霍克锂电池车规级浸没式冷却电池热管理系统在高能量密度电池包冷却与加热条件下的实验研究
浸没式冷却电池热管理系统（BTMS）因其卓越的热性能和在电动汽车（EVs）中的广阔应用前景而日益受到关注。本研究构建了一个全尺寸电动汽车级别的浸没式冷却实验平台，以全面评估其冷却与加热性能。所研究的30.7千瓦时电池组由48个高镍锂离子电池单体组成，平均体积产热率达到186,360瓦/立方米。−3在3C充电过程中。在10 L·min⁻¹的流速条件下−1在初始环境温度为40°C条件下，电池组在3C快充过程中最高温度达到55.4°C，始终处于安全阈值范围内。就加热性能而言，采用顶部进风口/底部出风口的气流配置可使加热速率提升46.48%（1.04°C·min−1与传统底部进气配置相比，该方案将加热结束时电池单体内最大温差降至3.9°C（降幅达59.38%）。在运行压力方面，电池包在10 L/min流量下保持内部压力低于20 kPa。−1该研究为结构强度设计提供了重要依据。就流阻而言，测得浸没冷却电池组在冷却工况下的压降为2.32 kPa，其中冷水机组贡献了约70%的系统总压损。本研究为电动车级浸没式冷却电池热管理系统（BTMS）的设计与优化提供了关键指导，将推动该技术在新一代电动出行方案中的实际应用。
引言
近年来，解决能源危机、减轻环境污染以及应对全球变暖已成为全球紧迫议题[1]。用电动汽车（EVs）替代传统内燃机汽车（ICEVs）被广泛视为有效解决方案[2]。中国、美国和欧洲的电动汽车市场正在迅速扩张[3]。凭借其高能量密度、强劲功率输出、低自放电率、无记忆效应和长使用寿命等优势，锂离子电池（LIBs）已成为电动汽车的主要能源[4]。
热敏感性是锂离子电池应用中最关键的挑战之一。其性能与寿命高度依赖于工作温度，最佳工作温度范围通常介于15°C至35°C之间[5]。高温会加速自放电和容量衰减，超过临界阈值可能触发热失控，造成严重安全隐患[6]。相反，低温可能导致锂枝晶析出、充电接受能力下降以及电池寿命缩短[7,8]。此外，电池组内部温度均匀性对于保障性能与安全性同样至关重要[9]。电池组内仅5°C的温度梯度即可显著降低输出功率与容量[10]。将单体电池间温差控制在5°C以内，对维持性能与循环寿命具有决定性作用[11]。无论是充电还是放电过程，锂离子电池均持续产热并导致温升[12]。随着电动汽车追求更高能量密度与更快充电速率，快充过程中的产热率呈现急剧上升趋势[13]。这一发展趋势使得高效的电池热管理系统（BTMS）成为维持电池最优工作温度区间的关键，从而保障其性能、寿命与安全性。
电池热管理策略根据传热介质可分为风冷[14]、相变材料(PCM)冷却[15]、热管(HP)冷却[16]以及液冷[17,18]四种形式。风冷式BTMS具有成本低廉、结构简单和维护便捷等优势，但受限于空气的低导热系数，通常仅适用于产热率较低的小型电池模组[19]。基于相变材料的BTMS则利用相变材料的高潜热特性来维持电池单体间的温度均匀性[20]。然而，作为被动式系统，其需要额外的冷却机制来耗散吸收的热量，这限制了其独立运行效能[21]。基于热管（HP）的电池热管理系统（BTMS）虽能提供高效热传导路径，但仍需辅助冷却系统。此外，其复杂设计和高维护需求阻碍了在电动汽车（EVs）中的广泛应用[22]。液冷式BTMS可分为间接冷却与直接冷却系统：间接液冷通常采用冷却板将热量传递至冷却剂[23]。这些系统因其高效传热特性、成熟的设计与可制造性[24]，已在电动汽车领域获得广泛应用。然而，电池与冷却剂之间的多重热阻会降低传热效率，且冷板存在冷却剂泄漏风险[25]。在基于液体的冷却方案中，直接浸没冷却技术近期受到特别关注。这类被称为直接液冷电池热管理系统的浸没式方案，将电芯直接浸没于高介电常数的冷却液中。该方法显著降低了电池-冷却剂界面的热阻并增大了热交换表面积。浸没式冷却系统具备诸多优势，包括卓越的散热性能、优异的温度均匀性、灵活的系统设计以及强化的热失控预防能力[26]。这些特性使浸没式冷却成为满足未来高能量密度电池组在快充条件下严苛热管理需求的前沿解决方案[27]。
