電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池柜散熱的影響因素分析*

王雅博 朱信霖 李雪強(qiáng) 劉圣春 李海龍 熊 瑞

(1. 天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300134；2. 梅拉達(dá)倫大學(xué)能源學(xué)院 韋斯特羅斯 72123 瑞典；3. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院 北京 100081)

1 引言

“碳中和”“碳達(dá)峰”目標(biāo)的提出必將推動(dòng)可再生能源迅速發(fā)展，而可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定性，很難將其所發(fā)電能并入電網(wǎng)[1]。儲(chǔ)能技術(shù)在提高新能源的消納能力、調(diào)節(jié)用電峰谷、改善用電質(zhì)量等方面具有積極意義[2-4]。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(Battery energy storage system, BESS)具有能源利用效率高、響應(yīng)速率快等優(yōu)勢(shì)[5-6]，同時(shí)，其能量和功率配置靈活、受環(huán)境因素影響小，易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

鋰離子電池具有能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低及無(wú)記憶效應(yīng)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)[7-8]。BESS運(yùn)行過(guò)程中伴隨鋰離子電池不斷充放電，其內(nèi)部由于化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如不及時(shí)將熱量散出會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高，對(duì)其安全性、使用壽命和性能等均造成不利影響[9]。因此，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)至關(guān)重要。目前，電池?zé)峁芾沓Ｓ眉夹g(shù)有風(fēng)冷、液冷和相變材料冷卻等。其中風(fēng)冷系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便和成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于BESS。

從電池規(guī)模來(lái)說(shuō)，電池?zé)峁芾砜蓜澐譃閱误w電池級(jí)、電池組級(jí)、電池柜級(jí)和集裝箱/房間級(jí)。目前關(guān)于電池風(fēng)冷技術(shù)的研究，主要針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)上的動(dòng)力電池，研究集中于優(yōu)化空氣流量、電池排列方式以及流道結(jié)構(gòu)。FAN等[10]通過(guò)CFD仿真分析研究了不同電池間距和空氣流量對(duì)電池組溫度分布的影響，結(jié)果表明電池組最高溫度隨著電池間距增大而增大，溫度分布反而更加均勻。MAHAMUD等[11]提出了一種控制冷空氣流動(dòng)方向反復(fù)變換的方式，結(jié)果顯示這種方式能夠讓電池溫差下降72%。WEI等[12]研究了強(qiáng)制空氣冷卻系統(tǒng)，結(jié)果表明增加進(jìn)口速度或使用周期性逆流布置可以使電池溫度分布更加均勻。王天波等[13]研究了進(jìn)出口方向、位置對(duì)電池組散熱效果影響的規(guī)律，結(jié)果表明采用側(cè)向通風(fēng)方式散熱效果最佳。針對(duì)集裝箱BESS風(fēng)冷目前研究較少，大多關(guān)注于氣流組織優(yōu)化。羅軍等[14]通過(guò)試驗(yàn)研究了等功率充放電下集裝箱式BESS系統(tǒng)溫度特性。王曉松等[15]和張子峰等[16]對(duì)集裝箱式BESS風(fēng)冷散熱進(jìn)行了仿真研究，通過(guò)增設(shè)導(dǎo)流板對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布更加均勻，有效降低電池模塊間溫差。

相比于動(dòng)力電池，儲(chǔ)能電池規(guī)模一般可達(dá)到兆瓦甚至百兆瓦級(jí)別，對(duì)安全性要求更高。此外，儲(chǔ)能電池對(duì)使用壽命有更高要求，動(dòng)力電池循環(huán)次數(shù)為1 000～2 000次，而儲(chǔ)能電池一般要求循環(huán)次數(shù)能夠達(dá)到3 500次以上。目前針對(duì)儲(chǔ)能電池風(fēng)冷散熱研究大多基于大規(guī)模的集裝箱冷卻，相比于電池柜冷卻，其更加關(guān)注大空間內(nèi)的氣流組織，仿真研究時(shí)通常將電池組產(chǎn)熱看作一個(gè)整體，從而忽略了單體電池溫度和單體電池間溫差。電池柜應(yīng)用廣泛，既可以單獨(dú)使用為各種場(chǎng)景提供電源，又是大規(guī)模BESS組成部分。當(dāng)前電池?zé)峁芾盹L(fēng)冷散熱研究鮮有涉及電池柜冷卻，本文基于電池柜風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，建立試驗(yàn)驗(yàn)證CFD模型，仿真分析自然對(duì)流冷卻下電池柜的散熱性能，以及進(jìn)口風(fēng)速、單體電池間距和電池組間距對(duì)電池柜散熱性能的影響規(guī)律。

2 模型建立

2.1 物理模型

本文采用方形磷酸鐵鋰電池，單體電池尺寸為55 mm×175 mm×200 mm，額定工作電壓為3.2 V，單體電池容量為202 A·h，電池內(nèi)阻約為0.14 m?。由于實(shí)際情況限制，本文利用鋁塊來(lái)代替電池進(jìn)行試驗(yàn)和CFD模擬[17-20]，鋁塊尺寸與單體電池相同。

