《Journal of Energy Storage》：Fin-enhanced, coupled oil-immersion thermal regulation for lithium-ion batteries: A numerical-experimental investigation
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•实验测量了100 Ah方形锂离子电池在不同放电倍率下的产热速率。•提出了一种将翅片强化传热与浸没式液冷相结合的动力电池热性能调控方法。•定量分析了翅片参数对温度的影响。•通过实验验证了研究结果的有效性。引言目前，主流电池热管理系统（BTMS）技术主要包括空气冷却[1], [2]
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实验测量了100 Ah方形锂离子电池在不同放电倍率下的产热速率。
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提出了一种将翅片强化传热与浸没式液冷相结合的动力电池热性能调控方法。
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定量分析了翅片参数对温度的影响。
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通过实验验证了研究结果的有效性。
引言
目前，主流电池热管理系统（BTMS）技术主要包括空气冷却[1], [2], [3]、相变材料（PCM）冷却[4], [5], [6]、热管冷却[[7], [8], [9]]和液体冷却[10], [11], [12]。空气冷却结构简单、成本低，但空气的比热容和换热系数较低，难以满足高倍率放电条件下的散热需求[13]。相变材料冷却依靠相变潜热实现被动热调控，但其热导率普遍较低，导致冷却响应速度通常慢于液体冷却和强制风冷等主动冷却方式，这阻碍了高功率运行下的及时散热，并限制了其在紧凑型储能系统中的应用[14], [15]。热管冷却具有高导热系数和无运动部件的优点，但受限于接触面积不足和对安装方向的敏感性[16]，目前大多仍处于实验室研究阶段。相比之下，液体冷却因其高传热效率和精确的温度控制性能，已成为大容量储能系统的首选解决方案[17], [18]。
液体冷却可分为间接液体冷却（如液冷板）和直接液体冷却（浸没式冷却）。与间接冷却相比，直接冷却缩短了传热路径，实现了电池表面与冷却液的全表面接触，消除了接触热阻，并显著提高了传热均匀性和散热极限。近年来，为进一步降低电池模组的峰值温度并改善温度均匀性，国内外学者对浸没式液体冷却进行了广泛研究，重点考察了冷却液类型[19], [20], [21]、进出口布置[22], [23]、流道结构[24]和流速[25]等参数对散热性能的影响。
然而，仅依靠浸没式冷却液的自然对流或强制循环，在高倍率放电和紧凑布置条件下，仍难以同时实现理想的峰值温度抑制和模组温度均匀性[26], [27]。为进一步增强浸没式冷却的传热能力，采用挡板结构是一种被动、可靠且低成本的解决方案。Gao等人[28]针对18650电池模组提出了一种仿鱼形多孔结构和阶梯式分层挡板，巧妙利用实验中的微射流效应，在降低泵功耗的同时改善了散热性能。Luo等人[29]为18650电池设计了杆式挡板，优化后电池包的最大温差降至2.734 °C。Patil等人[30]以20 Ah电池包为研究对象，通过电化学-热模型研究了挡板对冷却性能的影响。结果表明，挡板的插入使电池包的最高温度和最大温差分别降低了2.2%和1.0%。
尽管挡板已被证明有效，但关于散热翅片与浸没式液体冷却耦合的系统性研究仍显不足。散热翅片作为一种经典高效的强化传热结构，具有增大传热面积、结构简单、制造方便等优点，可显著提高局部换热系数并改善电池模组的温度均匀性，已广泛应用于空气冷却、相变材料（PCM）冷却、液冷板等热管理系统中。Qin等人[31]为圆柱形电池设计了内部翅片结构。在4C高放电倍率下，电池最高温度控制在48.5 °C以下，温差低于4.8 °C。Cheng等人[32]研究了空气冷却条件下翅片高度、翅片厚度和翅片数量对电池包热性能和压降的影响。在配备翅片的空冷系统中，电池包的最高温度和温度标准差分别降低了17.63%和39.30%。Wang等人[33]的数值研究表明，采用翼型翅片通道的冷却板实现了最大散热，同时具有最低的温度梯度和最佳的温度均匀性。Fu等人[34]提出了一种带有流线型蜂窝翅片的新型通道冷却板，用于软包电池的热调控。正交优化方案有效抑制了电池最高温度，同时将压降降低了高达53.71%。Sun等人[35]数值研究了金属圆柱环形翅片位置对电池热管理性能的影响，发现当翅片径向距离与电池直径之比为0.2时可获得优异的散热性能。Abdulateef等人[36]通过数值模拟和实验分析研究了纵向矩形和三角形翅片结构对PCM传热强化的影响。结果表明，外部三角形翅片对PCM具有最高的传热强化效率。Choudhari等人[37]分析了五种翅片构型对电池散热性能的影响，得出在PCM中采用I形翅片是降低电池最高温度和温差的最有利方案。
基于上述分析，散热翅片在空气冷却和相变材料冷却等各类热管理系统中均展现出优异的强化传热和温度均匀化能力。然而，针对储能用大型方形锂离子电池，将翅片强化传热与浸没式液体冷却耦合进行热性能调控的研究仍不充分。本文将翅片与浸没式液体冷却相结合，结合数值模拟和实验验证，研究翅片宽度、厚度和间距对电池模组散热性能、流场分布和温度均匀性的影响规律。研究方法和结论可为高性能储能电池热管理系统的结构设计和参数优化提供理论和技术支持。
章节摘要
方法
研究对象为惠州亿纬锂能股份有限公司生产的100 Ah磷酸铁锂（LFP）锂离子电池。正极材料为磷酸铁锂LiFePO4，负极材料为石墨。电池的主要技术规格列于表1。
翅片对电池模组热场的影响
基于上述边界条件，本节研究浸没式冷却模式下，有翅片和无翅片电池模组模型在不同放电倍率下的最高温度和温差。相关模拟结果如图3所示。
两种热管理方式均表现出温度随时间先快速上升后逐渐稳定的趋势，反映了电池模组内部热量积聚与热平衡的动态演化过程。该
实验验证
为验证所建立的浸没式翅片液体冷却电池热管理仿真模型的准确性，开展了实验测试，将数值结果与实测数据进行对比验证。实验模组采用与仿真相同的电池布置构型，并选取典型翅片参数条件进行热性能测试和分析。图16给出了实验装置的示意图
结论
本研究将翅片强化传热与浸没式液体冷却相结合，提出了一种家用储能锂离子电池的热调控方法。基于实验测量的不同放电倍率下的电池产热速率，研究了翅片构型（有/无翅片）、放电倍率、翅片厚度、间隙和宽度对浸没式储能模组热场和流场演化机理的影响。主要结论
CRediT作者贡献声明
罗宁：初稿撰写、验证、概念化。张振东：方法学、数据管理。盛磊：审阅与编辑、项目管理。尹聪博：资源、调查。罗陈强：形式分析。朱海超：软件。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（批准号：52472381和52206267）、中国博士后科学基金（2021M702191）以及上海理工大学高性能计算中心的支持。
罗宁|张振东|盛磊|尹聪博|罗陈强|朱海超
