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1 浸沒式液冷系統(tǒng)的分類及原理
浸沒式液冷廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，是指將發(fā)熱的電子元器件（如CPU、GPU、內(nèi)存和硬盤等）整體或部分地直接浸沒在裝有非導(dǎo)電惰性流體介質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)循環(huán)散熱的一種液冷方式。由于其具有冷卻效率高，溫度均勻性好等特點(diǎn)，逐漸開始應(yīng)用于電池系統(tǒng)，包括電動車輛用電池系統(tǒng)與儲能電池系統(tǒng)。與冷板式液冷類似，浸沒式液冷系統(tǒng)也分為兩個循環(huán)：一次側(cè)循環(huán)和二次側(cè)循環(huán)。
在一次側(cè)循環(huán)中，室外冷卻設(shè)備如冷卻塔或冷水機(jī)組與熱交換單元進(jìn)行熱交換，帶走冷卻液中的熱量，在二次側(cè)循環(huán)中，冷卻液則與液冷箱內(nèi)的發(fā)熱器件進(jìn)行熱交換，將產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻液。通過兩個循環(huán)的協(xié)同作用，浸沒式液冷系統(tǒng)高效地將設(shè)備的熱量散發(fā)出去，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
根據(jù)冷卻液在循環(huán)散熱過程中是否發(fā)生相變，分為單相浸沒式液冷和雙相浸沒式液冷。
1.1 單相浸沒式液冷：液體通過液-液熱交換器傳遞熱量
（1）單相浸沒式液冷采用具有高沸點(diǎn)的冷卻液，如碳?xì)浠衔铮òǖV物油、植物油等）、硅基油。這些冷卻液在吸收熱量后仍能保持穩(wěn)定的液態(tài)，從而確保了在現(xiàn)有泵、管道和散熱設(shè)備（熱交換器、冷卻塔、冷水機(jī)組或干式冷卻器等）中的安全應(yīng)用。由于散熱過程中冷卻液幾乎不蒸發(fā)，因此無需使用氣密密封容器。
（2）根據(jù)冷卻液的循環(huán)方式，單相浸沒式液冷可分為泵驅(qū)動和自然對流兩種類型，以泵驅(qū)動為主。
1.2 兩相浸沒式液冷：在遇熱的情況下由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，然后通過冷凝器將氣態(tài)冷卻液轉(zhuǎn)化回液態(tài)
（1）兩相浸沒式冷卻與單相浸沒式冷卻區(qū)別在于：兩相浸沒式冷卻液必須能夠在受熱時從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，能夠更有效地利用相變潛熱進(jìn)行散熱，從而提高散熱效率。
（2）兩相浸沒式液冷的冷卻液以氟化液為主。
（3）兩相浸沒式液冷技術(shù)中，設(shè)備被完全浸沒在裝有低沸點(diǎn)冷卻液的密閉罐體中，設(shè)備產(chǎn)生的熱量被冷卻液吸收后，冷卻液的溫度會升高至沸騰點(diǎn)，從而由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。形成的蒸汽會從液體中上升，在罐體內(nèi)形成氣相區(qū)。當(dāng)氣相區(qū)的冷卻液蒸汽與冷卻器接觸后，會凝結(jié)成液體并滴落回容器中，再次參與循環(huán)。同時，冷卻器中被加熱的冷卻液則通過循環(huán)冷卻系統(tǒng)將熱量排出。
單相浸沒式液冷比兩相的應(yīng)用范圍大，成熟度高，主要是因?yàn)椋簡蜗嘟]式冷卻液價格相對低，部署成本低；風(fēng)險相對較小。兩相液冷在高充放電倍率下表現(xiàn)出優(yōu)異的溫控能力，可在減少系統(tǒng)介電流體用量時實(shí)現(xiàn)與單相方式相等的控溫效果，有利于電池系統(tǒng)的輕量化。氣液相變冷卻的研究以實(shí)驗(yàn)為主，氣液相變冷卻涉及到氣體產(chǎn)生與壓力變化，在移動平臺(如電動車)上使用的安全問題還需進(jìn)一步研究論證。單相液體冷卻則可以在多種環(huán)境條件下使用。
2 幾種冷卻系統(tǒng)的比較