初始模型如圖1所示，機(jī)柜分兩層，每層四塊單體電池(鋁塊)居中放置，單體電池間隔30 mm，電池組上下間隔150 mm，距電池柜左右、前后壁面均為100 mm。電池柜設(shè)有上下兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口，每個(gè)進(jìn)風(fēng)口尺寸為50 mm×350 mm，出風(fēng)口置于電池柜背部，尺寸為100 mm×350 mm。從左至右、從下至上鋁塊編號(hào)為#1～8。

圖1 電池柜初始模型示意圖(mm)

2.2 數(shù)值模型

使用SCDM軟件對(duì)圖1所示的初始模型進(jìn)行建模，將模型導(dǎo)入Workbench Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，固體域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流體域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)電池柜散熱模型進(jìn)行CFD仿真，模型基于壓力求解器，考慮重力對(duì)散熱影響，沿y方向重力大小為?9.81 m/s2。

2.2.1 控制方程

在機(jī)柜空氣流動(dòng)區(qū)域，控制方程表達(dá)式如下

(1) 連續(xù)性方程

式中，ρ為空氣密度；U為速度矢量。

(2) 動(dòng)量守恒方程

式中，u、v、w分別為速度矢量在x、y、z方向的速度分量；μ為空氣動(dòng)力黏度；Su、Sv、Sw為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

(3) 能量守恒方程電池的最高溫度需要控制在理想工作范圍之內(nèi)。此外，電池組溫度均勻性同樣重要，過(guò)大的溫差會(huì)導(dǎo)致電池組一致性變差。本文采用了2個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)柜散熱性能。Tmax為電池柜的最高溫度；ΔTmax為不同模塊間最大溫差。

在考慮不同進(jìn)口風(fēng)速時(shí)，需要考慮風(fēng)機(jī)功耗，定義功耗Wp計(jì)算公式為

式中，Pin和Pout分別為進(jìn)口和出口區(qū)域平均壓力；Q0為冷空氣流量。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在鋁塊內(nèi)部，導(dǎo)熱是主要傳熱方式，導(dǎo)熱微分方程為

式中，ρ為鋁塊密度；c為鋁塊比熱容；xλ、yλ、zλ為導(dǎo)熱系數(shù)；q為鋁塊體熱源。

鋰離子電池產(chǎn)熱來(lái)源于工作過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生的反應(yīng)熱Qr、副反應(yīng)熱Qs、焦耳熱Qj、極化熱Qp。其中焦耳熱是鋰離子電池產(chǎn)熱主要來(lái)源，電池總產(chǎn)熱表達(dá)式如下

式中，I為鋰離子電池充放電電流；R為電池內(nèi)阻；V為單體電池體積；Q為電池體熱源。

2.2.2 數(shù)值方法

本文采用CFD軟件對(duì)電池柜風(fēng)冷散熱進(jìn)行模擬研究。固體域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流體域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。模型基于壓力求解器，壓力-速度耦合方程采用coupled算法；梯度插值采用基于單元體的最小二乘法插值；壓力插值采用二階格式；動(dòng)量方程和能量方程插值采用二階迎風(fēng)格式。入口為速度入口邊界，出口為壓力出口邊界，假設(shè)柜壁絕熱。機(jī)柜進(jìn)口溫度和環(huán)境溫度均設(shè)定為25 ℃。模擬所需要的熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 熱物性參數(shù)

2.2.3 散熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

溫度會(huì)對(duì)鋰離子電池性能產(chǎn)生很大影響，因此

3.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

為驗(yàn)證CFD模擬的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。本文采用電加熱棒加熱鋁塊的方式模擬電池充放電引起的熱量產(chǎn)生。

根據(jù)式(7)，在電池以2C倍率充放電時(shí)，單體電池生熱率為25 W，試驗(yàn)中每個(gè)鋁塊加熱功率設(shè)定為25 W。試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖2所示。機(jī)柜分為兩層，每層中間放置4塊鋁塊，機(jī)柜放置在室內(nèi)，室內(nèi)溫度由空調(diào)調(diào)節(jié)，控制精度±0.5 ℃。機(jī)柜門(mén)上設(shè)有上下兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口，機(jī)柜后壁設(shè)有出風(fēng)口。風(fēng)機(jī)將冷空氣吹入機(jī)柜，與鋁塊交換熱量，然后從出風(fēng)口排出，風(fēng)速由調(diào)壓器調(diào)節(jié)。每個(gè)鋁塊插入三根電加熱棒，加熱功率由直流電源調(diào)節(jié)。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

機(jī)柜尺寸及溫度、風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。其中熱電偶T1、T2、T3、T4布置在#1、#3、#6、#8號(hào)電池右側(cè)表面中心處；風(fēng)速測(cè)點(diǎn)V1、V2布置在#2、#3號(hào)電池和#7、#8號(hào)電池間隙中心位置。

