油在熱物性、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性方面顯著優(yōu)于AC6000氟化液，通過(guò)箱體設(shè)計(jì)解決閃點(diǎn)防護(hù)問(wèn)題就能讓浸沒(méi)式液冷規(guī)?；瘧?yīng)用提供有效的解決方案。

2.電池包冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)

需開發(fā)一種電池包系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，破解硅油高溫燃爆難題，實(shí)現(xiàn)三重目標(biāo)：

1）安全防護(hù)升級(jí)。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到電芯溫度gt;250°C ，很快切換消防液灌注，阻斷燃燒條件。

2）熱管理效能優(yōu)化。日常冷卻采用改性硅油，較氟化液方案溫差降低。

3）系統(tǒng)成本控制。復(fù)用流道設(shè)計(jì)降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，較獨(dú)立消防系統(tǒng)節(jié)省成本。

基于此，考慮通過(guò)設(shè)計(jì)一種雙回路動(dòng)態(tài)切換技術(shù)，解決“高效冷卻”與“極端防護(hù)”的矛盾需求，為硅油浸沒(méi)冷卻規(guī)模化應(yīng)用提供安全保障。

3.電池包冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作原理

系統(tǒng)基于溫度閾值觸發(fā)介質(zhì)置換機(jī)制工作，如圖1所示。

圖1浸沒(méi)式電芯冷卻裝置連接關(guān)系示意

冷卻系統(tǒng)核心流程如下：

1）日常冷卻，硅油經(jīng)流道直接接觸電芯，強(qiáng)化對(duì)流傳熱。

2）險(xiǎn)情響應(yīng)，溫度 gt;250^°C 時(shí)，控制器切換閥門，斷開冷卻液回路，連通消防液回路，消防液（如全氟己酮）注入腔體置換硅油，實(shí)現(xiàn)快速降溫和惰化環(huán)境。

3）恢復(fù)機(jī)制，溫度 lt;80^°C 后切回硅油循環(huán)，消防液經(jīng)凈化回收。

4.電池包設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

浸沒(méi)式冷卻儲(chǔ)能電池包結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示，包括安裝底盤、隔離框、隔離板和若干密封膠條。安裝底盤底部沿長(zhǎng)度方向開設(shè)有冷卻槽，冷卻槽的兩側(cè)壁頂面設(shè)置有密封膠條。側(cè)壁之間設(shè)置進(jìn)液管和出液管，若干電芯安裝在隔離上。

圖2電池包箱體爆炸結(jié)構(gòu)示意

圖3安裝電芯的電池包結(jié)構(gòu)示意

電池包仿真分析

1.電池包流場(chǎng)仿真分析

（1）建立模型采用仿真軟件建立電池包內(nèi)流道模型，如圖4所示。介質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表3，采用ICL-1000改性硅油進(jìn)行仿真。邊界條件見(jiàn)表4，根據(jù)進(jìn)口面積計(jì)算得到進(jìn)口流速為 0.40095m/s. 。

圖4內(nèi)流道模型

表3介質(zhì)參數(shù)

表4邊界條件

（2）流場(chǎng)仿真結(jié)果進(jìn)出口壓降 3.8kPa ；進(jìn)口流道截面的速度如圖5所示，流場(chǎng)不存在明顯的流動(dòng)死區(qū)。

圖5進(jìn)口流道截面的速度云圖

2.電池包熱場(chǎng)仿真分析

（1）建立模型采用仿真軟件建立熱仿真模型如圖6所示。介質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表5，邊界條件見(jiàn)表6，采用ICL1000改性硅油進(jìn)行仿真，根據(jù)進(jìn)口面積計(jì)算得到進(jìn)口流速為 0.40095m/s 。

圖6熱場(chǎng)仿真模型

表5材料物性參數(shù)

表6邊界條件

（2）熱場(chǎng)仿真分析結(jié)果考慮膠層厚度后，壓降為 3.2kPa 。仿真溫度如圖7所示。溫度場(chǎng)仿真結(jié)果最大溫度差為 1.814^°C ，滿足純電動(dòng)汽車電池包行業(yè)設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)雙回路動(dòng)態(tài)切換系統(tǒng)，以改性硅油為冷卻介質(zhì)，常溫循環(huán)冷卻， gt;250^°C 切換消防液阻斷燃燒。仿真顯示溫差 ，滿足國(guó)標(biāo)，且共用流道降本、提升滅火效率。該系統(tǒng)解決了氟化液成本高、硅油燃點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，為浸沒(méi)式液冷規(guī)模化應(yīng)用提供了解決方案。

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