電池組的冷卻方式主要有自然冷卻、風(fēng)冷、液冷等。電動汽車用電池系統(tǒng)對電池包的密封要求較高，使用風(fēng)冷系統(tǒng)難度較大，前期采用自然冷卻的較多，液冷技術(shù)成熟后，逐漸采用液冷的居多。在2021年以前，風(fēng)冷散熱技術(shù)在儲能市場上“一枝獨(dú)秀”，防護(hù)采用艙級防護(hù)，近年來，冷板式液冷散熱技術(shù)開始逐漸占據(jù)了市場的主導(dǎo)地位，這種方案不僅散熱效率高，而且防護(hù)等級高，做到簇級或Pack級防護(hù)。全浸式液冷技術(shù)，由于成本較高，目前應(yīng)用還相對較少。
表1 冷卻系統(tǒng)技術(shù)路線比較
液冷系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是冷板與電芯接觸面之間的換熱系數(shù)高，整體冷卻速度快；相較于風(fēng)冷系統(tǒng)，可使電芯處于比較恒定的環(huán)境溫度中運(yùn)行，同時液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，所需占用空間較小，可在有限場地空間內(nèi)提升儲能容量。主要缺點(diǎn)：電池包內(nèi)需部署比較復(fù)雜液體流道的導(dǎo)熱冷板，整體的制冷循環(huán)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，重量相對較大，維修和保養(yǎng)難度較高；且存在漏液的風(fēng)險；整體電池組還是裸露在空氣中，無法解決電池短路等其他原因造成的熱失控。
浸沒式液冷電池儲能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要?dú)w結(jié)為四點(diǎn)，一是徹底解決電池消防問題，在電池過充過放、短路的情況下均不發(fā)生熱失控，某一電池出現(xiàn)問題，熱量可以很快傳遞到周圍液體中，對相鄰電芯影響小，并且冷卻液也有滅火作用，不會導(dǎo)致起火、熱蔓延。二是冷卻液直接與電芯進(jìn)行熱量交換，大幅提升了傳熱效率以及運(yùn)行溫度一致性，使得不同區(qū)域之間的電池溫差以及電芯自身的溫差較小，提高電池可用容量和循環(huán)壽命，本質(zhì)上降低了電池系統(tǒng)的使用成本。三是提高儲能系統(tǒng)箱體積能量密度，解決了在儲能電站建設(shè)用地受限條件多的情況下的占地使用問題。四是采用集中式冷卻技術(shù)，提高冷卻效率，降低能耗。其主要缺點(diǎn)是制造成本高，維護(hù)難，維護(hù)成本高；重量能量密度低，對于電動車輛來說，不太適用。
3 浸沒式冷卻的關(guān)鍵技術(shù)
3.1 冷卻介質(zhì)
冷卻介質(zhì)的選擇是浸沒式冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為重要的一個環(huán)節(jié)，要既具有良好的熱傳導(dǎo)性能，又能滿足電氣絕緣要求、化學(xué)穩(wěn)定性高、與電池組內(nèi)各組件材料兼容性好。
主要關(guān)注下面幾個參數(shù)：
1）高比熱容和高導(dǎo)熱系數(shù)：主要作為冷卻用，導(dǎo)熱性要好，熱容要大，是基本條件。
2）粘度：粘度直接影響后期整個流場的設(shè)計(jì)和冷卻效果，對于設(shè)備的可靠性也會造成直接的影響，在流程設(shè)計(jì)的時候，粘度增加一倍，系統(tǒng)的循環(huán)壓力就需要增加一倍，這對系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)就會提出完全不一樣的要求，而且考慮到液體材料的熱脹冷縮，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，極易導(dǎo)致后期系統(tǒng)壓力的升高導(dǎo)致電池箱體或者柜體的變形，這也極易被設(shè)計(jì)者所忽視。
3）材料兼容性：也是介質(zhì)選擇的重中之重，冷卻液對鋰電池系統(tǒng)的材料兼容性友好，即與直接接觸的材料無腐蝕作用，電池包內(nèi)各種材料多達(dá)40種，這里面還有很多的膠，塑料，聚氨酯材料，這些基本上對于有機(jī)溶劑都比較敏感，如果材料發(fā)生失效，基本上等同于最終硬件的失效，所以，對于介質(zhì)與材料兼容性，這個是不容妥協(xié)的，需要經(jīng)過完整的驗(yàn)證。
