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相变材料耦合运行工况自适应液冷策略用于储能Discover蓄电池热管理
摘要
热管理对于确保储能电池的安全性和可靠性至关重要。传统的单模冷却方法在多变的工作条件下无法保持效率和温度均匀性。本研究提出了一种适用于大容量储能电池的相变材料（PCM）耦合液冷策略，并结合了工况自适应控制方案。开发了一个采用石蜡/膨胀复合相变材料和并联通道液冷板的电池管理系统数值模型。该系统的热管理性能在不同冷却剂流速、入口温度、相变材料熔点和潜热条件下得到了全面验证，随后进行了定量敏感性分析以确定主要影响因素。基于参数化分析，提出了一种自适应冷却策略：在低充放电倍率下采用被动相变材料冷却，而在高倍率下实施延迟液冷激活策略，以充分利用相变材料潜热并降低能耗。结果表明，与单纯液冷相比，该系统使电池表面最高温度降低了5.1 °C，最高温差降低了2.62 °C。灵敏度分析显示，冷却剂流速对温差和最高温度的影响最大，其次是相变材料熔点、冷却剂温度和潜热。在延迟冷却策略下，连续运行期间的总液冷运行时间减少了1720秒，冷却循环次数从八次减少到三次。本研究提供了一种基于工程且适应运行的温控方案，显著提升了储能电站在实际多变工况下的温度控制效果、能源效率和运行安全性。
1. 引言
大规模固定式储能已成为提高电网稳定性和灵活性的重要手段[1,2]。随着电池储能的快速扩展，运行安全性日益受到关注[3]，特别是热失控的预防[4]以及长期运行期间的电池健康维护[5]。在现有技术中，锂离子电池因其高能量密度和技术成熟度，已成为电网级和综合储能应用的主要选择[6,7,8]。在更广泛的能源系统层面，为了提高系统的灵活性和运行可靠性，先进的运行和弹性控制方法也得到了越来越多的研究[9,10,11]。然而，充放电过程中的热量积聚可能导致电池模块内温度分布不均和温度过高[ %%]。长期暴露于不适宜的热条件会加速性能退化，因此有效的热管理对于维持电池可靠性至关重要[12]。在严重情况下，局部过热可能引发热失控并促进其在电池系统内的蔓延[13,14]。因此，开发高效且稳健的电池热管理系统（BTMS）至关重要。15]. Hence, developing an efficient and robust battery thermal management system (BTMS) is essential.
液冷是电池热管理系统（BTMS）中使用的主要主动冷却方法之一[16]。通过在冷板中循环冷却液，它提供了一条高效且可控的散热路径[17,18]。通常采用平行和蛇形通道来改善冷却液的分布。相比之下，相变材料（PCM）冷却利用潜热吸收来缓冲电池温度升高，并可与液冷结合以实现互补的热调节[19]。然而，其主动特性需要水泵持续运行，导致能耗较高[20,21]。Wu等人[22]全面综述了液冷电池热管理系统，并强调冷板配置、冷却液分配和多性向优化是影响冷却性能和泵送功率的关键因素。Niu等人[23]利用正交实验设计优化了蛇形通道冷板，并证明适当的通道尺寸和冷却液流速可以提高冷却性能。Zhang等人[24] 强调，包括冷板和浸没式冷却技术在内的液冷技术，因其卓越的传热能力，已成为高能量密度电池系统的核心解决方案。相反，基于相变材料的被动冷却利用潜热吸收来缓冲温度峰值，无需能量输入，提供了一种本质上节能的解决方案 [25,26]。然而，仅应用相变材料（PCM）会受到其低导热性和有限储热能力的限制；一旦完全熔化，PCM就会失去温度调节能力，导致温度迅速升高[27,28]。Wang等人[29]进一步证明，将MXene和阻燃添加剂引入复合PCM中，可以同时改善散热性能和防火安全性。此外，Yang等人[30]报道称，膨胀石墨/石蜡复合PCM能有效降低峰值温度。最近，Yuan等人[31] 强调，将相变材料（PCM）与液冷或热管相结合的混合热管理系统已成为一种极具前景的策略，能够在保持低能耗的同时，克服独立PCM系统的热饱和问题。
