钠离子电池储能系统产热特性与热管理策略优化

作者：彭宇翔 1 高立克 1李勇琦 2,3唐彬 1 罗传胜 1

单位：1. 广西电网有限责任公司 2. 南方电网调峰调频发电有限公司储能科研院 3. 中国科学技术大学

引用本文：彭宇翔, 高立克, 李勇琦, 等. 钠离子电池储能系统产热特性与热管理策略优化[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(10): 3764-3773.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0331

本文亮点：1、系统地研究了210Ah钠离子电池充放电工况下的产热特性，并建立了液冷热管理系统的仿真模型，以分析和优化热管理策略； 2、针对钠离子电池的产热特性，提出了一种多阶段变流量的热管理优化策略。通过在放电过程中的不同阶段调整液体流量，能够在同等条件下降低电池温度的同时，有效减小热管理系统的功耗。

摘 要 随着可再生能源的快速发展，储能系统在平衡能源供需、提高能源利用效率方面扮演着越来越重要的角色。钠离子电池储能系统因其独特的优势，被视为未来大规模储能的有力候选技术之一，钠离子电池充放电过程中产生的热量会对电池的性能、寿命及安全产生重大影响。因此，非常有必要开发出更高效的热管理策略以提高钠离子电池储能系统的安全性。本工作主要采用实验和数值仿真相结合的方法，研究了钠离子电池在充放电过程中的非对称产热特性，进而提出了在放电过程中采用多阶段变流量的热管理优化策略。通过实验发现，钠离子电池放电过程产热量是充电过程产热量的3倍，1P放电工况下，峰值产热功率达70 W。而1P充电工况下，峰值产热功率仅为25 W，且持续时间极短。本工作提出了充放电过程采用不同流量的非对称式液冷热管理系统，并且基于放电过程产热功率呈现阶段式变化的特征，放电过程提出的多阶段变流量的优化策略实现了降低同等电池温度的情况下，有效降低热管理系统功耗的目的。本研究对优化钠离子电池热管理系统功耗、提高钠离子电池储能系统安全性具有重要意义。

关键词 钠离子电池；储能系统；产热特性；热管理策略

储能系统可将电能作为灵活可调节的电源，在电网低负荷时储存能量，高负荷时释放能量，以达到削峰填谷、平滑输出电能的目的，提高电力系统运行的可靠性和经济性。储能系统能够存储具有间歇性、不稳定性的太阳能和风能等可再生资源，以提高能源的可利用率。此外，储能系统在自然灾害等紧急情况下可作为备用电源，能够保障关键设施和居民基本需求。

作为最常见的储能形式，电化学储能受地理因素影响小、建设周期短，能够灵活应用于多种场景，这使得电化学储能系统能够快速响应电力系统的短时间变化。电化学储能技术成熟、转换效率高，能量密度较高，能够在单位体积内存储更多电能，这使得电化学储能在新能源汽车、移动终端等多个领域具有广泛应用。

相比锂元素，钠元素在地壳中含量更为丰富、分布更广，这使得钠离子电池在大规模储能领域具有显著的成本优势。钠离子电池不含重金属等有害物质，对环境的影响更小，具有较高的可持续发展性。而且钠离子电池具有更优异的高低温性能，在气候寒冷地区具有更广泛的应用前景，而且相比锂电池，钠离子电池安全性更高。此外，宁德时代、中科海纳等企业已布局大规模钠离子电池生产线，制备技术逐步趋向成熟。随着技术的不断突破和市场的不断拓展，钠离子电池产业链将进一步完善，形成规模化产能和市场。钠离子电池在充放电过程中会产生大量热量，若不及时有效管理，可能会影响电池的性能和寿命，甚至引发安全问题。因此，研究钠离子电池工作过程中产热特性并开发有效的热管理系统具有重要意义。

