电动汽车锂离子电池单相液浸冷却系统的能量与热效率优化研究

推荐：为解决电动汽车高功率锂离子电池在高倍率(8C)充放电下的热管理难题，研究人员开发了基于伪三维(P-3D)电化学-热耦合模型的单相液浸冷却系统。通过结构优化和流动分析，将电池组温差控制在5°C以内，最高温度从330.71 K降至306.41 K，显著提升了47.7%的热均匀性。该研究为高功率应用场景下的电池安全运行提供了创新解决方案。

　　

随着全球能源转型加速，电动汽车(EV)正逐步取代传统内燃机汽车。然而，非道路移动机械的电动化面临严峻挑战——其高功率能量存储系统需要在8C超高倍率下快速充放电，导致锂离子电池产生大量热量。若不能及时散热，可能引发热失控(thermal runaway)、燃烧甚至爆炸等安全隐患。目前主流的空气冷却技术因导热系数低，难以满足高能量密度电池的散热需求；而传统液冷系统又存在温度分布不均等问题。因此，开发高效的热管理系统(BTMS)成为保障电池安全、延长寿命的关键。

针对这一难题，研究人员创新性地采用单相液浸冷却策略，通过伪三维(P-3D)电化学-热耦合模型，系统研究了LiFePO₄(LFP)电池在8C超高倍率下的散热性能。研究团队首先建立了包含16个串联电池(16S1P)的48V电池组模型，采用MI VOLT DF7介电流体作为冷却介质。通过多物理场仿真，对比分析了自然对流、强制风冷、静态浸没和强制浸没四种冷却方式的性能差异。

关键技术方法包括：1) 建立Doyle-Fuller-Newman(DFN)电化学模型与三维热模型的耦合框架；2) 采用MOAT和Sobol指数法对流体热物性参数进行全局敏感性分析；3) 设计六种不同流向的冷却通道构型；4) 在电池支架上开设优化孔洞改善流体分布。研究选用26650型LFP圆柱电池，其正极采用LiFePO₄材料，负极使用石墨，电解液为1.5 mol L^-1 LiPF₆的EC/DMC混合溶液。

研究结果部分：

1. 热行为与冷却机制对比
   强制液浸冷却展现出卓越性能，在8C放电率下将最高温度控制在308.58 K，较自然对流降低22.13 K。温度差为11.00 K（1 LPM流量），虽高于理想值5°C，但显著优于强制风冷的13.10 K温差。

2. 结构与流动优化
   "侧底进-侧顶出"流向（Case 3）被证明是最佳方案，较基准构型降低29.37%温差。在电池支架上开设孔洞使温差进一步减少25.6%，这得益于改善的流体渗透性。

3. 电池组组件影响
   包含连接片、汇流排和支架的完整模型显示，辅助部件会导致最高温度升高4.08 K，凸显其在热模型中的不可忽略性。

4. 流量与温度参数
   2 LPM流量使8C下的温差降至4.13 K（改善47.7%），但需权衡214.67 Pa的压降。20°C的入口温度在热均匀性上表现最优，较15°C和25°C减少约0.3 K温差。

5. 全局敏感性分析
   MOAT和Sobol指数均表明，粘度(μ)是影响冷却性能的最关键参数（Sobol指数0.99038），其次是热导率(k)（0.00522）。这为介电流体的选型提供了明确指导。

这项发表在《Journal of Energy Storage》的研究具有多重意义：首先，提出的P-3D耦合模型首次完整考虑了电池组辅助部件对热场的影响，提高了仿真精度；其次，优化的液浸冷却方案使电池组在8C超高倍率下仍能保持安全温度，为工程应用提供可靠设计依据；最后，敏感性分析揭示了粘度对冷却效率的决定性作用，为后续介电流体的开发指明方向。该成果不仅适用于电动汽车领域，还可拓展至储能电站、航空航天等高功率应用场景，对推进碳中和目标具有重要价值。值得注意的是，研究中发现的支架开孔优化方案已具备直接产业化潜力，其简单的结构改动可带来显著的热性能提升，展现出良好的商业化前景。