《Results in Engineering》：Investigation of Side-Plate Cooling on the Thermal Behavior and Safety of 280 Ah Battery Modules under High-Power Operation
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针对可再生能源并网中间歇性导致的电网稳定性挑战，电池储能系统（BESS）至关重要。然而，大容量锂离子电池在高功率运行（≥1.0 P倍率）下表现出显著的热力学行为变化，导致局部温度集中并加速容量衰减，甚至引发热失控风险。现有的底部液冷方案在高倍率工况下散热效率不
针对可再生能源并网中间歇性导致的电网稳定性挑战，电池储能系统（BESS）至关重要。然而，大容量锂离子电池在高功率运行（≥1.0 P倍率）下表现出显著的热力学行为变化，导致局部温度集中并加速容量衰减，甚至引发热失控风险。现有的底部液冷方案在高倍率工况下散热效率不足。为解决此问题，本研究提出了一种创新的侧板液冷模块（SCM）架构。研究人员通过构建三维侧板冷却结构热流耦合模型，结合加速量热仪实测的生热数据，系统评估了不同放电倍率下SCM的热性能。实验结果表明，与传统的底部液冷模块（BCM）相比，SCM在2.0 P倍率下将电池模组的最高温度降低了5.77 °C，并将最大温差从6.78 °C降至2.89 °C。此外，通过老化分析量化了工作温度梯度与容量衰减之间的相关性，证明了侧板冷却改善了电芯间的一致性。在安全性方面，研究人员开发了包含实验热失控参数的新型流动-热传播模型，定量验证了该系统抑制热事件蔓延的能力。这些发现为在大尺寸电池应用中平衡冷却效率与成本效益的下一代高性能热管理系统奠定了技术基础。
研究背景与问题
环境友好型可再生能源系统因其固有的间歇性、较差的负荷跟踪能力和有限的可调度性，在并网时面临重大技术挑战，可能导致频率波动和电压不稳，危及电网可靠性。电池储能系统（Battery Energy Storage Systems，BESS）凭借其双向功率控制能力，对于缓解供需失衡和提高可再生能源渗透率至关重要。磷酸铁锂电池（Lithium Iron Phosphate Battery，LFP）因其高能量密度（>160 Wh/kg）、长循环寿命（100%放电深度下>6000次）和优越的系统集成能力而成为电网级储能的主导技术。然而，当前大容量锂离子电池储能系统主要在448 W（1.0 P倍率）的充放电功率下运行，功率密度受限。这一限制源于高功率运行（≥1.0 P倍率）下显著的热力学行为变化，例如280 Ah电芯在2.0 P倍率（896 W）运行时会产生巨大热梯度，导致局部温度集中，加速容量衰减（月容量损失超过2%），更关键的是，会通过电-电化学-热耦合机制触发灾难性安全风险，形成自加速放热循环，最终导致电池模组不可逆的热分解。
现有电池热管理系统（Battery Thermal Management System，BTMS）主要包括风冷、液冷、热管冷却和相变冷却。其中，液冷因其优越的冷却效率和技术成熟度成为高功率电池系统的首选，分为直接液冷和间接液冷两种配置。直接浸没式冷却虽可消除界面热阻，但冷却液的高粘度会增加泵功耗，降低整体能效。目前市场上主流的BTMS是采用低粘度水基冷却液的间接液冷，通常通过接触电池底部的冷板实现。尽管该方法泵功耗低，但其传热效率仍不足以满足280 Ah电池在高倍率充放电场景下的需求，限制了电池模组性能。因此，开发一种适用于大容量储能电池的高倍率热管理系统已成为行业关键挑战。
研究内容与结论
为解决上述问题，研究人员系统研究了多个放电倍率下储能模组的生热特性，并提出了一种创新的侧板液冷模块（Side-plate Cooling Module，SCM）架构。通过先进的热流耦合仿真和实验测试，研究人员全面评估了SCM的热性能。主要结论如下：
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与传统的底部液冷模块（Bottom-plate Cooling Module，BCM）相比，SCM在不同倍率下均展现出更优的冷却效果。在2.0 P倍率下，SCM使电池模组的最高温度降低了5.77 °C，并将最大温差从BCM的6.78 °C显著降低至2.89 °C。
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通过全面的老化分析，研究人员建立了工作温度梯度与容量衰减之间的清晰相关性，量化了侧板冷却如何改善电芯间的一致性，从而延长电池寿命。
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在安全性方面，研究人员开发了一个新颖的流动-热传播模型，该模型整合了实验获得的热失控参数，定量验证了SCM系统能够有效遏制热事件蔓延，防止热失控在模组内传播。
关键技术方法
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三维热流耦合数值模拟：采用COMSOL Multiphysics软件建立电池模组的有限元传热分析模型。模型假设电池为均匀发热体，热导率各向异性，忽略对流和辐射传热，并使用连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程描述冷却液的层流和传热行为。
- 2.
