基于浸没式冷却的模块化方形锂电池热管理系统设计与性能优化研究

为解决高容量/高功率锂离子电池(LIBs)热累积问题，研究人员开展浸没式冷却(IC)系统研究，通过数值模拟探究结构参数、运行参数及分区管理策略对电池组热性能的影响。结果表明：3C放电时IC可使电池组最高温度降至36.47°C，温度均匀性提升66.23%，界面传热系数提升147.44%。该研究为模块化方形电池热管理提供了新方案。

　　

随着电动汽车和储能技术的快速发展，锂离子电池(LIBs)正朝着高容量、高功率密度方向迅猛发展。然而这种进步伴随着严峻的热管理挑战——电池充放电过程中产生的热量若不能及时消散，不仅会导致性能衰减，更可能引发热失控(thermal runaway)这一"电池癌症"。传统风冷、相变材料(PCM)冷却等方式在应对模块级电池组时，往往面临传热效率低或系统复杂度高的困境。浸没式冷却(Immersion Cooling, IC)技术因其近乎零接触热阻和优异的均温性崭露头角，但现有研究多集中于圆柱或软包电池，对方形电池模块的系统性研究仍存空白。

针对这一技术瓶颈，中国的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表重要成果。该研究创新性地构建了包含24个方形电池的模块级IC系统，通过实验与数值模拟相结合的方式，首次全面解析了介电流体(Dielectric Fluid, DF)流动模式、结构参数与运行参数对系统热性能的影响规律。研究发现，在3C高倍率放电条件下，IC系统能将电池组最高温度控制在36.47°C的安全阈值内，温度均匀性较传统方法提升66.23%，更令人振奋的是电池表面与DF间的对流传热系数实现147.44%的飞跃式增长。通过敏感性分析，团队首次量化了入口温度(T_in
)和电池间距(D)等参数对散热效果的决定性影响。更突破性的是，研究提出的分区管理策略使系统斯坦顿数(St)提升59.2%，为预防热失控提供了创新解决方案。

研究采用三维建模与计算流体力学(CFD)模拟相结合的技术路线，通过控制变量法系统考察几何结构参数（电池间距D、剩余高度h_c
）和运行参数（入口流量Q、温度T_in
）的影响。实验验证环节采用模块级（24个方形电池）测试平台，通过热成像和分布式温度传感网络采集数据。分区策略研究引入无量纲分析，解析强制对流传热机制。

【影响几何结构参数】章节揭示：电池间距D从2mm增至10mm时，系统努塞尔数(Nu)提升38.7%，证实适当增大间距可强化流体扰动；剩余高度h_c
存在最优值（约15mm），此时温度标准差降低42.1%。

【运行参数影响】部分显示：入口流量Q从0.5L/min增至2L/min时，最大温差ΔT_max
缩减58.3%，但超过1.5L/min后出现"流量饱和效应"；T_in
每降低5°C可带来约7.2°C的电池温降，敏感性系数达1.44，证明其主导作用。

【分区管理策略】创新性提出P2（双分区）方案，通过流道优化使系统St数提升59.2%，压降降低31.5%，实现"高效散热-低泵功消耗"的协同优化。无量纲分析揭示雷诺数(Re)在800-1200区间时，系统存在最佳传热-流动综合性能。

该研究首次建立模块级方形电池IC系统的完整设计方法论，其提出的"参数敏感性分级理论"和"分区流场优化准则"为工程实践提供直接指导。特别值得注意的是，研究发现IC系统通过DF的高氧隔离特性，可天然抑制热失控蔓延，这为高安全性电池系统设计开辟新路径。团队揭示的"流量饱和效应"和"温度主导规律"对降低系统能耗具有重要启示。未来研究可结合两相IC的相变潜热优势，进一步探索"单相-两相复合冷却"的创新模式。这些突破性进展不仅推动电池热管理技术发展，更为电动汽车和储能电站的安全运行提供关键技术支撑。