因此，混合相变材料-液冷系统引起了广泛关注，旨在将液冷的高换热能力与相变材料的被动温度缓冲效应相结合[32,33,34,35]。多项研究对这种耦合系统进行了探讨。例如，引入相变材料已被证明能降低高倍率放电期间的峰值温升。此外，研究人员还探索了冷板的结构优化（如改变通道几何形状或添加散热片）以提升热性能。Xu等人[36]提出了一种相变材料-液体混合冷却系统，并报告称与相变材料冷却策略相比，该系统在最高温度控制方面有显著改善。Balasubramanian等人[37]进一步表明，将纳米掺杂相变材料引入液体冷却电池热管理系统，可显著增强散热能力，并在高倍率运行下延迟相变材料的热饱和。此外，Hyun等人[38] 优化了相变材料-液体混合系统的冷却通道配置，并发现适当的通道布局能有效改善整个电池包的温度分布。最近，Zhang等人[39]开发了一种微通道液体冷却/相变材料集成电池热管理系统，并通过分级传热机制证明了其在宽工作温度范围内具有优异的热调节能力。Ma等人[40] 开发了一种PCM-液冷混合电池热管理系统（BTMS）框架，用于在代表性运行工况下实现延迟冷却协调。这些研究共同表明，混合PCM-液冷系统能够有效缓解PCM的热导率限制，同时降低与传统液冷系统相关的冷却需求和泵送功率。除了这些进展外，现有研究主要关注固定运行条件下的稳态冷却性能，对相变材料熔化动力学与液冷启动之间的瞬态相互作用关注有限。因此，本研究与上述研究的主要区别在于，它实现了基于运行速率的相变材料热缓冲与延迟液冷激活的协调，而非混合相变材料-液冷配置本身。图1展示了我们的方法与现有混合相变材料-液体冷却研究之间的知识差距。
在实际的储能应用中，电池很少在恒定的工作条件下运行。相反，它经常经历变化的充放电速率和波动的环境温度，从而产生动态的发热特性[41,42,43在这种情况下，单一的冷却模式可能无法始终在能效与热安全之间取得平衡。具体而言，持续的液冷虽然能有效抑制温升，但在低充放电倍率下可能会产生不必要的辅助能耗。相比之下，基于相变材料的被动冷却具有出色的节能潜力，但随着潜热存储容量的耗尽，其热调节能力会逐渐下降，尤其是在高充放电倍率下。因此，根据电池运行状态动态协调被动与主动冷却，是实现有效温度控制的一种极具前景的方法。此外，关键参数对系统热行为的影响尚未得到充分阐明。这种系统性认识的缺乏限制了自适应控制策略的发展，并阻碍了混合电池热管理系统的优化设计。
此外，尽管相变材料（PCM）液冷热管理系统已得到广泛研究，但现有研究多集中于固定工况下的冷却结构优化和热性能评估，而对不同热负荷下PCM相变储热与液冷激活之间的动态协调关注较少。对于大容量储能电池，仍缺乏系统研究如何根据充放电速率在主动液冷与被动PCM冷却之间进行适当切换，以维持有效温度控制并减少不必要的液冷运行。此外，液冷运行参数和PCM热物理性质对耦合系统热性能及控制策略的影响尚未完全明确。因此，有必要针对不同的运行工况，研究一种协调的相变材料与液冷热管理策略。
为解决这些问题，本文提出了一种适用于大容量储能电池的相变材料（PCM）耦合液冷电池热管理系统（BTMS），并配备了运行工况自适应控制策略。建立了PCM耦合液冷BTMS的三维数值模型，系统地比较了该耦合系统与单一液冷系统的冷却性能。通过全面的参数化研究，阐明了冷却剂流速、冷却剂入口温度、PCM熔点和PCM潜热对电池表面最高温度及温差的影响，并进行了定量敏感性分析。基于参数化研究结果，提出了一种自适应冷却策略：低倍率（0.5C）运行仅采用PCM被动冷却，高倍率（0.75C）运行则延迟启动液冷（35°C启动，28°C停止）。在此基础上，本研究建立了电池热负荷、相变材料储热行为与液冷激活之间的协调关系，从而能够根据不同的充放电条件调整被动和主动冷却模式。主要贡献有三点：
(1) 耦合冷却性能评估：量化了相变材料-液冷混合系统的热性能，并与纯液冷系统进行对比，结果表明两者均能有效降低最高温度和温差。
(2) 参数敏感性量化：系统分析了四个关键运行与物理参数（冷却剂流量、冷却剂温度、相变材料熔点、相变材料潜热）对两项关键热指标的影响，并对其相对敏感性进行了排位。
(3) 运行工况自适应策略设计：针对不同的充放电倍率，开发了一种简单有效的基于规则的自适应冷却策略，在保持电池安全温度的同时，显著降低了液冷系统的能耗。
2. 数值模型
2.1. 几何结构与材料参数
图2介绍了一种相变材料（PCM）耦合液冷热管理系统的建立。电池模块由六节280 Ah电池组成，从左至右编号为1至6。平行通道液冷板的尺寸为15 mm × 204 mm × 456 mm，单个流道的截面尺寸为6 mm × 10 mm。在相邻电池之间插入了4 mm厚的PCM层，并在电池1的左侧和电池6的右侧各添加了2 mm厚的PCM层。电池模块中的PCM体积为085 L，根据表1.
