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基于空气冷却耦合微热管阵列@金属有机框架的锂离子电池储能系统混合电池热管理系统的扳机策略及其性能评估

锂离子电池的热管理对于确保运行安全与性能至关重要，尤其是在大规模储能系统(ESSs)中。传统风冷系统虽然结构简单且成本效益高，但其散热效率较低，难以满足高倍率放电工况需求。本研究提出了一种新型混合电池热管理系统(BTMS)，通过将风冷与U-MHPA-Fin@MIL-101(Cr)这种兼具散热与热缓冲功能的集成结构相耦合。开发了一种基于SOC的触发策略，用于动态激活空气冷却，从而优化不同工况下的热响应性能。在高温（35°C，80%相对湿度）与高倍率（最高2C）条件下的对比实验表明，该混合系统性能优于传统空气冷却（AC）、液体冷却（LC）及被动冷却（PC）方案。混合BTMS仅达到41°C的最高温度与4.3°C的峰值温差，其温度均匀性提升显著——较LC方案改善77%，较AC方案提高70%。最优风扇触发点确定为SOC=50%，该设定可同步实现能耗与热偏差的最小化。通过整合热控性能（ȵT)、放电性能(ȵe)与能效(ȵeffi)证实所提出的策略实现了卓越的综合性能。尽管成本略高于LC，该混合系统在规模化储能部署方面展现出强劲的商业潜力。
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引言

锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命而被广泛应用于电动汽车和大规模储能系统[1][2][3]。电池性能和安全性具有显著的温度依赖性：推荐工作温度范围通常为25–40°C，模组内部最大温差应控制在5°C以内[4][5]。过高温度会加速 degradation reactions 并增加安全风险[6][7][8]，而低温则会降低功率能力并可能引发锂析出[9][10]。在高倍率放电和严苛气候条件下，散热不足会导致热量积聚甚至热失控[11][12][13]。因此，开发能够实现精准温度调控与热量均质化的高效电池热管理系统（BTMS），对于确保锂离子电池系统可靠安全运行至关重要。
当前储能系统的电池热管理方案主要包括风冷、液冷和浸没式冷却，其典型特征如表1所示。其中风冷结构简单且成本低廉，但普遍存在传热能力有限与均温性较差的问题[14]。尽管通过风道设计与布局优化可显著提升其性能[15][16][17]，单一风冷方案仍难以应对高热负荷大尺寸模组的需求。液冷方案具有更高的传热效率[18]，可通过冷却液优化[19]、冷板结构设计[20][21]以及流动模式策略[22]进一步强化。然而这也导致其成本与结构复杂度攀升，市场亟需更具成本优势的热管理方法。浸没式冷却技术凭借其更高的传热效率和优异的温度均匀性也开始崭露头角，但其高昂的成本和复杂的结构使得这项技术较难应用于全年龄商业储能系统，目前主要应用于部分高价值储能场景。
为克服单模式方法的局限性，混合式电池热管理系统（BTMS）已得到发展。代表性研究方向包括采用热管辅助液体冷却以改善横向热扩散并降低温度不均匀性[26]，以及相变材料（PCM）-液体混合系统，通过利用潜热缓冲效应降低辅助能耗[27]-[30]。与此同时，蒸发/吸附驱动概念作为替代性潜热路径[31]-[34]被探索研究，其高温阶段可提升整体温控能力，从而降低系统总能耗。既有研究主要采用石蜡或改性石蜡作为相变材料，重点聚焦于提升其导热性与防泄漏性能。Yue等[35]将MIL-101(Cr)材料附着于18650电池表面，在室温条件下验证了有效的温度控制。作为具有高吸水性的多孔材料，金属有机框架（MOFs）可通过耦合吸附-脱附/蒸发过程吸收水分并散发热量[36][37]。然而，大多数MOF实证研究集中于小型电池单元，且MOFs的低导热性限制了其在大型棱柱式模块中的规模化应用。
在我们前期的研究中，我们提出了一种全被动式U-MHPA-Fin@MIL-101(Cr)电池热管理系统（BTMS），该系统在中等环境条件下表现出卓越的温控性能[5]。然而当环境温度升高至35°C时，由于MIL-101(Cr)未能充分发挥其解吸能力，系统性能出现衰减。增加气流可降低有效解吸温度并加速相变过程，这表明将MOF基结构与强制对流耦合可能重新激活高温条件下的潜冷贡献。
然而，大多数新兴混合/两相电池热管理系统（BTMS）引入了系统级液体处理方案，这促使人们为集装箱式储能系统（ESS）寻求一种更简单且有效的架构[38]。Zhang等人提出采用微通道液冷板的PCM-液体混合方案，通过在循环过程中再生相变材料（PCM）的潜热容量，与被动式PCM冷却相比提高了可持续性[39]。Yang等人将PCM/泡沫铝复合材料集成到Z型冷板中，并采用延迟冷却策略来平衡温度控制与泵功消耗[40]。Jang等人将热管与液冷相结合以增强横向热扩散并缓解热点问题，但该设计仍依赖于液体回路及相关辅助设备[26]。除单相混合系统外，Lin等人对空气冷却、单相浸没式、间接冷却和两相浸没式进行了对比研究，报告显示在高负荷条件下两相浸没式具有更优异的温度抑制效果和均匀性[41]；同时，近期综述总结了两相BTMS（浸没沸腾、喷雾冷却、流动沸腾）的快速进展，但也强调了诸如介电流体成本、密封/兼容性管理以及集成/维护负担等实际限制[42]。综上所述，尽管这些混合/两相策略能够实现强大的热性能，但它们通常需要冷却剂回路或介电流体，从而导致额外组件、寄生功率以及长期可靠性/维护问题；基于PCM的混合方案可能进一步增加质量/体积并依赖高效的潜热再生。这些Trade在集装箱式ESS中尤为关键，因为该类系统优先考虑简洁性、防泄漏和低运营成本。因此，我们选择了一种混合架构，该架构保持空气作为唯一工作流体，同时局部利用湿度驱动的潜热冷却：U-MHPA为棱柱形模块提供高平面内热扩散能力，MIL-101(Cr)在湿热空气中提供吸附-解吸/蒸发潜热冷却，强制气流除显热对流外还作为激活杠杆加速MOF解吸/质量传递，通过SOC-Triggered控制实现最小化风机运行时间和辅助能耗。
在本研究中，我们提出并通过实验验证了一种SOC触发式混合BTMS，该系统将U-MHPA-Fin@MIL-101(Cr)与强制风冷相结合，适用于高温高倍率工况。通过耦合U-MHPA实现的平面内热扩散、MOF辅助潜热冷却与间歇启动气流，所提出的系统旨在同步抑制峰值温度、提升模块级温度均匀性并降低辅助能耗。在典型湿热工况下，针对传统风冷、液冷及被动冷却方案开展了全面对比实验，并从热管理性能、放电行为、能效水平及技术经济性等多维度评估整体性能，从而验证了该构型在储能应用中的可行性和优势。
上一个：融合荷电状态均衡的电池储能系统多性向协调一次调频策略 下一个：三维分级结构Ti3@NiCo2-还原氧化石墨烯水凝胶用于高循环稳定性电池型锌离子储能器件

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