网讯：电池热管理系统对电动汽车的安全性至关重要。随着电池能量密度和放电功率的提高，传统散热方案已无法满足当前电池散热的要求。浸没式液冷电池热管理系统作为电动汽车动力电池组和动力系统的高效热管理解决方案之一，正受到越来越多的关注，但是因为其没有过多的项目案例可供参考，所以对于很多公司在开始阶段就会感觉对于一个全新的技术设计，就会无从下手，尤其是其中有三个后期验证问题比较多的三个方面，本文大概从冷却介质选择，流场设计，安全可靠性这三个点，着重介绍一下可能出现的坑以及如何规避，做一个抛砖引玉，希望有机会可以进一步和从事相关设计的行业内的同仁交流。
一、冷却介质选择
作为浸没式冷却设计，冷却介质的选择几乎决定了方案设计成功与否及后期可靠性的最为重要的一个环节，需要找到一种既具有良好的热传导性能，又能满足电气绝缘要求、化学稳定性高、与被冷却部件兼容性好的冷却介质。
其中作为设计初期，可以重点关注下面几个参数：
1）粘度：粘度作为流体对流换热最为重要的参数之一，直接影响后期整个流场的设计和冷却效果，包括对于设备的可靠性，也会造成直接的影响，在流程设计的时候，粘度增加一倍，系统的循环压力就需要增加一倍，这对于系统的机械结构就会提出完全不一样的要求，而且考虑到液体材料的热胀冷缩，如果系统设计不当，极易导致后期系统压力的升高导致电池箱体或者柜体的变形，这个点也极易被设计者所忽视，我们曾经有过案例仅仅系统有10kpa的压力，最终导致电池包壳体的一个形变，所以在介质选择上，以常规的40度粘度为例，我们尽量选择粘度5cSt以下的介质。
2）材料兼容性：这个也是介质选择的重中之重，电池包内各种材料多达40种，这里面还有很多的胶，塑料，聚氨酯材料，这些基本上对于有机溶剂都比较敏感，如果材料发生失效，基本上等同于最终硬件的失效，所以，对于介质与材料兼容性，这个是不容妥协的，需要经过完整的验证，而对于目前行业内普遍使用的336小时@80℃，笔者认为这个验证是比较松的，如果我们按照常规介质的使用温度为40℃，我们按照每提高10度，相当于验证时间加速一倍，那么这个实验基本上等同于不到1年的实际使用效果，如果我们考虑整个硬件的使用寿命是10到15年的话，这个材料兼容性测试我个人认为还要设计的更为严苛，这个可以和冷却液提供厂家共同沟通。
3）化学安全性：这个也是一个非常容易被忽视的一个点，几乎没有被硬件设计者和介质提供方考虑进来，我们想，在浸没的场景下，我们把所有的材料浸泡在绝缘介质内，那这也会有可能导致化学反应发生，其中就有可能产生有害气体，这对于环境和人员都有可能造成伤害，所以，对于浸没式这个设计，介质与材料浸没后的有害气体也需要被考虑进来，我认为这可能比介质本身的手口毒性测试还重要。
4）介质老化性能：在我们做项目初期，我们所有的关注点都在介质的新油性能，而忽视了介质老化后可能带来的问题，作为常规的有机介质，其性能随着其老化而变化，比如我们前面提到的粘度，电气绝缘性等，这就需要我们通过加速模拟介质老化，之后评估其老化后性能的衰减来看是否可以支持10-15年的使用寿命。
5）安全维护相关性能：这里面主要有介质的热膨胀系数，吸水性，饱和蒸汽压，挥发性，我们知道，储能电池工作温度波动区间相对也比较大，那么介质的膨胀系数就直接决定了后期系统使用压力的波动，以国内已经量产的一款储能产品，在使用过程中出现了箱体变形，这也就是跟系统压力变化过大导致的，另外介质本身的吸水性也尤为重要，我们发现介质如果含水量增加100ppm，电气绝缘性有可能下降90%。另外，挥发性对于后期的维护也非常重要，以国内某浸没式数据中心为例，目前使用的是氟化液产品，其一年的系统挥发率达到7-8%，是的，你没听错，一年介质损耗这么多，那么我们后期的维护成本包括挥发带来的一系列环保健康方面的问题就更不用说了。