图2。相变材料耦合液冷热管理系统的几何结构。
表1。材料物理性质。
2.2. 控制方程与边界条件
电池产热可以通过Bernardi模型计算[45]:
其中Uo和Ut表示开路电压和端电压，以及∂Uo/∂T是熵系数。本文提供的经验公式如下：
其中A1–A7是文献[46]. 表2中列出的PCM密度，对应添加的PCM质量约为1.82 kg中拟合的多项式系数，列出了不同放电倍率下的经验常数。
表2。不同倍率下的产热系数。
电池表面与空气之间的对流换热如下：
其中Ta是环境温度，k是电池的热导率，表示温度梯度，并且hbat−a是换热系数。
冷却板与电池之间的换热边界计算如下：
对于相变材料，热容cp计算公式为：
其中下标1和2分别表示固相和液相。潜热L被采用为附加项，假设相变发生在（TPCM− ΔTPCM/2）和（TPCM + ΔTPCM/2）之间，其中TPCM是熔点，以及ΔTPCM表示相变温度范围。在此温度范围内，平滑函数k1和k2被用于模拟材料相。k1= 1，且k2= 0，如果温度低于（TPCM− ΔTPCM/2); k1= 0 且k2= 1，如果温度高于 (TPCM + ΔTPCM/2)；并且k1 + k2= 1，在任何情况下，包括温度介于 (TPCM− ΔTPCM/2) 和 (TPCM + ΔTPCM/2)。在相变过程计算中，k1和k2可以定义为：
质量分数αPCM通过公式(12)计算。α在转变前为−1/2，转变后为1/2。发生相变后，该函数变为固定值。
此外，密度ρPCM和热导率λPCM给出如下：
]将冷却水入口设置为质量流量入口，总入口流量为0.63 L/min，入口温度为25 °C。冷却水出口设置为压力出口。不同计算域之间的界面设置为耦合壁面。其余表面通过自然对流与环境空气进行热交换，入口流体温度为25 °C，对流换热系数为5 W/(m2·K)。
除非另有说明，电池表面最高和最低温度是从六个电池单元的所有表面提取的，并分别定义为每个时间步的全局最大值和最小值。最大温差计算为这两个值之间的差值。PCM液相分数定义为所有PCM区域的体积平均液相分数。温度等值线表示相应工况结束时电池表面的温度分布。
建立了一个三维瞬态流体流动和传热模型，并使用ANSYS Fluent 2024R1进行求解。采用SIMPLE算法实现压力-速度耦合。压力项采用二阶格式离散，时间离散则采用二阶隐式格式。时间步长设置为10秒，所有方程的最大残差标准设置为1 × 10−4。在所研究的工况下，相变材料的熔化温度为= 29.96 °C，而模拟中使用的相变温度范围为ΔPCM = 2 °C。TPCM = 2 °C.
2.3. 模型独立性验证
。在本节中，生成了六种不同的网格尺寸，对应的单元数量分别为600,000、800,000、1,000,000、1,200,000、1,500,000和2,000,000。如图3所示当单元数量超过120万时，模拟结果对网格数量变得基本不敏感。因此，为了在计算精度和成本之间取得平衡，所有后续模拟均采用包含120万个单元的网格。
图3。网格独立性验证结果：（）0.5C；（）0.75C；（) 1C.) 0.75C; (c) 1C.
