一项关于使用微通道换热器的间接水冷电池冷却系统在储能系统中的性能的实验研究

《Journal of Energy Storage》：An experimental study on the performance of an indirect water-cooled battery cooling system for energy storage system using a micro channel heat exchanger

本研究系统级对比了间接液冷中微通道与冷却板散热器的热管理性能，实验表明微通道在温度均匀性和降温效果上更优，液体冷却使电池平均温度降低17°C，SOH下降率从4.4%降至1.7%，显著提升电池寿命与稳定性。

　　

李俊赫|金东赫|金明洙|朴炳万|贝克·尤恩

韩国京畿道水原市安东大学机械工程系，邮编16499

摘要

近年来，人们对全球变暖和气候变化的关注日益增加，这加速了可再生能源的部署。然而，可再生能源发电的间歇性加剧了储能系统（ESS）在稳定电力供需平衡方面的重要性。在各种ESS技术中，基于锂离子电池的系统因其高能量密度和高充放电效率而被广泛采用。尽管如此，电池的性能、寿命和安全性对工作温度非常敏感，这突显了有效热管理的必要性。在本研究中，将一种间接液体冷却系统应用于ESS，并在系统层面对其热管理性能进行了实验评估。在相同的运行条件下，比较了两种代表性的间接液体冷却换热器——冷却板和微通道。结果表明，与冷却板换热器相比，微通道换热器能够实现更低的平均电池温度和更好的温度均匀性。此外，直接比较液体冷却系统和空气冷却系统后发现，液体冷却显著降低了电池的工作温度。与空气冷却相比，液体冷却系统使平均电池温度降低了约17°C，并将最大电池温度抑制了约18°C。这种显著的温度降低提高了热稳定性，并显著减缓了电池健康状态（SOH）的退化，SOH的下降幅度从空气冷却下的约4.4%降至液体冷却下的约1.7%。这些结果证实，间接液体冷却，特别是与微通道换热器结合使用时，在提高锂离子电池基ESS的热管理性能和延长其使用寿命方面非常有效。

引言

近年来，人们对全球变暖和气候变化的关注日益增加，这促使世界各地实施了各种环保政策，从而增加了对可再生能源的兴趣[1]。然而，基于可再生能源的发电技术高度依赖自然条件，因此其能量生产具有间歇性[2]。这种间歇性可能导致能源供应和需求之间的时间不匹配，进而可能对电网的稳定性产生不利影响[3]。因此，储能系统（ESS）作为一种关键解决方案应运而生，用于缓解这些不平衡[4]。ESS是一种在需要时储存能量并释放能量的技术[5]。典型的ESS技术包括锂离子电池（电化学储能）[6]、[7]、抽水蓄能（机械储能）[8] [9]和热能储能系统[10] [11]。其中，锂离子电池由于具有高能量密度和优异的充放电效率而得到最广泛的应用[12]，预计它们在未来仍将是主要的储能技术。

然而，锂离子电池对温度非常敏感[13]。在高温下，电池老化加速，导致性能下降和循环寿命缩短[14]。此外，在高温条件下会触发放热反应[15]，持续产生额外热量，进一步升高电池内部温度[16]。相反，在低温下，由于电荷传输电阻增加，电化学反应动力学受到阻碍[17]。例如，据报道，在85°C时电池容量下降约7.5%，在120°C时下降约22%，而在-40°C时，能量密度和功率密度分别降至名义值的5%和1.25%[18] [19]。因此，将电池保持在一个最佳的工作温度范围内至关重要。如果温度保持在20-30°C的适当范围内，电池寿命可以延长四年以上[20]，这表明有效的热管理技术对于确保稳定性和可靠性至关重要。

电池热管理方法主要分为空气冷却和液体冷却[21]。空气冷却热管理方法是通过风扇或管道引入冷却空气来冷却电池的方法，商业化的ESS的热管理系统就是一个典型的例子。然而，空气冷却热管理方法的缺点是对流换热系数相对较低，且由于电池结构密集，空气流无法渗透到电池内部，导致冷却效果较差[22]。因此，需要液体冷却热管理方法来有效管理电池温度。液体冷却热管理方法包括直接冷却和间接冷却方法。在直接冷却方法中，由于电池和冷却剂直接接触，存在冷却剂泄漏导致电气泄漏的风险[23]。因此，目前正在进行关于间接液体冷却电池热管理的积极研究，重点在于优化换热器的冷却性能和压降，这是间接液体冷却方法的核心组件。