4）化學(xué)安全性：也是一個非常容易被忽視的一個點(diǎn)，不僅是其本身及使用過程中不能對人體產(chǎn)生危害，冷卻液還應(yīng)具有環(huán)保性，包括零臭氧消耗潛能值(ODP)和低全球變暖潛能值(GWP)。
5）介質(zhì)老化性能：作為常規(guī)的有機(jī)介質(zhì)，其性能隨著其老化而變化，比如粘度，電氣絕緣性等，需要通過加速模擬介質(zhì)老化，之后評估其老化后性能的衰減來看是否可以支持10-15年的使用壽命。
6）安全維護(hù)相關(guān)性能：主要有介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)、吸水性、飽和蒸汽壓、揮發(fā)性、低凝固點(diǎn)等。電池工作溫度波動區(qū)間相對比較大，介質(zhì)的膨脹系數(shù)就直接決定了后期系統(tǒng)使用壓力的波動，壓力的變動可能引起箱體變形、泄露等，另外介質(zhì)本身的吸水性也尤為重要，含水量增加，電氣絕緣性下降，揮發(fā)性強(qiáng)，對于維護(hù)、環(huán)保等方面帶來嚴(yán)重影響。
7）電氣絕緣性和閃點(diǎn)：冷卻液應(yīng)不導(dǎo)電，即低介電常數(shù)，是最基本的要求，這也大大限制了介質(zhì)的選擇范圍和參數(shù)邊界，現(xiàn)在好多要求介質(zhì)的擊穿電壓是60kV。應(yīng) 不易燃或高閃點(diǎn)，閃點(diǎn)與粘度是相反的關(guān)系，粘度大，會對流場設(shè)計(jì)帶來難度。
曾少鴻等人將浸沒式熱管理系統(tǒng)所使用的冷卻液總結(jié)為5類：電子氟化液、碳?xì)浠衔?、酯類、硅油類、水基類，其物性參?shù)見表2。
表2 浸沒式冷卻液的物性參數(shù)
① 1 cSt=10-6 m2/s。
表2 (續(xù)) 浸沒式冷卻液的物性參數(shù)
（1）電子氟化液
電子氟化液包括氫氟醚(HFE)和氫氟烯烴(HFO)。HFE和HFO是高ODP、高GWP化合物的第三代替代品，具有不破壞臭氧層、低GWP的綠色屬性。鑒于電子氟化液表現(xiàn)出的低介電常數(shù)、材料兼容性和不易燃安全性，在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域受到關(guān)注。對于材料兼容性，美國3M公司的電子氟化液可與常見的金屬、塑料和橡膠相容，這些材料是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中應(yīng)用的代表性材料，但針對電動汽車行業(yè)和儲能行業(yè)中使用的特定材料，還需進(jìn)行更多的材料兼容性驗(yàn)證。
部分電子氟化液可進(jìn)行氣液相變冷卻，沸騰吸收潛熱可穩(wěn)定控制電池在安全溫度中運(yùn)行，適用于電池極端快速充放電工況，對減小電池本體溫差和動態(tài)負(fù)載條件下的溫度波動有較大優(yōu)勢。目前缺少電子氟化液對電池壽命性能影響的系統(tǒng)研究，以及在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用上存在問題，如材料成本和回收處理。此外，電子氟化液的密度比水高40%～60%，導(dǎo)致電池模組重量的增加，在電動汽車、飛行器等移動場景使用會增加動力負(fù)載。
（2）碳?xì)浠衔?/strong>
碳?xì)浠衔锇ǖV物油和合成碳?xì)浠衔镉?。其中，礦物油由石油分餾提煉制成，是環(huán)烷烴、鏈烷烴和芳香烴的混合物，具有低介電常數(shù)、良好的導(dǎo)熱性能、低黏度和低成本等特性。礦物油是目前使用最廣泛的介電流體，如在電力變壓器領(lǐng)域，作為冷卻介質(zhì)和絕緣介質(zhì)已有超過100年歷史。盡管礦物油具有良好的溫控性能，但礦物油的生物降解性不超過30%，發(fā)生泄漏會對環(huán)境造成影響，并帶來繁重的故障處置和清理工作。相比礦物油，合成碳?xì)浠衔镉透影踩煽?。碳?xì)浼坝袡C(jī)硅類冷卻液雖然不具有很強(qiáng)的刺激性氣味，吸入性危害小，但大都具有閃點(diǎn)、有易燃易爆的不穩(wěn)定性。