目前主要有风冷、液冷、热管冷却、相变冷却等电池热管理方式。风冷系统结构简单、成本低，但散热效率较低，仅适用于低功率场景。液冷系统散热能力强，适合高功率场景的应用，但系统复杂且存在泄漏风险。热管冷却效率高且无需额外能耗，但成本较高且受重力影响显著。相变冷却具有轻量化和紧凑设计的优势，但材料稳定性差且潜热有限。

风冷式热管理即通过气体对流带走热量来降低电池温度，根据流道的设计方式，可以分为串行通风与并行通风。Pesaran发现，采用并行通风技术可以更有效地为电池散热。Mahamud等针对LiMn₂O₄/C电池开发了一种创新的往复式风冷散热系统，这种系统的性能超过了传统的单向风冷散热系统。实验结果表明，对比自然环境，该系统能使得电池与环境之间的温差整体降低4 ℃。此外，与单向对流散热系统相比，这种往复式系统在120 s内能将电池的最高温度降低1.5 ℃。

液冷热管理系统按结构可分为主动式和被动式；根据与冷却液的接触方式又可分为直接接触式和间接接触式。液冷热管理系统的散热能力优于风冷热管理系统，在大规模储能应用场景下其散热能力更为突出。Karimi等通过实验比较了方形电池组在空气和硅油两种不同流体环境下的热交换效率。实验结果表明，在相同的流量条件下，与空气冷却相比，硅油对电池组的降温幅度高4 ℃。徐晓明等系统研究了单进单出、双进双出、三进三出、六进六出等不同流道结构的液冷板。结果表明，随着进出口数量增加，在相同进液流量的情况下，其速度分布更加均匀，换热性能逐步提高。Jin等设计出超薄微小通道冷板，该冷板结构中，内部微通道的斜翅片打破了充分发展端的边界层，提高了对流换热系数，同时分叉流动使得热量扩散速度得以提升，从根本上改善了冷板的换热均匀性和效率。Fan等设计了一种单入口单出口的双层树状微通道冷却板并优化了其结构参数，优化后的冷板最高温度和表面温度标准偏差分别降低了1.79%和69.25%，压降降低了79.13%。吴转转等通过实验研究了液冷热管理系统冷却液流量、温度和种类对圆柱形锂电池组的冷却效果的影响。实验结果表明，最佳冷却液流量为10 L/h，冷却液温度降低可以降低电池组的最高温度但温度一致性也降低；研究发现相变微胶囊悬浮液由于其相变潜热和微对流效应，可提供更好的冷却效果，且冷却效果随浓度的增加而提升。杨元龙等基于热-流耦合模型，研究了不同运行参数对液冷系统冷却性能的影响规律。结果表明，当冷却液流量增大时，其功耗增大，但电池温度一致性提高；当冷却液进口温度升高时，系统泵功耗增加，但车载制冷系统功耗降低，电池温度一致性提高；当液冷系统停止温度升高时，其功耗降低，但启停次数呈增加趋势。

热管冷却方式依靠封闭在管内的冷却介质发生相变来实现换热，最初是为了解决青藏铁路等高海拔铁路的冻土融化问题而提出的。Jang等提出了一种针对锂离子电池热管理的回路热管设计。实验结果表明，采用热管调控的锂离子电池工作温度能够有效控制在50 ℃以下，热管技术在电池热管理方面具有巨大的发展潜力。但目前热管技术的进一步应用仍然面临诸多限制，包括热管技术造价昂贵、寿命影响因素多、重力影响较大等。

