高防護(hù)戶外儲(chǔ)能柜散熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

林元華，靳 全，杜戴寧

(1.南瑞集團(tuán)有限公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司)，江蘇 南京 211106) (2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

為了早日達(dá)到“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，全國(guó)各地正在火熱地建設(shè)智能電網(wǎng)。儲(chǔ)能作為智能電網(wǎng)的中間調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷，提高電力設(shè)備的利用率和電網(wǎng)穩(wěn)定性，保證電網(wǎng)的安全可靠。隨著儲(chǔ)能設(shè)備需求的旺盛，定制化的要求也越來(lái)越多。如何快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，以價(jià)格更低、性能更可靠的儲(chǔ)能設(shè)備提高市場(chǎng)的占有率越發(fā)顯得重要。目前，儲(chǔ)能市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，降本增效勢(shì)在必行。儲(chǔ)能設(shè)備散熱系統(tǒng)的合理化設(shè)計(jì)，仍是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)難題。本文運(yùn)用熱仿真軟件分析對(duì)比了散熱系統(tǒng)的3種送、回風(fēng)方式的散熱效果，并通過(guò)高溫箱模擬高、低溫進(jìn)行熱測(cè)試，熱仿真與熱測(cè)試相結(jié)合，以最快的速度、最低的成本實(shí)現(xiàn)散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 高防護(hù)戶外儲(chǔ)能柜散熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及對(duì)比

本文所提及的產(chǎn)品是容量為100 kW·h的高防護(hù)戶外儲(chǔ)能柜，其防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP55[1]。該柜創(chuàng)新地采用組合式散熱系統(tǒng)，其中對(duì)溫度和環(huán)境敏感度高的電池艙采用空調(diào)散熱系統(tǒng)，對(duì)溫度和環(huán)境敏感度低的配電艙采用風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。由于風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為成熟，且成本已壓縮到極限，因此此次組合式散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)只針對(duì)電池艙的空調(diào)散熱系統(tǒng)進(jìn)行。電池艙優(yōu)化共設(shè)計(jì)出3種方案，通過(guò)熱仿真軟件Flotherm進(jìn)行分析對(duì)比，擇優(yōu)選用。

3種方案中電池艙的結(jié)構(gòu)形式均相同，其中空調(diào)散熱系統(tǒng)所需制冷總量C的理論計(jì)算公式為：

C=Cr+Cs+Ch

(1)

式中：Ch為元器件發(fā)熱功耗，W；Cs為環(huán)境滲入(出)熱量，W；Cr為太陽(yáng)輻射熱量，W。將Cs=117.2 W、Cr=277.5 W、Ch=1 000 W代入式(1)，得C=1 394.7 W，因此電池艙空調(diào)需選擇制冷量為1.5 kW的工業(yè)空調(diào)。

方案一為電池艙空調(diào)的出風(fēng)和回風(fēng)均為自由進(jìn)出風(fēng)；方案二在電池艙空調(diào)的出風(fēng)口加裝專用風(fēng)道；方案三是在方案二的基礎(chǔ)上，局部加上風(fēng)機(jī)輔助出風(fēng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離空調(diào)的柜體能夠均分空調(diào)吹出的冷風(fēng)。3種方案的示意圖如圖1所示。其中方案三風(fēng)機(jī)的理論選型設(shè)計(jì)如下：電池艙內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口均分為三路，其內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為380 m3/h，則每一路出風(fēng)口的平均風(fēng)量約為130 m3/h，由風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓理論推導(dǎo)公式可得出，單個(gè)風(fēng)機(jī)壓力損失P=12.7 Pa，據(jù)此初步選擇型號(hào)為8030的直流風(fēng)機(jī)。根據(jù)其P-Q性能曲線圖可知，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的自由風(fēng)量相加為160 m3/h，且在壓力為10～15 Pa時(shí)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的有效風(fēng)量為120～140 m3/h，理論估算出的風(fēng)量和風(fēng)壓均滿足設(shè)計(jì)需求，故風(fēng)機(jī)選型符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 高防護(hù)戶外儲(chǔ)能柜散熱系統(tǒng)方案示意圖