根据介电液的沸点，浸没式冷却系统可分为单相与双相系统。双相浸没冷却通常采用沸点处于电池最佳工作温度区间的工作流体，通过沸腾传热实现高效散热[28]。然而，介电液的高成本与系统设计的复杂性限制了双相系统的实际应用[29]。相比之下，单相浸没冷却技术具有更高的成本效益和可扩展性，更适合电动汽车的大规模应用。因此，本研究聚焦于单相浸没冷却系统的研究。近年来，浸没冷却电池热管理系统（BTMS）的热管理性能引起了学术界的高度关注。Satyanarayana等[30]通过实验研究了20节电池模块，发现低粘度导热油作为浸没冷却介质性能优于矿物油。Ye等[31]开发了一种基于特斯拉阀原理的沉浸式冷却系统，该系统针对由六个圆柱形电池组成的模块，与传统流道相比，传热系数提升103%，压降降低74%。Chandrasekaran等[32]提出了一种基于液滴的沉浸冷却策略，可有效缓解4C放电过程中的局部热点并降低峰值温度。针对由40个软包电池组成的模块，Choi等[33]设计了一种结合挡板和石墨翅片的混合式沉浸冷却系统。在3C放电倍率下，该系统的最高温度和温差较底部冷板系统分别降低了6.7°C和5°C。研究者通过将金属泡沫集成至浸没式冷却系统，进一步强化了传热性能[34]。吕等人[35]针对280Ah大容量方形电池的浸没式冷却热性能展开研究，在0.5C放电倍率与0.1m/s流速条件下，电池模块的最高温度和温差分别被控制在30°C和0.5°C以内。为解决方形电池极耳处产热加剧的问题，Zhong等[36]提出了一种导向顺序浸没冷却电池热管理系统（BTMS），并通过实验验证了其性能。该系统采用导流板将介电流体引向极耳，在5C放电倍率下使最高温度降低5.9°C，同时将温差控制在1°C以内。Shi等[37]针对由16个方形电池组成的模组设计了射流冲击系统，通过歧管和喷嘴实现介电流体的分配。与传统设计方案相比，该系统在1功率倍率（P-rate）放电条件下，最高温度降低了0.98°C，温度不均匀性减少了一半。Ma等[38]强调了将自然对流效应纳入浸没式电池热管理系统设计的重要性。Bao等[39]开发了一种动静复合浸没冷却系统，综合了静态冷却的温度均匀性与动态系统的强化冷却能力。在3C放电工况下，该系统的热效率较静态浸没冷却提升了30.21%。崔等人[40]提出了一种微型通道与金属泡沫辅助的静态浸没冷却及预热系统。相较于传统底部冷板系统，该方案将快充过程中的最高温度降低了11.1°C，同时显著提升了预热速率。随着人工智能技术的发展，研究者们开始运用机器学习与深度学习来优化浸没冷却系统的设计与控制[41,42]。此外，将先进电热表征技术与浸没冷却型电池热管理系统（BTMS）相结合，有望进一步提升热管理性能与整体系统效率[[43], [44], [45]]。
正如既有文献所强调的，现有浸没式电池热管理系统(BTMS)的研究主要集中于小规模模块的考察，对加热性能的关注相对有限。这导致与实际电动汽车运行工况下的BTMS性能研究存在明显断层。在工程实践中，BTMS并非作为独立子系统运行，而是作为整车级热管理架构的有机组成部分发挥作用。例如，BTMS吸收的热量必须通过冷却器传递至制冷系统予以耗散。为推进浸没式冷却技术在电动汽车中的实际应用，亟需开展整车集成层面的系统性实验研究。
本研究建立了一套整车级浸没式电池热管理系统，其整体框架如图1所示。该电池包由48个高镍三元锂离子方形电池组成，单体容量为175 Ah。虽然高镍化学体系显著提升了能量密度，但同时也增加了热不稳定性，导致产热量增大和热失控风险升高。本实验采用的电池配置约占商用140 kWh电动车电池包的2/9，该车型在中国轻型汽车行驶工况（CLTC）下可实现1032公里续航里程。电池与模组的详细规格参数见表1。基于此整车级实验平台，本研究系统探究了浸没式电池热管理系统的冷却与加热性能。关键性能指标包括最高电池温度、峰值温差、制冷量、加热速率、系统级压降（Drop）以及能耗。