相变冷却方式是利用相变材料发生相变来吸热的一种冷却方式，具有轻量化和紧凑设计的优势，并且能够在无需额外能量供应的情况下实现高效的散热性能。通常，应用到电池热管理的相变材料是有机相变材料而不是无机相变材料。尽管无机相变材料在相变潜热和导热性方面表现更优，但更容易遇到相分离和过冷的问题，这会显著降低材料的热交换稳定性及其在长期使用中的可靠性。Al Hallaj和Selman首次提出使用相变材料进行电池冷却的方法，并比较了其与传统空气冷却系统的效果，研究表明，相变材料在热管理方面的表现优于空气系统，能够将电池的工作温度降低约8 ℃，这一结果凸显了相变材料在热管理应用中的卓越性能。Wang等实验探究了石蜡和泡沫铝的复合相变材料，结果发现其理论有效热导率大约是纯石蜡的218倍。这使得温度分布更加均匀，有助于电池工作温度的一致性。此外，这种复合材料还能有效地控制锂离子电池在放电过程中的温升。

针对钠离子电池放电过程产热功率显著高于充电过程的非对称特性，液冷系统在散热效率和可控性方面更具优势。传统恒流量液冷难以兼顾效率与能耗。因此，本研究提出多阶段变流量液冷策略，基于实验数据动态调节冷却强度，在保证散热效果的同时降低系统功耗。该策略结合了液冷的高效性与可控性，为大规模储能系统提供了更优的热管理方案。

本工作通过实验测试与数值仿真相结合的方法，探究钠离子电池在1P、0.5P充放电工况下的产热特性，并建立了液冷热管理系统的仿真模型，以分析和优化热管理策略。针对钠离子电池的产热特性，提出了一种多阶段变流量的热管理优化策略。通过在放电过程中的不同阶段调整液体流量，能够在同等条件下降低电池温度的同时，有效减小热管理系统的功耗。

1 模型及实验

1.1物理模型

储能系统通常由多个电池模块组成，本工作研究的钠离子电池模块采用工程常用的1P52S串并联结构，即由52个电池单体串联组成的模块。模块整体结构如图1所示。该模块由4个电池模组串联组成，每13个电池单体串联组成1个电池模组，相邻两个电池单体之间设置有一个隔热层。模块放置在内置液冷流道的液冷板上，以实现液冷散热。电池单体的额定容量为210 Ah，尺寸为长172 mm×宽71.6 mm×厚202 mm，工作电压范围为1.5~3.85 V。实验根据实际应用场景设定为1P和0.5P两种充放电工况，电压范围分别为2.3~3.75 V和2.0~3.75 V，对应容量为150 Ah和170 Ah。液冷板为铝板(长1152 mm×宽808 mm×厚5 mm)；隔热板由热阻隔材料组成，厚2.5 mm，用以阻隔相邻电池间的热传递。液冷工质的流道设计如图2所示。设置有两个开口作为冷却流体的入流与出流边界。流体入口设置为直线型，允许流体直接进入流道，减少了流体在入口处的湍流和阻力；流体出口设置为曲线型，有助于更均匀地分布压力，减少局部压力集中，提高液冷系统的稳定性。

图1   电池模块

图2   液冷流道

1.2数学模型

为了模拟电池模块充放电过程中的温度演化，作出如下假设：电池被视为具有均匀产热和等效热物理性质的均匀体。各个结构部件的热导率、密度、比热容与温度无关。除热导率外，所有物理性质均为各向同性。组成电池模块的所有部件的热物性参数见表1。电池放置在恒温室内，电池外表面与环境之间的换热系数恒定。

表1   电池模块组成部件的热物性参数

1.2.1 控制方程

电池模块主要包括电池、液冷工质、铝板等结构部件，计算区域按照研究对象的物理形态划分为固体计算域和流体计算域。其中，在固体计算域通过能量守恒方程求解；在流体计算域选取相应的流动模型，通过质量、动量与能量守恒方程求解这些区域的流体行为和热转移过程。控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，ρ_f为流体密度，kg/m³；t为时间，s；u_f为流体速度矢量，m/s；p_f为流体压力，Pa；T_f为流体温度，K；c_pf为流体比热容，J/(kg·K)；μ_f为流体动力黏度，Pa·s；k为热导率，W/(m·K)；Q_gen为钠离子电池运行于不同工况下的产热量，W/m³，本工作通过电池产热实验获取对应工况下的Q_gen，见1.3节；∇为哈密顿算子，即：