高防護(hù)儲(chǔ)能柜的組合式散熱系統(tǒng)理論上是風(fēng)冷組合式散熱系統(tǒng)，采用Flotherm軟件進(jìn)行熱仿真，軟件中Model Setup設(shè)置時(shí)，需考慮到熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱，選用Flow and transfer解決方案，選擇湍流模型中的Automatic Algebraic選項(xiàng)，軟件可自動(dòng)計(jì)算出湍動(dòng)黏度，適用于小空間風(fēng)冷電子設(shè)備散熱仿真的絕大多數(shù)情況。流體特性定義為：海平面1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下40 ℃空氣的物性參數(shù)，并定義缺省的環(huán)境溫度為40 ℃。打開(kāi)輻射開(kāi)關(guān)，根據(jù)儲(chǔ)能柜建設(shè)地的經(jīng)緯度定義太陽(yáng)輻射的角度和強(qiáng)度。設(shè)置Solver Control時(shí)，選擇多網(wǎng)格求解器，迭代步數(shù)為500步，F(xiàn)an Relaxation選用0.7，并選用use double precision solver選項(xiàng)，這樣設(shè)置有助于計(jì)算結(jié)果的收斂。自由對(duì)流風(fēng)速、監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度和壓力等其他參數(shù)采用軟件默認(rèn)參數(shù)。

網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)格進(jìn)行全局約束，在考慮計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的基礎(chǔ)上，需全力確保網(wǎng)格的質(zhì)量。為了確保能夠掃描到最小模型上的最小網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格最小尺寸為1 mm，最大尺寸為30 mm，并打開(kāi)smooth按鈕，調(diào)整平滑過(guò)渡參數(shù)，使得網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比無(wú)劇烈的變化。同時(shí)對(duì)風(fēng)扇和空調(diào)進(jìn)、出風(fēng)口等流場(chǎng)變化劇烈的地方局部加密和網(wǎng)格膨脹，風(fēng)扇的長(zhǎng)、寬方向網(wǎng)格膨脹距離為25%，厚度方向?yàn)?00%，并確保風(fēng)扇長(zhǎng)、寬方向不少于25個(gè)網(wǎng)格，膨脹區(qū)域不少于6個(gè)網(wǎng)格，風(fēng)扇厚度方向和膨脹區(qū)域各不少于15個(gè)網(wǎng)格。經(jīng)以上設(shè)置，劃分好的系統(tǒng)網(wǎng)格在300萬(wàn)個(gè)左右，最大長(zhǎng)寬比在20以內(nèi)，網(wǎng)格質(zhì)量較好。其中重點(diǎn)關(guān)注的流體域電池模組的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

該儲(chǔ)能柜應(yīng)用在安徽蕪湖，所處地為北緯31°，設(shè)備前門(mén)朝南，時(shí)間設(shè)置為7月下旬中午1點(diǎn)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為904 W/m2，圖2中箭頭為太陽(yáng)輻照角度。環(huán)境溫度設(shè)為40 ℃，空調(diào)停止制冷溫度設(shè)置為25 ℃，制冷量為1.5 kW。儲(chǔ)能柜內(nèi)發(fā)熱元器件建模后，參照表1進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

圖2 流體域電池模組網(wǎng)格劃分圖

表1 發(fā)熱元器件功耗

電池艙中，電池為外購(gòu)產(chǎn)品，無(wú)法建立其詳細(xì)的電芯模型，只可通過(guò)Cuboid簡(jiǎn)化建模，并根據(jù)表2對(duì)電池模組進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

表2 某型號(hào)電池單體關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)以上邊界條件，利用Flotherm軟件對(duì)儲(chǔ)能柜進(jìn)行熱仿真分析[2-3]，得到3種方案電池艙的內(nèi)部溫度云圖如圖3所示，3種方案中電池艙的平均溫度、平均溫升、最高溫度和最高溫升數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖3 3種方案電池艙內(nèi)部溫度分布云圖

表3 3種方案仿真數(shù)據(jù) 單位：℃

由圖3和表3可見(jiàn)，方案一的最高溫升最大，方案二次之，方案三最低。對(duì)比3種方案，方案三最優(yōu)，其熱穩(wěn)定后電池艙內(nèi)最高溫度低于電池限功率運(yùn)行溫度45 ℃，且艙內(nèi)平均溫升為5.9 ℃，可保證鋰電池在一年中的大部分時(shí)間里運(yùn)行在最佳環(huán)境中，符合儲(chǔ)能柜邊界設(shè)計(jì)條件。

2 優(yōu)化方案熱測(cè)試

采用K型熱電偶、數(shù)據(jù)記錄儀在模擬建設(shè)地最高溫度為40 ℃的高溫箱中進(jìn)行方案三的熱測(cè)試[4-6]。柜內(nèi)電池艙共布置8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，其位置為：靠近空調(diào)的電池側(cè)布置4排共4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，遠(yuǎn)離空調(diào)的電池側(cè)布置4排共4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并在柜外布置環(huán)境測(cè)試點(diǎn)1個(gè)。

