液冷电池热管理系统在不同冷却情况下的性能分析

来源 | Journal of Energy Storage

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背景介绍

锂离子电池已广泛应用于电动汽车（EV）和储能系统（ESS）等领域，其性能直接影响了系统运行的安全与效率。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低、成本低、对环境友好等优点，但它们的性能对温度非常敏感。热安全性是限制电池发展的重要因素。通常情况下，电池模块的最高温度应保持在288~313 K之间，电池之间的最大温差应控制在5 K以内，以保证电池稳定运行。

电池热管理系统的特点主要包括体积小、成本低、安装简单、可靠性好等，也分为有源或无源、串联或并联等。无论是电池储能系统还是混合储能系统，电池都是主要组成部分。充电时，储能系统充当负载，放电时，储能系统充当发电机组，并且只能在一定的温度范围内放电和储存电力。电池热管理系统可以保证电池工作在最佳温度范围并保证电芯和模组的温度均匀性，高温会加剧电池内部的副反应，影响电池寿命甚至引发热失控。然而低温会导致内阻增大、容量下降，进而导致电池性能下降。因此，为了实现电池储能系统的最佳性能，需要合适的电池热管理系统。

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成果掠影

近期，吉林大学江彦老师团队开发了一种高效的电池热管理系统，可以控制电池模块的温度，从而提高整体性能。该研究针对由12节方形LiFePO₄电池组成的电池模块设计了不同类型的液冷热管理系统。以计算流体动力学模拟为主要研究工具，提出了从传热和流动阻力两个方面评价冷板性能的参数，以及冷却面、入口数量和冷却液方向对其冷却效果进行了研究。结果发现，当冷却面为电池之间的A面、冷却液入口数量为3个时，电池模块最高温度可控制在303.6 K，电池间最大温差为2.3 K。最后，针对单个入口的不同质量流量和不同的充电速率进行了研究，结果发现，当单个入口的质量流量达到一定值时，整体性能最优，为1.2 g/s，设计的热管理系统能够满足3C以下充电倍率的电池模块的温度要求（电池模块最高温度为313 K，电池之间最大温差为5 K）。相关研究成果以“Performance analysis of liquid cooling battery thermal management system in different cooling cases”为题发表于《Journal of Energy Storage》。

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图文导读

图1 带冷板的电池几何模型

图2 实验平台的原理图

图3 实验原理

图4 当冷却面为面A时，带有冷板的电池

图5 温度标量场景

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