用于锂离子电池的合成酯浸渍冷却技术：静态与动态条件下的电热平衡比较及传热分析

《Journal of Energy Storage》：Synthetic ester immersion cooling for lithium-ion batteries: A comparison of electro-thermal balancing under static and dynamic conditions and heat transfer analysis

锂离子电池油浸冷却系统对热-电性能均质性的影响研究。设计静态和动态油浸冷却系统，对比硅油、变压器油和合成酯三种冷却液的热管理效能。实验表明合成酯冷却可使1.5C放电时模块最高温降至37.4°C，较空冷降低19.2%，电压偏差减少56.7%。动态冷却虽热效率更高，但静态冷却在低倍率（0.5C）下更能实现电压均质。热-电协同优化验证合成酯作为绝缘冷却液的可行性，为高能密度电池热管理提供新方案。

　　随着新能源技术的快速发展，锂离子电池（LIBs）在电动汽车（EVs）和微电网等领域得到了广泛应用。然而，LIBs的性能在很大程度上受到温度的影响，尤其是在高温或低温环境下，电池的电化学反应和离子传输速率会发生显著变化，从而影响其使用寿命和安全性。因此，如何有效管理LIBs的温度，确保其在最佳工作范围内运行，成为当前研究的重点。本文探讨了绝缘油作为浸没冷却介质在LIBs模块中的应用，分析了其对电池热性能和电性能的影响，特别是对串联模块中电池电压均匀性的影响。

研究团队设计了一种基于浸没冷却的电池模块冷却系统，并对静态和动态绝缘油冷却下的电池模块进行了系统的热和电性能分析。与传统的空气冷却相比，浸没冷却展现出更优的温度控制能力和电压均衡效果。实验结果显示，在1.5C放电条件下，使用合成酯作为冷却介质的电池模块，其最大温度仅为37.4°C，且最大温度不均匀性仅为1.7°C，相较于空气冷却，最大温度降低了19.2%。随着放电速率的增加，冷却介质在降低最大温度和提高温度均匀性方面的效果更加明显。

在电压均衡方面，浸没冷却显示出显著的改善作用。在0.5C放电条件下，使用硅油、变压器油和合成酯冷却的电池模块，其电压偏差分别降低了48.0%、36.3%和56.7%。这表明，浸没冷却不仅能够有效控制电池温度，还能显著改善电池模块的电性能，尤其是在串联配置中。相比之下，静态冷却在电池模块中表现出更好的电压均衡效果，这主要归因于其对模块内部温度差的控制以及冷却油中杂质分布的优化。与动态冷却相比，静态冷却系统在减少电池模块电压偏差方面具有明显优势。

此外，研究还指出，除了热性能，电池模块内部的放电不均衡问题同样值得关注。长期处于不均匀放电条件下，可能会加速单个电池的衰老，甚至导致过充或过放现象，从而带来安全隐患。实验中发现，平行连接电池之间的温度差异会显著加剧放电不均衡，加快电池组的容量衰减。而串联连接电池则在低放电速率下表现出更好的放电均匀性。因此，在设计电池冷却系统时，需要综合考虑热管理和电性能的平衡，以确保电池组的安全性和稳定性。

为了验证不同冷却介质对电池性能的影响，研究团队构建了一个实验平台，用于评估在三种不同的浸没冷却条件下，5S1P棱柱型LIB模块的热性能。通过与自然对流的对比，分析了浸没冷却在温度分布、热梯度和电压稳定性方面的表现。同时，对三种浸没冷却介质的冷却性能进行了定量比较，以确定最适合维持电池系统电热平衡的冷却介质。为了验证长期可靠性，研究团队还进行了循环测试，评估所选冷却介质在多次充放电循环中的热均衡能力。

研究结果表明，合成酯作为浸没冷却介质，不仅在热性能方面表现出色，还在电性能的均衡方面具有显著优势。相较于硅油和变压器油，合成酯在降低电池模块最大温度和改善电压均匀性方面更为有效。这说明，合成酯可能成为LIBs浸没冷却的潜在候选材料，特别是在追求高冷却效率和电热平衡的场景下。研究还强调，浸没冷却系统的设计需要充分考虑冷却介质的物理特性、电池模块的结构以及冷却方式的选择，以实现最佳的热管理和电性能平衡。

在实验过程中，研究团队对电池模块的初始状态进行了严格控制，以确保实验结果的准确性。通过将十块电池以0.2C速率放电至2.5V截止电压，并静置10分钟，再进行充电，确保所有电池处于一致的初始状态。这一过程有助于减少实验误差，提高实验数据的可靠性。同时，研究团队还对电池模块的电热特性进行了详细分析，包括温度分布、热梯度和电压稳定性等关键指标，以全面评估不同冷却介质对电池性能的影响。

在结论部分，研究团队总结了浸没冷却在LIBs模块中的应用效果。结果表明，相较于硅油和变压器油，使用合成酯作为冷却介质的浸没冷却系统在热性能方面表现更优。与自然空气冷却相比，合成酯能够显著降低电池模块的最大温度，提高温度均匀性，同时改善电压均衡效果。这说明，合成酯不仅具有良好的热传导性能，还能有效维持电池模块的电性能平衡，为LIBs的高效、安全运行提供了新的解决方案。

此外，研究还指出，浸没冷却系统的优化设计对于提升LIBs的综合性能至关重要。通过调整冷却介质的流动方式、电池模块的布局以及冷却系统的结构，可以进一步提高冷却效率和电性能的均衡。研究团队还提到，未来的研究可以进一步探索不同冷却介质在不同放电速率和电池类型中的应用效果，以确定最适合各类LIBs的冷却方案。同时，可以结合其他冷却技术，如相变材料（PCM）和液冷系统，以实现更高效的热管理和电性能平衡。

综上所述，本文通过系统的实验和分析，揭示了浸没冷却在LIBs模块中的应用潜力。研究结果表明，合成酯作为冷却介质，不仅在热性能方面表现出色，还能显著改善电池模块的电性能，特别是在电压均衡方面。这一发现为LIBs的热管理技术提供了新的方向，也为未来的电池系统设计和优化提供了理论依据。随着新能源技术的不断进步，浸没冷却有望成为LIBs模块的重要冷却方式，为电动汽车和储能系统的发展提供更可靠的技术支持。