2.4. 模型验证
To verify the reliability of the simplified simulation model, a comparison with experimental data is required. Yu et al. [48] investigated a battery module composed of 280 Ah lithium iron phosphate batteries, examining the temperature performance of the battery module under 0.5C charge/discharge conditions through both simulation and experimentation. Moreover, the simulation model under 0.75C and 1C charge/discharge conditions are also compared with the research data [49]. A physical model identical to that used in the experiment was established, and the maximum temperature variation of the battery module was monitored. Figure 4 presents the comparison of the simulated and experimental battery surface highest temperature. The simulation results agree well with the experimental data, with a maximum relative error of less than 3% between the two.
图4.电池模型验证结果：(）0.5C；（）0.75C；（) 1C.) 0.75C; (c) 1C.
此外，基于研究数据验证了相变材料（PCM）熔化模型[50]。监测了电池模块的最大温度变化。图5展示了模拟与实验PCM熔化的液相分数对比。同样，最大液相分数误差小于2%，表明所提出的PCM熔化模型有效。
图5。相变材料熔化模型验证。
3. 结果与讨论
3.1. 耦合冷却性能分析
为了评估相变材料耦合液冷热管理系统的冷却性能，建立了平行通道液冷板冷却基准案例进行对比。图6展示了电池的温度分布。可以观察到，并联通道液冷板冷却配置在直接接触冷板的电池侧冷却效果良好，但在中心区域效果较差，导致单个电池内部温差过大。相比之下，对于相变材料（PCM）耦合液冷配置，在两侧冷板的基础上添加PCM改善了电池中心区域的传热条件，从而提高了单个电池内部的温度均匀性。为了定量分析高温区域的比例，我们将35°C设定为高温阈值。平行通道液冷板冷却策略和PCM耦合液冷策略的高温区域比例分别为0.892和0.785。这种降低表明，引入PCM可以有效改善电池表面的温度均匀性，因为PCM通过其潜热吸收了充放电过程中产生的大量热量，从而缓解了局部热点并抑制了温度过度升高。
图6。两种冷却配置的温度分布：（）平行通道液冷板冷却；（）相变材料耦合液冷。b) phase change material-coupled liquid cooling.
图7图a展示了电池模块在1C放电过程中电池表面最高温度的变化情况。可以看出，对于仅采用液冷板冷却的情况，电池温度在初始阶段几乎呈线性上升。1200秒后，温升速率逐渐减缓，电池表面最高温度达到39.4 °C。这是因为在放电初期，电池温度相对较低，导致电池与冷板之间的温差较小，从而限制了换热速率。随着电池温度升高，温差增大，从而增强了传热并降低了升温速率。对于相变材料（PCM）耦合液冷热管理方法，电池温度迅速升高。当达到PCM熔点时，由于PCM熔化过程中的潜热吸收，升温速率受到抑制。放电结束时，电池表面最高温度为34.3 °C，对应的温升仅为9.3 °C。与平行通道液冷板冷却相比，最高温度降低了5.1 °C，这表明耦合冷却方法能有效抑制最高温度。
图7。两种冷却配置的冷却性能：() 表面最高温度；() 最大温差。b) maximum temperature difference.