(5)

式中，i、j、k为笛卡尔坐标系的正交向量；x_i、x_j、x_k为与i、j、k三个方向对应的坐标。

1.2.2 初始与边界条件

电池模块暴露在恒温环境中，电池与环境及冷板之间的传热包括对流传热与辐射传热。本工作采用混合换热系数表示，因此，换热边界条件统一为如下形式：

(6)

式中，h为等效换热系数，其可以是辐射、对流散热及热传导的综合；q为单位面积散热量；T为电芯与环境接触面温度；T_amb为环境温度。

电池最初与环境处于热平衡状态，环境初始温度为25 ℃，恒定混合换热系数为10 W/(m²·K)。

1.2.3 数值求解策略

在ANSYS Fluent软件框架下建立了钠离子电池液冷热管理系统仿真模型。数值网格采用结构化网格生成，如图3所示，包含281755个单元和379458个节点。采用有限体积方法(finite volume method，FVM)对上述控制方程进行求解。空间导数项采用一阶迎风差分格式，时间导数项采用全隐差分格式，采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure linked equation)方法处理压力和速度的耦合。电池热源和所有相关参数均通过Fluent中的用户自定义函数(UDF)编写。

图3   电池模块的数值网格

1.2.4 网格无关性验证

为确保数值模拟结果不受网格密度影响，通过全局加密与局部加密方法生成4套网格方案进行验证。基础网格单元数为281755；通过尺度因子γ=0.7对基础网格均匀加密，生成的单元数为569187；在电池表面及流道区域实施二级加密，生成的单元数为350000；为了验证网格稀疏化影响，取尺度因子γ=1.3，生成的单元数为200000。通过监测电池模块最高温度T_max和流道出口压降∆p两个参数以验证网格数量对仿真结果的影响。表2对比了不同网格下的仿真结果。

表2   不同网格下的仿真结果

计算全局加密网格和基础加密网格工况下电池模块最高温度T_max和流道出口压降∆p的相对误差分别为0.06%和0.08%，均满足相对误差小于1%的精度要求。综合考虑计算效率与精度，后续分析均采用基础加密网格。

1.3电池产热测试

为了准确获取Q_gen，通过绝热加速量热设备(accelerating rate calorimeter，ARC)测量了钠离子电池在1P和0.5P充放电工况下，对应充放电功率为555 W和255 W工况下，电池的产热功率以及电压随时间的变化曲线，如图4与图5所示，两种充放电工况下，电池的产热功率随时间均呈现出阶段式特性。

图4   1P充放电工况@555 W发热功率&电压-时间

图5   0.5P充放电工况@255 W发热功率&电压-时间

以1P充放电工况为例，在放电过程中，如图4(a)所示，在初始阶段，产热功率由0 W迅速升至25 W，同时电压自3.7 V降至3.6 V以下；在中期阶段，产热功率持续上升至45 W，电压进一步降至2.8 V；在峰值阶段，产热功率在短时间内升至70 W后回落至60 W，电压保持平稳下降趋势；在末期阶段，产热功率短暂回升至70 W后迅速衰减至10 W，最终趋近于0 W，而电压加速下降至2.3 V。

在充电过程中，如图4(b)所示，在初始阶段，产热功率由0 W急剧增至25 W，电压自2.5 V上升至2.9 V；在过渡阶段，产热功率迅速降至12 W，电压持续上升至3.2 V；在中期阶段，产热功率短暂升至15 W后逐步降至5 W，电压平稳升至3.6 V；在末期阶段，产热功率小幅上升至10 W后快速下降至3 W，最终归零，电压稳定升至3.7 V。