珠海長先新材料科技股份有限公司自主研發(fā)的碳?xì)漕怌XCH-220浸沒式冷卻液，安全環(huán)保、高效節(jié)能、制冷性好、適應(yīng)性強(qiáng)、灌充方便等突出的優(yōu)勢，正成為液冷數(shù)據(jù)中心、超充、儲能新能源電池等行業(yè)的新鮮血液，其ODP及GWP值均為零，無溫室效應(yīng)；凝固點(diǎn)低，蒸發(fā)潛熱更大，單位時間內(nèi)降溫速度更快；分子量小，流動性好；良好的惰性和對金屬和橡膠均無腐蝕性，具有良好的材質(zhì)兼容性，無毒性。已開始應(yīng)用于浸沒式工商業(yè)儲能設(shè)備和靜止浸沒式工商業(yè)儲能設(shè)備。
（3）酯類
酯類作為變壓器中礦物油的替代品，因其絕緣性能、生物降解性、高閃點(diǎn)、低成本受到電力行業(yè)的關(guān)注和應(yīng)用。酯類可分為天然酯和合成酯。天然酯是從植物油里提取而來的甘油三酯，合成酯是經(jīng)酯化反應(yīng)生成的化合物。合成酯比天然酯具有更好的氧化穩(wěn)定性。酯類在電力電子設(shè)備的研究與應(yīng)用日益成熟，然而尚未有公開的研究使用酯類去冷卻鋰電池。
（4）硅油類
硅油是聚二甲基硅氧烷(PDMS)與二甲基硅氧烷和西甲硅氧烷的混合物，因其無毒、高潤滑性和穩(wěn)定成膜等獨(dú)特性能，廣泛用于潤滑劑、電絕緣體、消泡等場合。因其絕緣性、適宜的溫度使用范圍和良好的導(dǎo)熱性能受到浸沒式冷卻領(lǐng)域的關(guān)注。不同類型的硅油黏度不同，這取決于分子量和聚合物的長度，增加硅油的分子量導(dǎo)致聚合物鏈長增加，從而使黏度增加。酯類和硅油類在電池冷卻中的應(yīng)用研究相對較少。
（5）水基流體
去離子水與水乙二醇溶液、納米流體等水基流體具有較高的冷卻能力和低廉的成本。納米流體是將高導(dǎo)熱的納米級顆粒添加到基礎(chǔ)流體中形成的一種具有高導(dǎo)熱率的復(fù)合液體。納米流體的導(dǎo)熱率與納米顆粒的種類和濃度有關(guān)，納米顆?？梢允墙饘倩蚪饘傺趸锏炔牧稀Ｑ芯勘砻髟谒叶既芤褐屑尤塍w積分?jǐn)?shù)0.5%氧化鋁納米顆粒時，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)增加超過0.05 W/(m·K)。
但這類高導(dǎo)熱率的水基流體本質(zhì)上不屬于介電流體，因此在應(yīng)用于鋰電池浸沒式冷卻領(lǐng)域時，亟需解決電絕緣問題。為此，研究學(xué)者提出多種解決方案，包括絕緣涂層，硅膠密封，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。目前浸沒式系統(tǒng)采用水基流體的還沒有。
3.2 液冷箱體及流道設(shè)計(jì)
液冷箱體及內(nèi)部流道根據(jù)一次、二次冷卻側(cè)的冷卻液的不同，主要分為兩種方式：
（1）一次側(cè)與二次側(cè)采用不同的冷卻系統(tǒng)
如專利 202321312320.1，電池包箱體內(nèi)容納有冷卻液，電池浸泡在冷卻液中，電池之間穿插許多散熱管，連接到電池箱上部的散熱裝置，冷卻液內(nèi)的熱量傳遞到的散熱管，再到電池包上方散熱裝置。如圖所示，優(yōu)點(diǎn)是電池箱內(nèi)部溫度均勻性好，箱體內(nèi)部可以采用相變材料等，不用考慮液體流動造成的影響，缺點(diǎn)是體積大，成本高，密封麻煩。
專利202322082233.8，將電池之間的散熱管換位熱管，效果更好。專利202210766219 .7提出，電池模塊浸沒于充滿惰性冷卻液的電池箱內(nèi)，再在電池模塊上設(shè)置裝有低沸點(diǎn)冷卻液的探火管，在電池正常運(yùn)行時，提高電池箱均溫性、傳熱效率；在熱失控時，低沸點(diǎn)冷卻液與 惰性冷卻液兩種介質(zhì)可協(xié)同抑制熱蔓延(局部潛 熱→顯熱→潛熱)，提高傳熱能力，減少熱蔓 延損失。同時，這種組合式液冷電池箱，能有效減重，提高空間利用率以及應(yīng)用場景。
（2）常規(guī)浸沒式冷卻的流道設(shè)計(jì)
