关于浸没冷却对锂离子电池模块的影响以及缓解电池热失控现象的实验

《Journal of Energy Storage》：Experiments on the effects of immersion cooling on lithium-ion battery module and mitigating battery thermal runaway

本研究设计了一种无外部储液罐的强制对流浸没冷却系统，用于电动汽车电池热管理。实验选用AF-710 L冷却液，对比自然空气冷却和静态浸没冷却，在3C高倍率放电下，系统可将电池模块温度控制在50°C以内，其中M3模式温度达42.1°C且温差小于2.5°C。该系统有效降低系统复杂性和空间需求，提升电池模组能量密度，并验证了冷却液在热失控中的阻燃性能。

　　

作者：莫崇茂（Chongmao Mo）、陈允元（Anthony Chun Yin Yuen）、吴永曦（Yongxi Wu）、费斌（Bin Fei）、王俊玲（Junling Wang）

香港理工大学建筑环境与能源工程系，九龙红磡

摘要

强制流浸没冷却技术因其优异的传热性能，在电池热管理系统中具有巨大应用潜力。然而，外部液罐会显著降低系统的能量密度和紧凑性。本文设计了一种无需外部液罐的强制流浸没冷却系统，以解决浸没式电池热管理系统的复杂性问题。实验中选用了AF-710 L冷却液作为介质，并设计了六种无外部液罐的流动模式，以研究其在高放电率下的散热性能，并将其与自然空气冷却和静态流浸没冷却进行比较。结果表明，该强制流浸没冷却系统能够在3C放电率下将电池温度控制在50°C以内。值得注意的是，M3模式下的最高温度仅为42.1°C，温差控制在2.5°C以内。此外，AF-710 L冷却液在钉刺测试中表现出良好的隔热性能，可以有效降低热失控过程中的温度并防止再次点火。该系统无需外部液罐，从而降低了系统的复杂性和空间需求，提高了电池模块的能量密度。我们的研究结果可为电动汽车高效热管理系统的开发提供借鉴。

术语表

缩写说明

EVs
电动汽车（electric vehicles）
BTMS
电池热管理系统（battery thermal management system）
FAC
强制空气冷却（forced air cooling）
LC
液体冷却（liquid cooling）
PCM
相变材料（phase change material）
SFIC
静态流浸没冷却（static flow immersion cooling）
FFIC
强制流浸没冷却（forced flow immersion cooling）
LIC
液体浸没冷却（liquid-immersed cooling）

电池与冷却液

实验选用了16块商业化的21700型圆柱形锂离子电池（苏州力神电池有限公司生产），容量为4 Ah，详细参数见表2。在组成电池模块之前，单个电池在充放电设备（Neware，5 V/100 A）中充放电至相同容量，然后通过电池内阻检测器选出内阻值相近的16块电池，组成4串4并的电池模块。

自然空气冷却与静态流浸没冷却模块的热性能

本节研究了三种模块（自然空气冷却模块、静态流半浸没冷却模块和静态流全浸没冷却模块）在不同放电率（1C、2C、3C）下的温度变化和温差变化，实验结果如图4所示。图4(a)表明，在自然空气冷却条件下，电池模块的温度随放电深度的增加而呈线性上升趋势。

结论

本研究设计了一种无液罐的强制流浸没冷却系统，以应对电动汽车电池热管理系统日益复杂的架构。该系统在高放电率下表现出优异的散热性能和温度均匀性。实验结果表明，该系统的不同流动模式能够在3C高放电率下将电池模块的温度控制在50°C以内，其中M3流动模式的效果尤为显著。

作者贡献声明

莫崇茂（Chongmao Mo）：撰写初稿、软件开发、方法设计、数据整理、概念构思、审稿与编辑。 陈允元（Anthony Chun Yin Yuen）：审稿与编辑、项目监督、资金筹措、概念构思、资源协调、验证、撰写初稿。 吴永曦（Yongxi Wu）：软件开发、方法设计。 费斌（Bin Fei）：项目监督、验证。 王俊玲（Junling Wang）：数据整理、实验研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了香港理工大学（Hong Kong PolyU UGC）的资助（项目编号：P0044994、P0052426）。作者对所有资助和支持表示衷心感谢。