图7b展示了两种热管理系统的最大温差。对于并联通道液冷板冷却，温差随放电过程逐渐增大，最大达到6 °C。这是因为直接接触冷板的电池表面保持相对较低的温度，而远离冷板的表面无法得到有效冷却，导致温差过大，超过了储能电池允许的最大温差。对于相变材料（PCM）耦合的液冷方法，温差在初始阶段迅速增大。随着PCM逐渐熔化，温差增长率下降，最大温差为3.38 °C。与并联通道液冷板冷却相比，最大温差降低了2.62 °C，表明添加PCM能有效抑制电池模块内的温差升高。
3.2. 运行与物理参数分析
3.2.1. 冷却液的影响
对于相变材料耦合液冷系统，冷却液的入口速度不仅影响冷却性能，还在相变材料的潜热回收中起着至关重要的作用。因此，本节选择了五种不同的速度——0.001 m/s、0.003 m/s、0.005 m/s、0.007 m/s和0.01 m/s进行影响分析。
图8图a展示了不同冷却液入口速度下电池表面的最高温度。最初，电池温度迅速升高。当达到相变材料的熔点时，升温速率受到抑制，进入平台期。在0.001 m/s和0.003 m/s的入口速度下，电池表面最高温度在平台期后再次迅速升高。这归因于低入口速度下冷板的散热能力有限，导致相变材料因吸收过多热量而完全熔化，从而引发随后的温度急剧上升。相应地，图8b显示了相变材料的液相分数，并表明在温度突然升高时，液相分数达到1。表面最高温度随入口速度增加而降低，但降幅逐渐减小。当速度从0.001 m/s增加到0.003 m/s时，表面最高温度下降3.7 °C。当速度从0.005 m/s增加到0.007 m/s时，表面最高温度仅下降0.5 °C。结合相变材料液相分数的变化，显而易见，在0.001 m/s的入口速度下，低流速导致热交换不足。即使相变材料完全熔化，也无法吸收电池热量，从而导致热量积聚和温度异常升高。
图8。 () 电池表面最高温度；（) 不同冷却液入口速度下的液相比例。b) Liquid phase proportion in different cooling liquid inlet velocities.
图9a显示了最大温差。最大温差随入口速度的增加而增大。如图9所示b中温差的骤降是由于相变材料完全熔化所致，这导致电池表面最低温度突然升高，温差急剧减小，随后在一段时间后趋于动态平衡。随后温差的突然上升归因于相变材料的完全熔化，电池温度的快速升高导致温差扩大。
图9。 () 最大温差；（) 不同冷却液入口流速下的电池表面最低温度。b) Battery surface lowest temperature in different cooling liquid inlet velocities.
冷却水入口温度也会影响散热性能。因此，本节研究了五种不同的冷却液入口温度（24 °C、25 °C、26 °C、27 °C 和 28 °C）对电池表面最高温度和最大温差的影响。图10a图展示了电池表面最高温度随不同冷却液入口温度的变化情况；放电结束时的表面最高温度持续上升。当入口温度从24 °C升高至28 °C时，表面最高温度从33.44 °C升至36.63 °C。若冷却水入口温度超过25 °C，则在平台期后温升速率再次增加。图10b展示了电池在不同冷却液入口温度下的最大温差。入口温度越高，3000秒前的温差越小。然而，3000秒后电池温差出现了异常的突然增减。这是因为在3000秒前，最大温差是由冷板和相变材料共同维持的。较低的冷却水入口温度会导致冷板与电池之间的换热速率增大，使得冷板对电池温度场的影响更大，从而导致温度均匀性变差。3000秒后，相变材料的完全熔化导致了这些温差的异常变化。
图10。 () 电池表面最高温度；（) 不同冷却液入口温度下的最大温差。b) Maximum temperature difference in different cooling liquid inlet temperatures.
3.2.2. 相变材料热物性的影响
除了运行参数外，相变材料的热物性参数（熔点和潜热）也对相变材料耦合液冷的热管理性能产生显著影响。
相变材料（PCM）的潜热是热管理系统温度控制能力的重要指标。选取五种不同的潜热值——130 J/g、160 J/g、190 J/g、220 J/g和250 J/g——来研究PCM潜热对电池热管理性能的影响。
图11a展示了不同PCM潜热水平下电池表面的最高温度。可以发现，在放电初期，电池温度迅速升高。当电池温度达到PCM熔点时，升温速率显著降低，且电池表面最高温度随PCM潜热的增加而降低。当潜热低于220 J/g时，温度平台期过后升温速率再次上升。如图所示图11b，这一现象归因于当相变材料（PCM）的液相分数达到0.9时，大部分相变材料已完成相变，导致储热能力下降，从而引起电池温度回升。
图11。 () 电池表面最高温度；（）不同PCM潜热下的液相比例。b) Liquid phase proportion in different PCM latent heat.
除了潜热之外，相变材料的熔点在电池管理性能中也起着重要作用。图12a展示了不同熔点下电池表面的最高温度；在600秒前，温度上升曲线几乎重合。随着温度升高，当电池温度在600秒后达到相变材料熔点时，升温速率开始下降。熔点越低，电池越早进入缓慢升温阶段，从而实现更低的电池最高温度。然而，如图12所示b，过低的熔点也会导致相变材料过早熔化，从而在放电后期因相变材料完全熔化而导致温度迅速升高。因此，必须仔细选择相变材料的熔点；不合适的熔点会导致电池温度出现不良升高。
图12。 () 电池表面最高温度；（) 不同相变材料熔点的液相比例。b) Liquid phase proportion in different PCM melting point.