電池包的冷卻液進(jìn)出口不可能開得很大，液體在內(nèi)部的流動和流道設(shè)計(jì)、進(jìn)出口設(shè)計(jì)等有很大關(guān)系，箱內(nèi)電池通常排布的比較滿，還有各種部件，對流體的流動會造成較大影響。由于被冷卻物體的形狀和熱分布往往不均勻，流道的設(shè)計(jì)需要考慮如何適應(yīng)這種復(fù)雜性，要通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等手段不斷優(yōu)化流道布局。不同的應(yīng)用場景對流量和流阻的要求不同，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)流道布局時，要確保冷卻介質(zhì)能夠均勻地流經(jīng)儲能系統(tǒng)的各個部位，避免出現(xiàn)局部過熱的情況?？梢圆捎枚嗤ǖ?、分布式的流道設(shè)計(jì)，增加冷卻介質(zhì)與發(fā)熱部件的接觸面積。流道的形狀和尺寸應(yīng)盡量減小流動阻力，以降低泵的功率。采用流線型的流道設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎、狹窄通道等容易產(chǎn)生流阻的結(jié)構(gòu)。流道設(shè)計(jì)還需考慮后期的維護(hù)和檢修需求，方便對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行清洗、更換冷卻介質(zhì)和檢查故障等操作?？梢栽O(shè)置可拆卸的流道部件或預(yù)留檢修口。
結(jié)構(gòu)與流道的創(chuàng)新可以提高冷卻性能，大多數(shù)是在電池箱內(nèi)增加擾動，采用分流板、擋流板或者擾動裝置等。如專利202320843904.5，在電芯和電池箱上蓋之間設(shè)置一個擾流空腔，專利202310784529.6、專利202022157035 .X在進(jìn)液口和電池之間設(shè)置一個均流板，均流板通液孔處再設(shè)置導(dǎo)流片，來提高加熱/冷卻效率及均溫性。
Tan等提出多層結(jié)構(gòu)和交叉流動配置的流道，用硅膠分隔出多層流道，最大溫差和溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差可分別降低18.1%和25.0%。Ezeiza等針對軟包電池設(shè)計(jì)了模塊化的單元。Le等提出一種新型的歧管浸沒式冷卻結(jié)構(gòu)。使用歧管和擋板形成的射流沖刷電池表面，具有較高的局部對流傳熱系數(shù)，同時指出應(yīng)削弱不利于傳熱的渦流。Wang等提出一種浸沒式耦合直接冷卻的方案。電池浸沒在介電流體中，與介電流體接觸的直冷管用來帶走熱量。這種設(shè)計(jì)可以避免使用復(fù)雜的二次回路來冷卻介電流體。也有將消防、安全監(jiān)測等與浸沒式液冷裝置結(jié)合起來，如專利 202111663031 .1，冷卻液和消防液采用相同的介質(zhì)，將冷卻系統(tǒng)與消防系統(tǒng)相結(jié)合，節(jié)省成本。
3.3 熱管理策略
溫度監(jiān)測與控制：在儲能系統(tǒng)中設(shè)置溫度傳感器，實(shí)時監(jiān)測各個部位的溫度變化。根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果，調(diào)整冷卻介質(zhì)的流量、流速或溫度，以實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制。建立溫度控制系統(tǒng)，采用自動控制算法，如 PID 控制等，確保儲能系統(tǒng)在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。
熱平衡設(shè)計(jì)：考慮儲能系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的熱負(fù)荷變化，設(shè)計(jì)合理的熱平衡方案。例如，在充電和放電過程中，熱負(fù)荷可能會有所不同，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整冷卻策略。利用熱交換器等設(shè)備，將儲能系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到外部環(huán)境中，以維持系統(tǒng)的熱平衡。
3.4 安全與可靠性設(shè)計(jì)