Pan等人[24]通过实验分析了冷却性能和压力损失特性，他们在单个电池单元中安装了一个允许冷却剂在散热片之间流动的微通道模型。实验结果表明，所提出的微通道换热器比传统的微通道换热器具有更好的冷却性能和更低的压力损失。然而，这项研究主要关注单电池级别的微通道冷却性能，未探讨其结果在ESS规模系统中的适用性。Zhang等人[25]在歧管冷却板内部设计了两种类型的溢流微通道结构（冷却剂流动方向上的变截面结构和垂直方向上的变截面结构），并通过数值分析比较了它们的热阻和压力损失。研究结果表明，垂直方向上具有变截面结构的溢流微通道结构是最优配置。然而，这项研究仅限于微通道几何形状的优化，未将系统级别的性能与传统冷却板换热器进行比较。Rabiei等人[26]对适用于锂离子电池模块的六种不同微通道结构进行了建模，并通过数值分析比较了它们的冷却性能和压力损失，确认在低流量条件下，插入50μm金属泡沫的微通道结构的冷却性能最佳。然而，这项研究仅考察了改进的微通道配置，未提供系统级别的评估或与板式换热器的直接比较。Qi等人[27]通过数值分析比较了高放电率条件下锂离子电池的冷却性能和压力损失，结果表明，在冷却性能方面，多U型微通道换热器优于蛇形微通道和平行微通道；在压力损失方面，多U型微通道换热器低于蛇形微通道而高于平行微通道。然而，这项研究仅考察了高放电率下的微通道流动路径几何形状的影响，未涉及冷却板换热器和ESS规模的考虑。Telli等人[28]比较了U型换热器和逆流式冷却板换热器对电池模块的冷却性能，确认逆流式冷却板换热器在温度分布均匀性方面更优。然而，这项研究仅在模块级别比较了不同的冷却板布置方式，未包括微通道换热器的比较分析。Gan等人[29]为ESS的液体冷却板提出了一种对称的双螺旋通道几何形状，并确认这种几何形状在流动阻力和温度均匀性方面更有效。然而，这项研究仅提出了先进的冷却板设计并展示了其热优势，但未在相同的ESS运行条件下与微通道换热器进行直接比较。Li等人[30]通过数值分析比较了不同换热器安装位置对电池模块的冷却性能，确认将换热器安装在电池单元之间是最有效的。然而，这项研究仅通过数值模拟分析了冷却板的位置效应，未提供与微通道换热器的实验验证或直接比较。

最近的研究主要通过优化通道几何形状、流动路径或安装位置来研究微通道换热器或冷却板型换热器，主要在单电池或电池模块级别进行。虽然这些研究通过实验或数值分析提供了有关局部热性能的宝贵见解，但其发现可能无法直接应用于ESS规模系统，在这些系统中，热相互作用、冷却剂分布和运行约束变得更加复杂。因此，在相同的ESS运行条件下，直接比较微通道换热器和冷却板换热器的实验仍然很少。因此，在本研究中，通过实验分析了在系统层面满足电池最大允许温度和温度均匀性的间接液体冷却热管理系统的冷却性能。为此，在环境温度为40°C和0.5 C率充放电条件的极端环境下，确定了设计变量（冷却剂流量和温度），以满足电池模块的最大温度不超过30°C、模块内电池单元之间的最大温差不超过10°C以及单个电池单元内的最大温差不超过10°C的要求。此外，还比较和分析了代表性的间接液体冷却换热器——微通道换热器和冷却板换热器的冷却性能，以选择最佳换热器。最后，通过与空气冷却模块的对比实验，证明了间接液体冷却方法的优越性。

实验设置和充放电程序

本研究在系统层面验证了采用间接液体冷却方法的冷却系统的冷却性能，以实现ESS的有效热管理。液体冷却电池冷却系统由上部电池模块组件和下部冷却系统组件组成，如图1所示。在上部组件中，一个电池组包括散热片、电池支架、热界面材料（TIM）、电池单元、泡沫垫、电池外壳和外部固定板。

温度分析标准的选择

进行了一次循环实验，以观察充放电过程中电池的温度变化，并确定电池温度分析的标准。此时，腔室温度固定在40°C，充放电条件设置为0.5 C率。冷却剂流量设置为800 cc/min，冷却剂入口温度设置为20°C。

如图7所示，电池温度共有三个峰值[31]

结论

在本研究中，将间接液体冷却方法应用于ESS中使用的电池模块，并制造了一个间接液体冷却电池冷却系统。通过充放电实验，确定了与电池性能和耐久性相关的适当温度范围内的控制条件。为了模拟ESS运行的极端环境条件，在40°C的环境温度下进行了实验。

CRediT作者贡献声明

李俊赫：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理。金东赫：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、调查、正式分析、概念化。金明洙：可视化、正式分析、数据整理。朴炳万：监督、项目管理、概念化。贝克·尤恩：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、项目管理、资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了Korea Midland Power Co., Ltd.（KOMIPO）（编号：2022-site-15）的支持。