浸沒式液冷儲能電池包箱體研究

鋰離子電池已經廣泛應用于電動汽車，其在充放電循環(huán)過程中，內部的電化學反應過程會導致電池溫度升高，過高的溫升會影響鋰離子電池的充放電效率，并加速其老化過程，從而縮短其壽命，甚至還有可能導致熱失控。因此需要對鋰離子電池模組運行過程進行熱管理。

目前鋰離子電池熱管理系統(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。近年來越來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。

對于儲能電池包散熱而言，直接式液冷，也就是浸沒式液冷冷卻技術既可以保證電池處于合適的溫度范圍內，又可以保持電池包內具有良好的溫度均勻性，同時可能是未來發(fā)展的方向。近年來，不少國內電池包企業(yè)通過研究和試驗證明了浸沒式液冷比間接式液冷電池包在降低電池包內溫度問題和提高電池包內溫度均勻性方面有一定的優(yōu)勢。國內針對浸沒式液冷技術的研究基本都是基于選擇氟化液作為冷卻介質進行研究，但是當前主流冷卻介質氟化液存在顯著缺陷：其低比熱容和低導熱系數(shù)導致散熱效率受限，且生物累積性強、價格昂貴（成本占比超系統(tǒng) 30% ），嚴重阻礙技術推廣。同時替代介質如礦物油、硅油雖具備高比熱容、高導熱性和成本優(yōu)勢，價格僅為氟化液1/10～1/5 ，卻因存在閃點（ gt;150^°C ）引發(fā)燃燒風險，難以滿足安全標準。因此需設計安全、高效、低成本的新型浸沒冷卻系統(tǒng)。

新型浸沒式冷卻系統(tǒng)的設計

1.冷卻介質的選型

對于純電動汽車浸沒式液體冷卻電池包所使用的冷卻液，目前文獻中常見的主要有礦物油、硅油和氟化液等。

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

根據(jù)文獻與行業(yè)內使用的硅油和氟化液數(shù)據(jù)，目前主要對AC6000氟化液與ICL-1000改性硅油的關鍵性能參數(shù)進行了分析，見表1。

表1氟化液與改性硅油的關鍵性能參數(shù)對比

AC6000氟化液與ICL-1000改性硅油在關鍵性技術上還存在以下情況。

1）安全特性差異。AC6000氟化液依靠分子結構中C-F鍵的高穩(wěn)定性實現(xiàn)不可燃，但高溫分解可能產生HF等劇毒氣體。

2）材料成本優(yōu)勢。氟化液與改性硅油成本對比見表2。

表2氟化液與改性硅油成本對比

因此ICL-1000改性硅油在熱物性、環(huán)保性及經濟性方面顯著優(yōu)于AC6000氟化液，通過箱體設計解決閃點防護問題就能讓浸沒式液冷規(guī)模化應用提供有效的解決方案。

2.電池包冷卻系統(tǒng)結構設計目標

需開發(fā)一種電池包系統(tǒng)結構，破解硅油高溫燃爆難題，實現(xiàn)三重目標：

1）安全防護升級。當溫度傳感器檢測到電芯溫度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。復用流道設計降低結構復雜度，較獨立消防系統(tǒng)節(jié)省成本。

基于此，考慮通過設計一種雙回路動態(tài)切換技術，解決“高效冷卻”與“極端防護”的矛盾需求，為硅油浸沒冷卻規(guī)模化應用提供安全保障。

3.電池包冷卻系統(tǒng)結構設計工作原理

系統(tǒng)基于溫度閾值觸發(fā)介質置換機制工作，如圖1所示。

圖1浸沒式電芯冷卻裝置連接關系示意

冷卻系統(tǒng)核心流程如下：

1）日常冷卻，硅油經流道直接接觸電芯，強化對流傳熱。

2）險情響應，溫度 gt;250^°C 時，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，實現(xiàn)快速降溫和惰化環(huán)境。

3）恢復機制，溫度 lt;80^°C 后切回硅油循環(huán)，消防液經凈化回收。

4.電池包設計結構

浸沒式冷卻儲能電池包結構如圖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。安裝底盤底部沿長度方向開設有冷卻槽，冷卻槽的兩側壁頂面設置有密封膠條。側壁之間設置進液管和出液管，若干電芯安裝在隔離上。

圖2電池包箱體爆炸結構示意

圖3安裝電芯的電池包結構示意

電池包仿真分析

1.電池包流場仿真分析

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

圖4內流道模型

表3介質參數(shù)

表4邊界條件

（2）流場仿真結果進出口壓降 3.8kPa ；進口流道截面的速度如圖5所示，流場不存在明顯的流動死區(qū)。

圖5進口流道截面的速度云圖

2.電池包熱場仿真分析

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

圖6熱場仿真模型

表5材料物性參數(shù)

表6邊界條件

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

結語

本研究設計雙回路動態(tài)切換系統(tǒng)，以改性硅油為冷卻介質，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 ，滿足國標，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、硅油燃點風險的問題，為浸沒式液冷規(guī)模化應用提供了解決方案。

參考文獻：

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