壓力控制：冷卻系統(tǒng)中的壓力變化可能會影響流道的密封性和冷卻效果。設(shè)置壓力傳感器和安全閥等設(shè)備，對冷卻系統(tǒng)的壓力進(jìn)行監(jiān)測和控制，確保在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。定期檢查壓力設(shè)備的工作狀態(tài)，保證其可靠性。
密封性：要確保液冷箱和流道的密封性，特別是在高壓、高溫或有振動的環(huán)境下，密封難度更大。任何泄漏都可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障、環(huán)境污染甚至安全事故。液冷箱的設(shè)計(jì)要盡可能減少各種接口，采用一體成型的電池箱是較好的選擇，線纜接口、液體進(jìn)出口等要考慮選擇較高耐壓條件下的密封，大多數(shù)情況下電池包放置高度不同，采用同一個液冷管路系統(tǒng)，接口處承受的壓力不同。
檢測方法：針對浸沒式電池系統(tǒng)需要有一些特殊的檢測手段，如液體壓力、泄露情況等。
故障診斷與預(yù)警：建立故障診斷系統(tǒng)，對冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和分析。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，能夠及時發(fā)出預(yù)警信號，以便采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。制定應(yīng)急預(yù)案，在冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠迅速采取有效的措施，保障儲能系統(tǒng)的安全。
4 浸沒式液冷系統(tǒng)的應(yīng)用研究
4.1 對電池組性能影響研究
主要集中在對電池使用過程中的溫升、溫度均勻性、安全性方面的影響以及系統(tǒng)壽命的影響等。
Wang等綜述了不同的電池預(yù)熱技術(shù)，根據(jù)熱量傳遞路徑的不同可分為外部加熱和內(nèi)部加熱，并指出外部加熱中的液體浸沒式預(yù)熱更具潛力，因其有更高的傳熱系數(shù)，更均勻的溫度分布和更快的升溫速度。
Dubey等用196個21700圓柱電池的浸沒式模型和冷板式模型分析放電倍率和冷卻液流量對冷卻液壓降、最大溫度、模組溫差和熱導(dǎo)率的影響。研究表明，2 C時浸沒式系統(tǒng)的最大溫升約為冷板式系統(tǒng)的50%。在特定的冷卻液流量下，浸沒式的熱導(dǎo)率比冷板式高2.5～3倍，而冷板式的壓降高15～25倍。值得注意的是，浸沒式電池在長度方向上溫差小，而冷板式電池在半徑方向上溫差小。Wu等對比浸沒冷卻和間接冷卻的840個18650電池大模組系統(tǒng)，浸沒式系統(tǒng)的質(zhì)量和體積集成率是間接冷卻系統(tǒng)的1.1和1.5倍，而最大溫升和最大溫差僅20%～30%。
Jithin等在4S1P圓柱電池上對比了礦物油、AmpCool AC-100和去離子水的冷卻效果。研究發(fā)現(xiàn)對于3 C放電，去離子水更有效地將溫升限制在2.2 ℃以下，礦物油和AmpCool AC-100的熱性能相當(dāng)，但后者在0.05 kg/s的質(zhì)量流量下泵功減少76.43%。Satyanarayana等提出低成本介電流體(礦物油、熱敏油)可以替代高成本流體(Novec、AmpCool)。
熱失控是鋰離子電池安全問題的核心，發(fā)生時會在電化學(xué)行為和熱行為上表現(xiàn)出一系列的連鎖反應(yīng)，溫升速率急劇升高，并通常伴隨著冒煙、起火等現(xiàn)象。另外，如果不能有效阻斷模組內(nèi)某一失控單體，將會觸發(fā)周圍電池發(fā)生熱失控，造成多米諾骨牌效應(yīng)而造成極大危害。浸沒式冷卻對鋰電池的熱失控具有顯著的抑制作用，相關(guān)研究如表3所示。
表3 浸沒式熱失控實(shí)驗(yàn)研究匯總