从钠离子电池产热功率测试结果可以看出，电池在放电时的产热功率都显著高于充电时的产热功率。此外，0.5 P充放电工况下，电池产热功率波动较为频繁且模型温度更低。

2 结果分析

采用Fluent软件对模型进行数值仿真，液体质量流量均设置为0.3 kg/s，获得其温度场分布及最高温度变化曲线，并结合绝热加速量热仪(ARC)实验数据对仿真结果进行对比分析。图6所示为放电工况下模型的最高温度变化曲线及放电截止时刻的温度场分布云图。分析结果表明：相较于1P放电工况，0.5P放电工况下模型的整体温度显著降低，这一现象主要归因于0.5P放电工况下电池产热功率的减小。

图6   放电工况下最高温度变化和放电截止时的温度分布

如图6所示，在1P放电过程中，前30 min内最高温度呈线性上升趋势，最终达到309 K。该温升特征与图4(a)所示的电池产热功率变化规律一致：产热功率在初始阶段急剧上升后转为平稳增长。随后的15 min内，由于图4(a)中产热功率的显著提升，最高温度随之加速上升至315.8 K。放电末期阶段，受产热功率快速衰减影响，最高温度回落至312 K。

对于0.5P放电工况，前75 min内最高温度持续上升至304 K，此温升过程与图5(a)所示的产热功率平稳增长趋势相符。在随后的50 min内，产热功率总体保持上升态势，其间出现两次突增现象，相应地，最高温度也经历两次阶跃式上升，最终达到峰值309 K。放电末期，随着产热功率的急剧降低，最高温度逐渐下降至307 K。

图7展示了充电工况下模型的最高温度变化曲线及充电截止时刻的温度场分布。分析结果表明：相较于放电过程，充电过程中模型的整体温度水平显著降低；特别是在0.5P充电工况下，温度表现更为理想，整个充电过程的最高温度始终维持在299 K左右。

图7   充电工况下最高温度变化和放电截止时的温度分布

在1P充电工况下如图4(b)所示，在充电初始阶段(前30 min)，电池产热功率迅速达到峰值25 W后呈单调递减趋势，最终降至15 W，相应地，电池最高温度呈线性上升至302 K。随充电过程进行，产热功率总体呈下降趋势，其间虽出现短暂回升但随即快速衰减，此时最高温度升至峰值302.3 K。充电末期，最高温度经短暂稳定后显著回落至301.5 K。

在0.5P充电工况下如图5(b)所示，充电初始30 min内，产热功率急剧上升至最大值9 W后迅速衰减至0 W，同时最高温度达到峰值299 K。后续充电过程中，产热功率维持在3 W以下并出现负值现象，表明此时液冷系统的散热量已超过电池自身产热量。相应地，电池最高温度持续下降，并在充电末期稳定在初始温度298 K附近。

3 热管理优化策略

通过充放电过程产热分析可知，与充电工况相比，钠离子电池在放电工况下的产热功率较大，电池温差较大。针对上述特性，进一步研究热管理系统优化策略，在降低充放电过程最高温度的同时，降低热管理系统能耗。由于电池充放电过程的产热与倍率成正比，以下优化策略研究均采用1P充放电工况，初始温度设置为298 K。

3.1多过程变流量策略

通过设置不同的质量流量参数，得到如图8所示的放电过程中压降与最高温度随质量流量的变化曲线。

图8   不同质量流量下放电过程的压降与最高温度

由图8可知，随着液体质量流量的增加，系统压降呈上升趋势，表明热管理系统的功耗随之升高；与此同时，系统最高温度逐渐降低。当质量流量超过0.4 kg/s后，继续增加流量时，最高温度的下降趋势明显减缓，而压降则显著增大。这表明对于该模型而言，继续增大质量流量对降低最高温度的效果有限，却会导致压降(即热管理系统功耗)大幅增加。因此，综合考虑热管理系统能耗与降温效果，放电过程的最佳质量流量确定为0.4 kg/s。在此流量下，系统最高温度为312.3 K，较0.3 kg/s流量工况降低了1.0 K。

