霍克蓄电池船用动力电池热性能及其液冷系统优化

船用动力电池在高倍率海洋工况下存在明显的热办理应战，电池极耳处剧烈产热导致堆叠模组呈现严峻热量积累。本研讨体系性地探求了这些热特性，并提出一种针对船用场景优化的液体冷却战略。研讨选用试验与模仿相结合的办法：通过试验丈量要害热参数，树立并验证了电化学-热耦合模型，模仿了海洋特定工况下的热呼应。模型揭示出极耳过热现象，负极耳在1C放电后温度达50.6°C。为处理该问题，立异规划了顶部进液-底部出液的冷却板结构以按捺热量上涌。优化后的体系在进口流速为0.在09 m/s流速和15°C温度条件下，电池组的最高温度从59.6°C降至53.7°C，最大温差从14.6°C缩小至8.9°C，保证温度始终低于55°C的安全阈值。将进口流速提高至0.12 m/s可进一步保证运转安全。本研讨针对船只电池极耳引发的热问题提出了精准冷却计划，为船只电池热办理体系的规划供给了实践指导。

图形摘要

导言

跟着环境保护与动力使用的紧迫性日益凸显，电动Ship技术已成为航运业绿色转型的要害路径[1]。锂离子电池凭仗无记忆效应、电化学功能稳定、循环寿命长及环境影响小等优势，已成为电动Ship的首要动力来历[2][3]。虽然锂离子电池在循环功能、低自放电率和运转稳定性方面具有优势，但其能量密度相对较低[4][5]。电动轿车一般选用圆柱形或方形动力电池[6]，而电动船只需求更高能量密度的电池以满意其续航路程与大功率需求。为减轻船体分量并进步载货才能，电动船只首要选用大尺寸、高容量的方形电池。与传统电动轿车动力电池比较，船只动力电池面临更严苛的容量需求与杂乱工况。在Ship发动、加快及Load改变进程中，电池常需接受高达20 C（C代表充放电倍率）的放电速率，远高于惯例轿车使用场景。这种高倍率放电会导致船只动力电池极耳处呈现部分过热现象，或许引发热失控，危及电动船只的安全运转[7], [8], [9]。这些应战凸显了研讨船只电池热特性及开发先进热办理体系的紧迫性，这些技术是保证电池牢靠性与运转安全的重要保证办法。
锂离子电池在充放电循环进程中发生的电化学进程具有多标准杂乱性，使得试验表征极具应战性。因为体系固有的杂乱性，直接观测并准确量化电化学行为及其随同的热现象被证明存在明显困难[10]。因而，依据理论和数学模型的数值模仿已成为研讨锂离子电池功能不可或缺的工具。
在惯例运转工况下，电池产热模型依据其基本原理可分为三大类：电热耦合模型[11][12]、集总参数模型[13]以及电化学-热耦合模型[14][15]。谢等人[16]指出电热耦合模型常忽略根底物理化学原理，且一般将电池假设为均温单元。陈等人[17]研讨标明，集总参数模型猜测的温度散布相较于电化学模型呈现更高均匀性。但是这些模型均不适用于猜测电池产热进程中的温度差异。
Doyle等人[18][19]提出的电化学伪二维(P2D)模型与Bernardi[20]开发的锂离子动力电池经典产热模型，已被广泛使用于猜测电池温度及产热速率。Guo等学者[21]研讨了锂离子电池在超低温条件下的电化学与热行为，重点探讨了低温环境下放电特性、产热行为与温度演化之间的耦合联系。开发了一种电化学-热耦合模型，猜测结果与试验丈量值之间具有高度一致性，然后验证了所提出的多物理场办法在低温工况下的牢靠性与适用性。Yi等[22]研讨了零下环境中电池在0.5–5 C放电倍率区间的功能体现，重点探讨了低温条件下放电特性与温度的关联性。他们树立的二维热模型与一维电化学耦合模型所获得的猜测结果与试验丈量值呈现极佳的一致性，由此验证了这种多物理场办法的牢靠性。Torrano等[23]开发了适用于18650圆柱形锂离子电池的双向耦合电化学-热模型，该模型通过试验验证，证实在动态工况下能高精度猜测温度演化进程。该研讨为杂乱Load工况下圆柱电池的热剖析与安全导向规划供给了牢靠工具。Panchal等[24]提出专门针对18650圆柱形电池的电化学-热猜测模型，该模型能准确模仿不同放电条件下内部温度场演化与电势散布特征。