6）电气绝缘性和闪点：其实这是目前硬件设计做介质选择的时候，设计者认为最为重要的参数，并以它们来作为介质首先要满足的先决条件，这也大大限制了介质的选择范围和参数边界，而我这里把它们放到了最后的部分，我觉得关于这两个参数的设定，我们是走了一个错误的方向，而忽视了本身硬件实际可能与其相关的失效模式，以击穿电压为例，我们现在好多要求介质的击穿电压是60kV，而空气的击穿电压是多少？只有3.5kV，换句话说，假设我们没有浸没的情况下，系统上电会击穿吗？如果3.5kV都不会，为什么我们要求介质的击穿电压是60kV，另外我们储能系统的最高电压是多少V？在什么场景下会出现60kV的场景？
另外一个就是关于闪点，因为闪点与粘度是相反的关系，这个在下一个章节会介绍到，目前浸没式冷却的流场设计仍然有很大的挑战，而其影响最大的就是介质粘度，如果我们为了所谓的安全性而牺牲粘度，最后会因为粘度的问题对于流场的设计带来非常大的挑战，对于闪点，业内一直有一个误区就是闪点就是介质的燃烧温度，其实不是的，下面是一个以200度闪点为例的介质在火烧和电击穿下的表现，其实对于而关于闪点与电池热失控的关系，我们也做了相关的研究，但是因为保密的原因，不方便在这里分享，欢迎感兴趣的读者联系我，我们单独沟通。
最后，关于冷却介质的分类及选择，在本公众号的其它文章“浸没式冷却液的主要类型及性能特点”里有详细的介绍，感兴趣可以具体了解一下。
二、流道布局设计
作为浸没式设计，除了确保冷却介质在流道中均匀分布，使被冷却物体的各个部位都能得到充分且一致的冷却效果是非常困难的。由于被冷却物体的形状和热分布往往不均匀，流道的设计需要考虑如何适应这种复杂性。要通过数值模拟和实验验证等手段不断优化流道布局，以达到最佳的冷却均匀性。这需要专业的技术和设备支持，并且优化过程可能需要反复进行，耗费大量的时间和资源。
流阻与流量的平衡流道的设计需要在降低流动阻力和保证足够的冷却介质流量之间找到平衡。流道过窄或弯曲过多会导致流阻增大，增加泵送功率；而流道过宽或过于简单又可能无法保证足够的流量和冷却效果。不同的应用场景对流量和流阻的要求不同，需要根据具体情况进行精细的设计。同时，流道中的局部阻力、进出口的压力损失等因素也会影响整个系统的性能，增加了设计的难度。
设计流道布局时，要确保冷却介质能够均匀地流经储能系统的各个部位，避免出现局部过热的情况。可以采用多通道、分布式的流道设计，增加冷却介质与发热部件的接触面积。利用数值模拟技术对流道进行优化设计，分析不同流道布局下的温度分布情况，选择最佳的设计方案。
流道的形状和尺寸应尽量减小流动阻力，以降低冷却系统的能耗。采用流线型的流道设计，避免出现急转弯、狭窄通道等容易产生流阻的结构。合理选择流道的材料，如光滑的内壁材料可以减少流体与壁面的摩擦阻力。
流道设计应考虑到后期的维护和检修需求，方便对冷却系统进行清洗、更换冷却介质和检查故障等操作。可以设置可拆卸的流道部件或预留检修口。
也可以考虑使用单独流道的设计来优化液体的流动
三、进出口设计
在浸没式冷却设计中，进出口是比较容易被忽视的一个地方，包括接插件接口，因为这些地方原本并不是针对浸没式开发的，所以非常容易漏液，目前已经有一些专业的厂家开始生产浸没式接插件的产品，可以去看一下。
流量分配：上文中提到了对于浸没式，流场的设计是最为难的部分，所以，要特别的考虑进出口的布置，而且需要打破传统的单进单出的思路，可以采用多进多出的方案，甚至可以考虑单独设计流道，可以在关键部位喷油这种方式更能保障流场的一致性，下图给了一些流道布置的思路，合理设计进出口的位置和数量，确保冷却介质能够均匀地分配到各个流道中。可以采用分流器、调节阀等设备来控制流量分配。对进出口的流量进行监测和调整，以保证冷却系统的稳定运行。