3.2.3. 影响因素的灵敏度定量分析
为了定量评估这些参数对热管理系统的影响，进行了灵敏度分析。上述参数的灵敏度计算如下：
其中xi和xj代表关键参数，并且n是变量的数量。目标变量是电池表面最高温度和最大温差。fmax(xi）和fmin(xi）分别表示相关目标变量的最大值和最小值。需要注意的是，均值-方差归一化消除了单位和数值量级的差异，而公式(16)中的灵敏度指数仍取决于所选的参数范围。所采用的范围代表了本研究考虑的工程条件，包括0.001–0.01 m/s的冷却剂速度和24–28 °C的入口温度。因此，图13中的灵敏度排名反映了在这些研究范围内的相对影响。
图13。灵敏度定量分析结果。
图13展示了上述四个参数对两个目标变量的灵敏度计算结果。关于最高温度，四个参数的影响力降序排列为：冷却液流速（39.2%）、熔点、冷却液温度和潜热。对于最大温差，排名为：冷却液流速（36.3%）、熔点、潜热和冷却液温度。在所研究的参数范围内，冷却液流速对两个目标变量表现出最大的相对影响。因此，提高冷却水流速可以有效提升所提出的电池热管理系统的冷却性能。在相变材料的热物理性质中，熔点的影响最大，其次是潜热。
3.3. 运行工况自适应冷却策略设计分析
考虑到储能电池在实际运行中并非以固定的充放电倍率工作，应针对不同的充放电倍率采用自适应冷却策略，以在满足电池热管理需求的同时最小化能耗。为了全面评估不同运行工况下的冷却性能，本节采用不含相变材料（PCM）的传统液冷板作为基准，并将其指定为参考组。
3.3.1. 低充放电倍率下的被动冷却
当电池以低倍率（0.5C）运行时，液冷系统不启动，仅利用相变材料进行系统的被动冷却。图14图a显示了所提热管理系统和基准组在0.5C放电过程中电池表面的最高温度。初始阶段，两组的温升速率相当。当表面最高温度达到30.1 °C时，所提热管理系统中的相变材料开始熔化并吸收热量，从而抑制温升速率。放电结束时，所提热管理系统的表面最高温度为31.98 °C，而基准组为39.95 °C，温差为7.97 °C。图14b展示了所提热管理系统中的相变材料液相分数。相变材料在2670秒时开始熔化，液相分数达到0.66，表明部分潜热仍未被利用。
图14。被动冷却结果：（）表面最高温度对比；（）液相比例。b) Liquid phase proportion.
图15展示了基准组和所提热管理系统的温度分布。对于基准组，电池表面最高温度分布为39.95 °C。由于电池顶部存在自然对流冷却，最低表面温度出现在顶部，而最高温度出现在底部的绝热表面。对于耦合热管理系统，电池表面最高温度为31.98 °C。这表明，在低充放电倍率下，仅利用相变材料的潜热就足以实现有效的电池冷却。
图15。（）基准组和（）所提热管理系统在0.5C放电结束时的温度分布。b) proposed thermal management system at the end of 0.5C discharge.
