CAT蓄电池采用微通道换热器的储能系统间接水冷电池冷却系统性能实验研究
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-02-28 10:08:54 点击： 次
摘要
近年来，全球变暖与气候变化问题日益引发关注，这加速了可再生能源的部署。然而，可再生能源发电固有的间歇性特点，凸显了储能系统（ESS）在稳定电力供需平衡方面的重要性。在各类ESS技术中，基于锂离子电池的系统因其高能量密度与优异的充放电效率而获得广泛应用。然而，电池性能、寿命及安全性对工作温度极为敏感，这凸显了有效热管理的必要性。本研究将间接液冷系统应用于ESS，并在系统层面通过实验评估其热管理性能。在相同运行工况下，对两种典型间接液冷换热器——冷却板与微通道——进行了对比分析。结果表明，与冷却板式换热器相比，微通道换热器能实现更低的电池平均温度及更优的温度均匀性。此外，通过液冷系统与风冷系统的直接对比证实，液冷技术可显著降低电池工作温度。相较于风冷系统，液冷系统能使电池平均温度降低约17°C，并将单体电芯最高温度抑制达18°C左右。这种显著的温度降低有效提升了电池系统的热稳定性，并使健康状态（SOH）的衰减速率明显减缓——在液冷条件下SOH下降幅度从空冷时的约4.4%降至约1.7%。研究结果证实，间接液冷技术（尤其是结合微通道换热器方案）能显著提升锂离子电池储能系统的热管理性能，并有效延长其服役寿命。
引言
近年来，全球变暖与气候变化问题日益引发关注，各国相继实施多项环保政策，导致可再生能源领域的研究兴趣持续升温[1]。然而，基于可再生能源的发电技术高度依赖自然条件，因而其本质特征表现为能量生产的间歇性[2]。这种间歇性可能导致能源供需之间的时间错配，进而对电网稳定性产生不利影响[3]。因此，储能系统(ESS)作为缓解这类供需失衡的关键解决方案应运而生[4]。ESS是通过存储已生成能量并在需要时释放的技术体系[5]。具有代表性的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]以及热能存储系统[10][11]。其中，锂离子电池因其高能量密度和优异的充放电效率[12]而成为应用最广泛的储能技术，预计未来仍将保持关键能源存储技术的地位。
然而，锂离子电池对温度具有高度敏感性[13]。在高温条件下，电池退化过程会加速，导致性能劣化与循环寿命降低[14]。此外，高温环境会触发放热反应[15]，该反应持续产生额外热量并进一步推高电池内部温度[16]。相反，在低温工况下，由于电荷转移电阻增大，电化学反应动力学过程将受到显著抑制[17]。例如，有研究报道显示，在85°C时电池容量会下降约7.5%，120°C时下降约22%，而在-40°C环境下，能量密度和功率密度分别Drop至标称值的5%和1.25%[18][19]。因此将电池维持在最佳工作温度区间至关重要。若能将温度控制在20-30°C的适宜范围内，电池寿命可相差四年以上[20]，这表明有效的热管理技术对确保系统稳定性与可靠性具有决定性作用。
电池热管理方法主要分为风冷和液冷两种[21]。风冷式热管理方法是通过风扇或风道引入冷却空气对电池进行冷却的方法，其典型范例是商业化ESS的热管理系统。然而，风冷式热管理方法存在对流传热系数相对液冷较低的限制，且由于电池结构致密导致气流无法渗透至电池内部，造成冷却性能下降[22]。因此，要实现电池的有效热管理需要采用液冷式热管理方法。液冷热管理方法包含直接冷却与间接冷却两种形式。在直接冷却方法中，由于电池与冷却液直接接触，存在因冷却液泄漏导致漏电的风险[23]。因此，当前研究重点聚焦于间接液冷电池热管理技术，着力优化间接液冷方法核心部件——换热器的冷却性能与压降(Drop)。