高溫?zé)釡y(cè)試的邊界條件為:1)儲(chǔ)能柜滿負(fù)荷充放電過(guò)程中，滿足柜內(nèi)最高溫升小于15 ℃，即滿足柜內(nèi)電池最高溫度低于電池的限功率工作溫度45 ℃，其中電池的溫度取測(cè)試點(diǎn)的最高溫度；2)電池的長(zhǎng)壽命存儲(chǔ)溫度區(qū)間為18～30 ℃。

圖4所示為儲(chǔ)能柜滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)電池電量從30%到100%充電過(guò)程中的溫差數(shù)據(jù)，由圖可見(jiàn)，柜內(nèi)電池與空調(diào)環(huán)境的溫差接近5 ℃。高溫?zé)嵩囼?yàn)的環(huán)境溫度為(40±0.5)℃，空調(diào)的停止制冷溫度為25 ℃，回差為5 ℃，可見(jiàn)電池的工作溫度保持在(30±0.5)℃以下，低于電池限功率工作溫度45 ℃。由于儲(chǔ)能柜24 h只需充放電一次，因此電池長(zhǎng)期存儲(chǔ)的環(huán)境溫度為(25±5)℃。

圖4 充電時(shí)柜內(nèi)各檢測(cè)點(diǎn)與環(huán)境溫差

優(yōu)化后方案三的熱仿真溫度云圖如圖5所示。

綜上，電池艙的空調(diào)散熱系統(tǒng)通過(guò)了高溫?zé)釡y(cè)試，滿足熱設(shè)計(jì)的邊界條件。對(duì)比熱仿真數(shù)據(jù)和熱測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，仿真數(shù)據(jù)中遠(yuǎn)離空調(diào)側(cè)采樣的平均溫度為31.5 ℃，平均溫差為6.5 ℃，靠近空調(diào)側(cè)采樣的平均溫度為32.9 ℃，平均溫差為7.9 ℃，熱測(cè)試數(shù)據(jù)顯著低于熱仿真數(shù)據(jù)。造成數(shù)據(jù)結(jié)果偏差可能的原因是：1)高溫箱的溫度控制精度、熱電偶的測(cè)量精度等測(cè)試儀器和測(cè)試環(huán)境的影響；2)電池包充放電時(shí)，釋放的熱量不是穩(wěn)態(tài)的，且不同工況下釋放的熱量差異較大；3)制冷空調(diào)的實(shí)際工作狀態(tài)和熱仿真模擬狀態(tài)相差較大，實(shí)際設(shè)置25 ℃制冷，5 ℃的回差，理論上空調(diào)出風(fēng)口溫度為25 ℃左右，但實(shí)測(cè)為11 ℃左右，空調(diào)出風(fēng)口工作溫度偏離理論數(shù)據(jù)較大。鑒于以上原因，以后工作中將采取以下措施：1)選擇溫度控制精度較高的高溫箱，增加測(cè)試點(diǎn)，并進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的處理；2)尋找空調(diào)實(shí)際工作中溫度的變化規(guī)律，做好空調(diào)送、回風(fēng)口溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行精確的溫差統(tǒng)計(jì)。

圖5 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處仿真溫度云圖

3 結(jié)束語(yǔ)

盡管該儲(chǔ)能柜電池艙散熱系統(tǒng)優(yōu)化方案二和方案三中最高點(diǎn)的溫差只有1.8 ℃，滿足儲(chǔ)能柜電池限功率的熱設(shè)計(jì)要求，但方案三在散熱系統(tǒng)中增加風(fēng)扇后，可使電池長(zhǎng)期工作在長(zhǎng)壽命溫度區(qū)間內(nèi)，有益于電池的長(zhǎng)期應(yīng)用與存儲(chǔ)，延長(zhǎng)儲(chǔ)能柜的使用壽命，提升產(chǎn)品的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)比3種空調(diào)散熱系統(tǒng)方案的熱仿真結(jié)果可見(jiàn)，空調(diào)的冷風(fēng)送風(fēng)風(fēng)道對(duì)降低電池艙的局部高溫效果顯著，且可有效控制電池艙的平均溫度。在后期空調(diào)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需優(yōu)先考慮增加送、回風(fēng)風(fēng)道；對(duì)比方案三散熱系統(tǒng)的熱仿真結(jié)果和高溫?zé)釡y(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，熱測(cè)試數(shù)據(jù)顯著低于熱仿真數(shù)據(jù)，初步確定其為空調(diào)實(shí)際工作時(shí)出風(fēng)口的制冷溫度偏離熱仿真下空調(diào)設(shè)置的理論數(shù)據(jù)?？照{(diào)實(shí)際制冷工況較復(fù)雜，后期需增加此方面的經(jīng)驗(yàn)積累，使得仿真結(jié)果更加接近測(cè)試結(jié)果。