在充电过程研究中，当质量流量为0.3 kg/s时，系统最高温度为301.5 K。通过设置不同质量流量参数，得到如图9所示的充电过程压降与最高温度变化曲线。

图9   不同质量流量下充电过程的压降与最高温度

分析图9可知，随着质量流量的减小，系统压降逐渐降低(即热管理系统功耗减小)，而最大温度则相应升高。当质量流量降至0.1 kg/s以下时，压降变化趋于平缓，但最大温度显著上升。在零流量工况下(0 kg/s)，系统压降为0 kPa，即热管理系统功耗为零，此时最大温度为304.4 K，较0.3 kg/s流量工况升高了2.9 K。鉴于放电过程的最大温度为312.3 K，充电过程在零流量工况下的最高温度304.4 K处于可接受范围内。因此，为最大限度降低系统能耗，建议将充电过程的质量流量设置为0 kg/s。

3.2多阶段变流量策略

如图4(b)所示，由于充电过程电池发热功率较低，即使将液体质量流量设置为0 kg/s，其最高温度仍显著低于放电过程，处于可接受范围内。因此，本优化策略维持充电过程的质量流量为0 kg/s。通过分析图4(a)可知，放电过程中电池产热功率呈现明显的阶段性变化特征：在放电初期(0~2025 s)，产热功率较低；在放电中期(2025~2850 s)，产热功率达到峰值；在放电末期(2850~4000 s)，产热功率显著降低。基于上述产热特性，结合仿真结果与初始优化策略，制定了分阶段质量流量设置方案，见表3。

表3   放电过程不同时间段的流量

图10对比了恒定流量(0.4 kg/s)与多阶段变流量策略下的电池模块温度演变情况。仿真结果表明，在多阶段变流量策略下，放电过程最高温度极值315.92 K，最低温度极值300.56 K；在恒定流量策略下，最高温度极值为315.69 K，最低温度极值为299.69 K，两种策略的温度控制效果基本相当。

图10   恒定流量与多阶段变流量策略下的模块温度极值演化

图11展示了不同策略下的液冷板压力分布特征，不同流量对应的压降具有显著差异。仿真结果表明，在0.6 kg/s恒定流量策略下，全程压降保持91.13 kPa。在多阶段变流量策略下，在放电初期(0~2025 s)，压降与0.6 kg/s工况相比降低64%；在放电中期(2025~2850 s)，压降与0.6 kg/s工况相当；在放电末期(2850~4000 s)，压降与0.6 kg/s工况相比降低91%。这表明，优化后的多阶段变流量策略能够在保障电池安全运行的情况下，显著降低热管理系统功耗，其中在放电初期和末期分别实现64%和91%的压降降低。

图11   恒定流量与多阶段变流量策略下的压力云图对比

4 结论

采用绝热加速量热仪对210 Ah钠离子电池进行绝热温升测试，系统获取了充放电过程中产热功率及电压的时变特性。实验结果表明，电池产热功率呈现显著的阶段性变化特征，这一发现为实施分阶段流量控制策略提供了理论依据。基于实验数据，建立了液冷式电池热管理系统数值模型，并通过多工况仿真验证了所提策略的可行性。针对放电过程中存在的产热功率大、温度梯度显著等问题，创新性地提出了多阶段变流量热管理优化方案。通过实验测试、建模分析和多工况仿真，证实了基于产热特性的分阶段流量控制策略的有效性。本方案不仅确保了电池系统的热安全，同时大幅提升了热管理系统的能效比，为钠离子电池热管理系统设计提供了新的优化思路。

第一作者：彭宇翔（1974—），男，硕士，高级工程师，研究方向为新型电力系统技术；

通讯作者：唐彬，教授级高级工程师，研究方向为电化学储能。

基金信息： 国家重点研发计划（2022YFB2402500）。