Pan等[24]通过实验分析了将微通道模拟装置附着于单体电池时的冷却性能与压力损失特性，该装置设计允许冷却液在鳍片间流动。研究证实，与传统微通道换热器相比，所提出的微通道换热器展现出更优的冷却性能与更低的压力损失。然而，该研究主要聚焦于单电池层面的微通道冷却性能，其研究成果在ESS系统尺度上的适用性尚未得到验证。张等[25]在歧管冷却板内部设计了两种溢流微通道构型（沿冷却剂流动方向的可变截面结构与垂直方向的可变截面结构），并通过数值模拟分析了其热阻与压降特性，与传统微通道构型进行对比。研究结果表明，垂直方向采用可变截面结构的溢流微通道构型为最优配置。然而，本研究仅局限于微通道几何结构优化分析，未与传统冷却板式换热器进行系统级性能对比。Rabiei等[26]通过数值模拟分析了适用于锂离子电池模块的六种微通道构型，对比其冷却性能与压降，证实50μm金属泡沫填充微通道结构在低流速工况下具有最佳冷却性能。然而，该研究仅探讨了强化微通道构型，未提供系统级评估或与板式换热器的直接对比。Qi等[27]通过数值模拟针对锂离子电池高倍率放电工况，比较了不同微通道流道几何形态对冷却性能与压降的影响。研究结果表明，就冷却性能而言，multi-U型微通道换热器优于蛇形微通道和平行微通道；而在压降方面，其数值低于蛇形微通道但高于平行微通道。然而，本研究仅考察了高放电率工况下微通道流道几何结构的影响，冷却板换热器及ESS尺度问题均未纳入研究范围。Telli等人[28]对比了U型转弯换热器与逆流canopy-to-canopy换热器在电池模组中的冷却性能，证实逆流canopy-to-canopy换热器在温度分布均匀性方面更具优势。但该研究仅在模组层面比较了不同冷却板流道布置方式，未将微通道换热器纳入对比分析范畴。Gan等人[29]提出了一种用于储能系统的对称双螺旋流道液冷板几何构型，并证实该结构在流阻与温度均匀性方面更具优势。然而，该研究虽提出了一种先进冷却板设计方案并论证其热管理效益，但未在相同储能系统工况下与微通道换热器进行直接对比。Li等[30]通过数值模拟分析了电池模组换热器安装位置对冷却性能的影响。研究证实将换热器置于电芯间时冷却效果最佳。但该工作仅通过数值模拟分析了冷却板布置方式的影响，既未进行实验验证，也未提供与微通道换热器的直接性能对比。
近期研究主要聚焦于单电池或电池模组层面，通过优化通道几何结构、流道路径或安装位置，对微通道换热器或冷却板式换热器进行探究。尽管这些研究通过实验或数值分析为局部热性能提供了重要见解，但其研究发现可能无法直接推广至储能系统（ESS）规模，因为该尺度下的热相互作用、冷却剂分布和运行约束条件会变得更加复杂。因此，在相同ESS运行条件下，微通道与冷却板式换热器之间的直接实验对比研究仍较为匮乏。为此，本研究通过实验分析了满足系统层面电池最高允许温度与温度均匀性要求的间接液冷热管理系统冷却性能。为实现这一目标，研究在40℃环境温度与0.5C放电倍率的极端工况条件下，构建了集成微通道换热器的电池热管理系统实验平台。通过对比微通道与常规冷却板的热力性能，证实了微通道结构在提升传热效率方面的优势。实验数据显示：在维持电池组最高温度低于45℃的前提下，微通道系统的温度不均匀度较传统冷却板降低32%，且压降减少28%。这些发现为高能量密度储能系统的热管理设计提供了重要实验依据。在5C充放电倍率条件下，通过优化设计变量（冷却液流量与温度），使电池模组最高温度≤30°C，模组内电芯间最大温差控制在10°C以内，单体电芯内部最大温差不超过10°C。%%此外，针对间接液冷式换热器中具有代表性的微通道换热器与冷却板式换热器，对其冷却性能进行了对比分析，以筛选最优换热器方案。%%最终通过与风冷模组的对比实验，验证了间接液冷方案的优越性。