在鋰電池?zé)崃糠e聚初期，介電流體可以吸收大量熱量，防止或延緩電池升溫到熱失控觸發(fā)溫度。若電池發(fā)生熱失控，副反應(yīng)產(chǎn)生的氣體導(dǎo)致電池外殼開裂，介電流體可以第一時間淹沒正負(fù)極，阻止正負(fù)極發(fā)生進(jìn)一步的短路反應(yīng)，阻止可燃?xì)怏w與氧氣接觸，有效抑制燃燒事件發(fā)生。同時阻止熱量向周圍電池傳導(dǎo)，防止熱失控的傳播。對于熱量積聚初期，Li等分別使用五種碳氟化合物冷卻受熱的鋰電池單體，電池最高溫度均遠(yuǎn)低于熱失控觸發(fā)溫度，未發(fā)生熱失控。對于熱蔓延的阻斷，Zhou等使用沸點(diǎn)49 ℃的Novec 649冷卻軟包電池組，其中一個電池用過充觸發(fā)熱失控。觸發(fā)電池僅在很短的14 s內(nèi)溫度超過60 ℃，最高達(dá)到183.9 ℃，相鄰電池未發(fā)生熱失控。對于熱失控發(fā)生時，Zhao等使用E5 TM 410冷卻方形電池模組，加熱觸發(fā)電池模組發(fā)生熱失控，實(shí)驗(yàn)過程中不起火、不爆炸、只有煙霧。
另一方面，介電流體的火災(zāi)行為需關(guān)注。李雨澤在變壓器油冷卻的鋰電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)變壓器油高溫分解產(chǎn)生少量的可燃?xì)怏w，包括甲烷、乙烷和氫氣等。Hellebuyck等對礦物油、硅油和酯油進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險評估，結(jié)果表明硅油的單位面積熱釋放率最低。對于后續(xù)浸沒式系統(tǒng)安全研究，需深入探究各式介電流體的火災(zāi)特性，并進(jìn)行電池組小規(guī)模實(shí)驗(yàn)和大規(guī)模實(shí)驗(yàn)來全面評估火災(zāi)風(fēng)險。
4.2 浸沒式冷卻的應(yīng)用
相比空氣冷卻，浸沒式冷卻的電池生命周期成本降低了27%，碳足跡減少了25%。然而浸沒式系統(tǒng)存在介電流體成本高、高黏度流體泵送功率高、電池系統(tǒng)重量增加等問題。
針對電動車用的浸沒式電池系統(tǒng)，主要是采用浸沒式液冷系統(tǒng)快速散熱的特點(diǎn)，應(yīng)用于大功率電池系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快充及大功率放電。國內(nèi)最早進(jìn)行浸沒式液冷電池組研究的是微宏公司，其開發(fā)的STL3.0電池模塊，內(nèi)部采用絕緣冷卻液保證模塊整體熱量均衡，電池箱采用鋁合金，依靠鋁合金本身熱導(dǎo)性散熱，在極端情況下能夠快速隔絕失控點(diǎn)，抑制電池組熱失控，極大地降低了車輛事故時電池系統(tǒng)的安全風(fēng)險，該電池箱已廣泛應(yīng)用于電動大巴車上。臺灣Xing Mobility公司推出浸沒式冷卻電池系統(tǒng)IMMERSIO XM25，將電池組與電池管理系統(tǒng)和主動安全模塊相結(jié)合，主要應(yīng)用于大電池的商用車，可以1 C充電和1.67 C放電，使用壽命超3000次循環(huán)。法國Exoes公司可為各種形狀的電池開發(fā)多種浸沒式架構(gòu)的電池系統(tǒng)，快速充電耗時不到10分鐘，并且能阻止熱失控傳播。法國TotalEnergies公司將浸沒式電池冷卻技術(shù)應(yīng)用于公路車，用浸沒式方案取代沃爾沃XC90插電式混合動力車中的電池冷卻系統(tǒng)，冷卻能力提高了7倍，車輛重量減少4%，成本降低5.6%。
國內(nèi)目前主要的應(yīng)用研究主要集中于儲能電站應(yīng)用，南方電網(wǎng)做了許多示范性項(xiàng)目，2023年3月全球首個浸沒式液冷儲能電站——南方電網(wǎng)梅州寶湖儲能電站正式投入運(yùn)行，該電站采用預(yù)制艙式結(jié)構(gòu)，每個電池艙容量5.2 MWh，電池溫升不超過5 ℃，不同電池溫差不超過2 ℃。南方電網(wǎng)寶塘電網(wǎng)側(cè)獨(dú)立電池儲能站，是粵港澳大灣區(qū)最大的新型儲能電站，也是我國首個9條技術(shù)路線一站集成的鋰電池儲能站，易事特集團(tuán)承建了其浸沒式艙級管理液冷儲能系統(tǒng)設(shè)備集成。
參考：
（1）中國儲能網(wǎng)：浸沒式液冷淺析
（2）中國儲能網(wǎng)：曾少鴻 吳偉雄 劉吉臻 汪雙鳳 葉石豐 馮振宇，鋰離子電池浸沒式冷卻技術(shù)研究綜述
（3） 中國儲能網(wǎng)：張旭，關(guān)于浸沒式儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的六個難點(diǎn)