锂离子电池的功能与安全性高度依赖于温度[25][26]。因而，开发优化的电池热办理体系（BTMS）关于保证电化学功能维持在理想温度范围内至关重要[27][28]。依据冷却介质分类，BTMS可分为：风冷[29][30]、热管冷却[31][32]、相变资料冷却[33][34]以及液冷[35]。在这些计划中，热管在应对海洋工况特有的快速热动摇时体现出较差的热办理功能[36]。相变资料（PCMs）一般具有较低导热系数，常需添加高导热填料以增强其传热才能。但是，此类添加剂的引入不可避免地会添加体系分量与本钱，并或许危害电气绝缘功能。这一问题在海洋环境中尤为要害，因为绝缘功能下降会加重潮湿条件下的腐蚀危险[37]。比较之下，强制风冷体系需求专门的进气和排气通道，这会削弱电池舱的密封完整性，并大幅添加盐雾露出，然后提高腐蚀概率。鉴于这些限制性，液冷电池热办理体系（BTMS）因其高热传递功率和更佳的温度均匀性，正日益被视为海洋动力电池的有用处理计划。
液冷式电池热办理体系（BTMS）可依据传热界面类型进行分类，首要包括直接触摸式与直接触摸式冷却办法。Chen等[38]通过试验研讨了四类电池冷却战略：传统风冷、油基直接液冷、水/乙二醇直接液冷以及被迫翅片冷却体系。试验结果标明，依据液体的冷却体系相较于传统风冷方法具有明显的热功能优势，尤其在散热功率方面。Liu等[39]进一步优化了一种油浸式直接冷却热办理体系，研讨标明矿物油能有用将电池温度维持在35°C以下，同时在1-2 C放电倍率下明显下降电芯间温差。当时，方形电池主导船只动力电池商场，其平坦表面特性使其特别合适与液冷板集成，因而成为直接液冷体系的首选计划[40][41]。Sheng等[42]研讨了一种双进口/双出口的液体冷却体系，发现进口/出口方位、流道宽度以及冷却液活动方向对温度散布和体系功耗具有决定性影响。与此同时，Liu等[43]提出了选用管径渐增的笔直摆放流道计划，以改善温度均匀性并缓解部分过热现象。Tang等[44]规划了一种并联流道液体冷却体系，通过下降活动阻力和压降，实现了41.12%的温差减缩与26.28%的压力损失下降。要害研讨结果标明，与水平布局比较，笔直管道结构能明显提高冷却功能并简化热办理流程。
虽然上述研讨为锂离子电池热建模与热办理体系规划供给了重要的理论与技术根底，但其在船用动力电池范畴的适用性仍存在限制。现在开发的众多电化学-热耦合模型首要针对圆柱形、软包或车用规格电池，并在相对规矩的工作工况下完成了验证。这些模型能有用猜测全体电压呼应、产热行为与均匀温升，却难以充分反映大容量船用方形电池因极耳电阻引发的部分产热特性。即便放电倍率相同，船用电池的绝对放电电流也远高于大都小型车用电池。这导致极耳处发生的焦耳热或许成为主导性部分热源，由此形成的非均匀温度场无法被仅关注全体温升的模型或剖析办法完整捕捉。