3.3.2. 高充放电倍率下的延迟冷却
当电池以中等倍率（0.75C）持续运行时，由于相变材料（PCM）完全熔化，被动冷却会导致电池后期温度过高。相反，提前采用液冷会导致PCM潜热利用效率低下，从而增加系统能耗。因此，本节提出了一种延迟冷却策略，即当电池最高温度达到35°C时启动液冷，当电池温度降至28°C时关闭液冷。这些阈值是基于工程经验而非正式优化的，是参考文献[中的推荐工作温度范围选定的42]，该研究确定25–40 °C为锂离子电池的最佳工作温度范围。因此，35 °C的激活设定在上限以下5 °C的裕量，以考虑热惯性并防止电池温度超过40 °C；而28 °C的去激活设定在下限以上3 °C的迟滞，以避免频繁的开关循环并确保系统稳定性。这种方法在满足电池冷却需求的同时，提高了相变材料潜热的利用率，并降低了系统能耗。
本研究聚焦于热管理系统在连续循环运行下的整体热响应。为突出循环过程中的热量累积与冷却响应，忽略了SOC变化以及充放电阶段间瞬态产热差异的影响。因此，充放电过程被表示为周期性恒定热负荷，在整个循环中应用相同的等效产热率[51,52]. 图16显示了耦合热管理系统和基准组在0.75C放电过程中的最高电池温度。随着放电的进行，最高温度持续上升。当最高温度达到31 °C时，耦合热管理系统中的相变材料熔化减缓了温度上升速率。基准组达到35 °C所需时间为2870秒，而耦合热管理系统为6390秒，延迟了3520秒。当最高温度达到35 °C时，液冷系统被激活，冷却水入口速度为0。01 m/s，且入口温度为20 °C。需要强调的是，基准组也采用了相同的液冷设置，以确保公平比较。在本分析中，20 °C的冷却剂入口温度被设定为边界条件，并假设由外部温控回路供应；因此，冷却剂调节所需的制冷能量超出了本研究考虑的系统边界。由于热惯性，电池最高温度在引入冷却水后并未立即下降，而是继续略微上升至35.2 °C。
图16。电池表面最高温度对比。
为了进一步研究延迟冷却策略对系统能耗的影响，比较了电池连续运行10小时期间，耦合热管理系统与基准组的液冷运行时间。图17显示了两种配置下的最高温度。为了将电池温度维持在28 °C至35 °C之间，液冷系统在10小时内经历了多次启动和关闭循环。基准组在10小时运行期间需要八次冷却循环，而耦合热管理系统仅需三次冷却循环。由于液冷系统同时为电池和相变材料（PCM）降温，耦合热管理系统的冷却循环时间比基准组更长：基准组的冷却循环为1630秒，而耦合热管理系统的冷却循环为4800秒。然而，耦合热管理系统的总液冷运行时间比基准组更短。耦合热管理系统的总液冷时间为15,000秒，而基准组为16,720秒。在10小时的连续电池运行期间，耦合热管理系统使液冷运行时间共减少了1720秒。为了定量估算泵的节能效果，假设典型泵配置的流速为0.01米/秒，水力功率约为5.0瓦。假设泵效率为85%，相应的电功率消耗约为5.88瓦。与基准相比，所提出的策略使泵的运行时间减少了1720秒。因此，估计的泵电能节省约为2。8瓦时，与基准组相比。
图17。10小时运行期间最高温度的变化对比。
4. 结论
本文提出了一种适用于储能电池的相变材料（PCM）耦合液冷热管理系统，并采用运行工况自适应控制策略。系统地研究了耦合冷却性能、运行参数与PCM热物理性质的影响，以及不同充放电倍率下的自适应冷却策略。结论如下：
(1) PCM与液冷提供了互补的热调节功能。PCM缓冲电池瞬态热负荷，而液冷则移除累积热量。两者的协同使用改善了温度均匀性，证明了将被动热缓冲与主动散热相结合的工程效益。
(2) 耦合系统的热性能受冷却剂运行参数和相变材料（PCM）热物理特性的共同影响。因此，有效的系统设计需要将冷却剂条件和PCM特性与电池热负荷进行适当匹配，从而协调散热与储热能力。
(3) 这种依赖运行速率的协调策略会根据电池的热需求，在被动PCM冷却和延迟主动液冷之间切换。这在保持有效温度控制的同时减少了不必要的液冷运行，表明其在多变运行条件下提高能源效率和适应性的实际潜力。
需要注意的是，本研究是在恒定环境温度、稳定的冷却液入口条件、均匀的体积发热量、等效的充放电热负荷以及恒定的相变材料（PCM）热物理性质下进行的。实际运行边界的变化、电池间发热量的差异、瞬态发热特性以及PCM的长期降解未被纳入考虑。这些因素可能会影响电池的温度分布、PCM的相变过程以及液冷激活行为。因此，本研究结果主要反映了不同热管理方案在指定条件下的相对性能。未来的研究将纳入真实的运行边界和非均匀瞬态产热模型，开展长期的相变材料循环实验，并将由此产生的性能演化行为引入数值模型，以进一步评估系统的工程适用性和长期可靠性。