密封性能：进出口处的密封性能至关重要，要防止冷却介质泄漏。选择合适的密封材料和密封结构，如密封圈、密封胶等，并进行严格的密封测试。定期检查进出口的密封情况，及时更换损坏的密封件。
不同的进出口布置及流道设计对于液体流动有非常大的影响
四、热管理策略
温度监测与控制：在储能系统中设置温度传感器，实时监测各个部位的温度变化。根据温度监测结果，调整冷却介质的流量、流速或温度，以实现精确的温度控制。建立温度控制系统，采用自动控制算法，如 PID 控制等，确保储能系统在安全的温度范围内运行。
热平衡设计：考虑储能系统在不同工作状态下的热负荷变化，设计合理的热平衡方案。例如，在充电和放电过程中，热负荷可能会有所不同，需要根据实际情况调整冷却策略。利用热交换器等设备，将储能系统产生的热量转移到外部环境中，以维持系统的热平衡。
五、安全与可靠性设计
压力控制：冷却系统中的压力变化可能会影响流道的密封性和冷却效果。设置压力传感器和安全阀等设备，对冷却系统的压力进行监测和控制，确保在安全范围内运行。定期检查压力设备的工作状态，保证其可靠性。
故障诊断与预警：建立故障诊断系统，对冷却系统的运行状态进行实时监测和分析。当出现异常情况时，能够及时发出预警信号，以便采取相应的措施进行处理。制定应急预案，在冷却系统发生故障时，能够迅速采取有效的措施，保障储能系统的安全。
六：密封与防护问题
防止泄漏：确保流道的密封性，防止冷却介质泄漏是至关重要的。特别是在高压、高温或有振动的环境下，密封难度更大。任何泄漏都可能导致系统故障、环境污染甚至安全事故。需要选择合适的密封材料和密封结构，进行严格的密封测试，密封材料需要具有良好的耐腐蚀性、耐高温性和弹性以及与所选择介质良好的材料兼容性，以适应不同的工作条件。
外部环境的防护：因为储能设备往往是放置在室外，所以流道系统需要能够抵御外部环境的影响，如灰尘、水分、腐蚀性气体等。如果防护不当，外部杂质可能进入流道，影响冷却效果甚至损坏被冷却物体。设计防护需要考虑防尘，防潮，防雨，防止鼠害等设计有效的防护措施，如过滤器、密封罩等，同时要考虑防护措施对系统性能和成本的影响。在一些恶劣的环境中，防护要求更高，设计难度也更大。
最后列举一些目前国内已经量产的浸没式储能市场案例：
南方电网梅州宝湖储能电站
这是全球首个浸没式液冷储能电站，于 2023 年 3 月 6 日在五华县河东工业园投入运行，规模为 70MW/140MWh。该电站的电池直接浸没在舱内的冷却液中，实现了对电池直接、快速、充分冷却降温，确保电池在最佳温度范围内运行，有效延长了电池的使用寿命，整体提升了储能电站的安全性能。按照每天 1.75 次充放测算，每年可发电近 8100 万度，可减少二氧化碳排放超过 4.5 万吨。
特变电工南京智能电气有限公司储能项目
江苏省内首台正式投运的浸没式液冷储能项目，规模为 120kW/210kWh。该项目采用 “泡澡” 的方式，将储能电池直接浸没在冷却液中，实现了对电池的直接冷却降温，保证了电池在最佳温度范围内运行。并且该项目还创新推出了基于 openharmony 国产操作系统的储能智慧能源结算终端，实现了对企业用电的实时监控和精确计算。
浙江绍兴嵊州市停车场剡溪小学光储充项目
项目包括 500kW/1720kWh 浸没式液冷储能系统 2 套、500kW/1720kWh 浸没式液冷储能系统 1 套。该项目充分发挥了能源储备、削峰填谷的作用，有效改善了嵊州剡溪小学直流充电桩的能源使用情况。
南方电网宝塘电网侧独立电池储能站
这是粤港澳大湾区最大的新型储能电站，易事特集团承建了其浸没式舱级管理液冷储能系统设备集成，储能电池系统及功率变换系统均采用户外集装箱浸没式液冷布置方案。该电站占粤港澳大湾区新型储能总量的五分之一，是我国一次性建成的最大电网侧独立储能电站，也是我国首个 9 条技术路线一站集成的锂电池储能站。