同样地，虽然空气冷却、热管冷却、相变资料（PCM）冷却及液体冷却已被广泛研讨，但它们在船只运转条件下的适用性存在明显差异。强制风冷或许削弱电池舱的密封功能，添加湿气和盐雾侵入的危险。依据PCM的体系可供给瞬态热缓冲，但其低导热性一般需求添加导电填料，这会添加体系分量与本钱。依据热管的冷却具有结构紧凑且无需外部动力的优势，但其传热呼应或许无法满意快速改变的推动负载需求。因而，液体冷却凭仗其高传热才能和可控性，更适用于船只电池体系。
现有液体冷却研讨首要集中于通过优化进出口方位、流道几何形状、冷却液流速或压降来提高全体冷却功能。但是，这些研讨大多针对电动轿车电池组或传统电池模块开发，其中心热办理问题一般聚集于全局温度下降或全体温度均匀性。关于船用动力电池而言，极耳引发的部分生热、电芯笔直堆叠方法与冷却液流向之间的耦合效应更为要害。特别是当大尺寸方形电芯被堆叠成紧凑模块时，极耳区域邻近发生的热量会不断积累并导致严峻的部分过热现象。因而，仍需求开发一种直接针对极耳热积累的船用定向液冷结构。该问题标明，现有液冷优化战略不该仅从传统电池包全体散热角度进行评估。相反，应结合船用动力电池的结构特征与运转工况，进一步厘清其特定热办理需求与现有研讨之间的适用性差距。
虽然锂离子电池热办理范畴已开展广泛研讨，但现有研讨仍首要针对电动轿车电池体系，其单体电池形态、pack配置、工况特征和环境约束条件与船用动力电池存在明显差异[45]。船只电池一般选用大容量方形电芯组成密集堆叠模组，以满意电动船只对高能量与高功率的需求[46]。在配对发动、加快、机动及读档动摇工况下，电池或许接受大幅快速改变的放电电流[47]。这导致极耳通过的绝对电流远高于大都车用电池，引发明显的焦耳热效应和部分极耳过热现象[48][49]。
此外，数种常用电池热办理体系（BTMS）技术在海洋环境中的使用存在限制性[50]。强制风冷需装备进气与排气通道，这或许削弱电池舱密封性，并添加电池组露出于潮湿盐雾环境的危险。依据相变资料（PCM）的冷却虽可提高瞬态热缓冲功能，但其较低导热系数常需添加导电填料，导致体系分量与本钱添加。热管冷却计划虽结构紧凑且无需外部动力，但在船只推动负载快速动摇工况下或许呈现呼应缺少的问题。因而，液冷体系因其高热传导才能和可控性，更适用于船用动力电池。但是，现有液冷研讨多集中于电动轿车电池组的全体温降、流道优化或温度均匀性，针对大容量船用电池因极耳电阻引发的部分热量积累问题尚未得到充分处理[51]。
近期关于船只用电池组的研讨已开始考虑大型电动船只的液冷结构，但首要侧重于Pack层面的全体温度一致性，以及冷却液流速、进口温度与放电倍率的影响[52]。现在关于极耳引发的部分产热、模组笔直堆叠方法与冷却液流向之间的耦合联系仍缺少深化探求。因而，仍需求开发一种直接针对上部极耳区域、能有用按捺部分热量积累的船用冷却结构。
为添补这一研讨空白，本研讨提出一种新式船只动力电池液冷板热办理体系，并通过试验与模仿相结合的办法探求其热行为与冷却功能。搭建了专用的热物性测验体系，用于测定比热容、导热系数等要害参数。充放电测验显现，电池负极（50.6°C）与正极（44.2°C）之间存在6.4°C的明显温差。在1℃放电结束时，电极温度到达52.2°C的峰值，凸显出极耳过热问题。依据试验数据，树立了通过验证的电化学-热耦合模型以模仿海洋工况下的热呼应行为，结果标明高倍率放电会明显添加总产热量。为此，研发了选用顶进底出流道规划的优化冷却板。模仿数据显现，在进口流速0.09米/秒、冷却液温度15°C的工况下，该体系使电池包最高温度与最大温差别离下降5.9°C和5.7°C，成功将最高温度控制在55°C安全阈值以下。本研讨为船用动力电池体系的热办理提高供给了量化验证的处理计划。