实验测试平台：构建了电池模组充放电测试平台，将SCM与其余7个BCM组成簇，连接到电池测试设备（型号：CE-6000n，精度：V/A±0.01%）并由计算机控制。温度数据通过热电偶测量并由温度巡检仪（型号：TP700，精度：±0.01 °C）记录。冷却介质恒温由冷水机（型号：SCY-40A，60 kW）调节。
- 3.
生热量测定：使用加速量热仪测量了自制280 Ah单体电池在不同充放电功率下的生热值。在1.0、1.8和2.0 P倍率下的生热功率分别为10.1、37.2和43.3 W。
研究结果
2.1 电池材料
研究人员制备了以磷酸铁锂（LFP，Y9，湖南裕能）为正极活性材料（95 wt%）、Super P为导电剂（2.5 wt%）、PVDF为粘结剂（2.5 wt%）的浆料，涂覆在碳涂层铝箔（13 μm）上。所制得的LFP电极涂层的实际面容量为4.9 ± 0.1 mAh cm-2。测试用的电池为实验室自制，额定容量280 Ah，尺寸为173 mm（长）× 71 mm（宽）× 204 mm（高）。
2.2 电池组装与电化学表征
LFP电芯采用方形铝壳设计，包含四个电池卷芯，每个卷芯使用带有4 μm陶瓷涂层的PE隔膜（9 μm厚）。所有电极连接至铝集流体（13 μm厚）。电化学测试在电池测试仪上进行，恒定功率设置为448.0 W（1.0 P倍率）、806.4 W（1.8 P倍率）和896.0 W（2.0 P倍率）。充放电电压范围为2.5 V至3.65 V，每次充电后静置30分钟再放电。
2.3 两种模组中的电池性能比较
为了评估和优化侧板液冷模块（SCM）在不同充放电功率下的性能，研究人员搭建了电池模组充放电测试平台。在模组中配置了两类热电偶：第一类安装在No.1和No.19电池侧面距顶部和底部1.0 cm处，用于研究SCM在垂直方向的冷却效果；第二类贴在铝巴上。单个280 Ah电池的尺寸为173 mm × 71 mm × 204 mm。在1.0、1.8和2.0 P倍率下，电池的生热功率分别为10.1、37.2和43.3 W。BCM在这些倍率下的热通量分别为17.12、63.05和73.39 W/m2，而SCM则分别为12.47、45.93和53.46 W/m2。两个模组的尺寸均为1130 mm × 814 mm × 248.5 mm，能量为43.008 kWh，额定电压153.6 V，由48个280 Ah单体串联而成（四列，每列12个）。液冷管道设计压力5 bar，使用乙二醇溶液（50%体积浓度）作为冷却液，流量约8 m/s。在2.0和1.8 P倍率下冷却液流速为1 m/s，在1.0 P倍率下为0.47 m/s。
2.4 数值模型
模拟采用COMSOL Multiphysics进行模组的有限元传热分析。模型假设：电池计算使用加速量热仪测得的生热功率，忽略电化学反应和浓差极化引起的生热功率变化；电池仅通过热传导传热；电池被视为均匀发热体，热导率各向异性；忽略母线等导体的生热影响。冷却液的控制方程包括连续性方程（?·U = 0）、动量守恒方程（?·(ρUUU) = -?p + μ?2U）和能量守恒方程（ρUcU?T/?t + ρUcUU·?T = ?·(KU?T)）。对于冷却板和绝缘层，采用类似的热传导方程。
讨论与结论
通过全面的老化分析，研究人员建立了工作温度梯度与容量衰减之间的清晰相关性，量化了侧板冷却如何改善电芯间的一致性。在安全性方面，研究人员开发的新颖流动-热传播模型，整合了实验热失控参数，定量验证了该系统能够有效遏制热事件蔓延。这些发现为在大尺寸电池应用中平衡冷却效率与成本效益的下一代高性能热管理系统奠定了技术基础。