圖3 機(jī)柜測(cè)點(diǎn)位置圖

3.2 模型驗(yàn)證

試驗(yàn)測(cè)得各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線與CFD模擬結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

從圖4可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與CFD模擬結(jié)果趨勢(shì)一致。為了更直觀顯現(xiàn)二者誤差，表2、表3列出了試驗(yàn)和模擬結(jié)束時(shí)各測(cè)點(diǎn)溫度及風(fēng)速數(shù)據(jù)。由表2、表3可知，在各風(fēng)速下，各測(cè)點(diǎn)模擬值與試驗(yàn)值最大誤差僅為1.3 ℃，出現(xiàn)在#8號(hào)電池右側(cè)幾何表面中心；在進(jìn)口風(fēng)速為2 m/s時(shí)，兩個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)模擬值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差分別僅為5.1%和4.5%。溫度和風(fēng)速誤差均在允許范圍內(nèi)，因此可以認(rèn)為電池柜風(fēng)冷CFD仿真模型合理有效。

表3 風(fēng)速測(cè)點(diǎn)對(duì)比

圖4 試驗(yàn)與模擬對(duì)比驗(yàn)證圖

表2 溫度測(cè)點(diǎn)對(duì)比 ℃

4 機(jī)柜風(fēng)冷模擬結(jié)果與討論

4.1 自然對(duì)流冷卻下機(jī)柜散熱分析

風(fēng)冷可分為自然對(duì)流冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷。自然對(duì)流冷卻不依靠風(fēng)機(jī)等外力作用，由于機(jī)柜內(nèi)空氣溫度不均勻而形成密度差，在重力作用下產(chǎn)生浮力從而使空氣流動(dòng)。首先考慮自然對(duì)流冷卻下機(jī)柜散熱性能，在電池生熱量較少的情況下，如自然對(duì)流冷卻能滿足散熱需求，可減少功耗從而節(jié)約成本。對(duì)機(jī)柜自然對(duì)流冷卻進(jìn)行模擬研究，鋁塊加熱功率設(shè)置為5 W、15 W和25 W，分別對(duì)應(yīng)鋰離子電池在1C、1.5C和2C充放電倍率下的生熱率。最高溫度和最大溫差隨加熱功率變化曲線如圖5所示。

圖5 加熱功率對(duì)機(jī)柜自然對(duì)流散熱影響

由圖5可知，隨著加熱功率增大，最高溫度和最大溫差均增大。鋁塊加熱功率為5 W、15 W和25 W時(shí)，最高溫度分別為40.9 ℃、62.8 ℃和81.2 ℃。鋰離子電池建議工作溫度為25～40 ℃，加熱功率為15 W和25 W情況下，最高溫度已很大程度上超出鋰離子電池溫度要求上限，隨時(shí)有熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上分析，當(dāng)電池組以1C或1C以下低倍率運(yùn)行時(shí)，可以采用自然對(duì)流冷卻，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行情況下建議考慮強(qiáng)制風(fēng)冷。當(dāng)電池組以1C以上倍率運(yùn)行時(shí)，自然對(duì)流冷卻無(wú)法滿足散熱需求，應(yīng)從運(yùn)行開(kāi)始時(shí)或根據(jù)溫升速率提前開(kāi)啟強(qiáng)制風(fēng)冷裝置。

4.2 進(jìn)口風(fēng)速對(duì)散熱的影響

當(dāng)自然對(duì)流不能滿足機(jī)柜散熱要求時(shí)，需要采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱。鋁塊加熱功率為5 W、15 W、25W，研究不同進(jìn)口風(fēng)速對(duì)電池柜散熱性能影響。最高溫度和最大溫差隨進(jìn)口風(fēng)速變化曲線如圖6所示。

圖6 進(jìn)口風(fēng)速對(duì)機(jī)柜散熱影響

從圖6可以看出，在不同加熱功率下，最高溫度和最大溫差均隨著進(jìn)口風(fēng)速增大減小。風(fēng)速增大，對(duì)流換熱效果增強(qiáng)，帶走鋁塊表面熱量更多，機(jī)柜散熱效果變優(yōu)。隨著加熱功率減小，最高溫度和最大溫差下降趨勢(shì)區(qū)域平緩。加熱功率為25 W情況下，進(jìn)口風(fēng)速為5 m/s時(shí)最高溫度和最大溫差比進(jìn)口風(fēng)速為1 m/s時(shí)減小了10.8 ℃和2.0 ℃；在加熱功率為5 W情況下，進(jìn)口風(fēng)速為5 m/s時(shí)最高溫度和最大溫差比進(jìn)口風(fēng)速為1 m/s時(shí)僅減小了2.1 ℃和0.4 ℃。此外，最高溫度和最大溫差隨著進(jìn)口風(fēng)速增大而減小的速率均減緩。以加熱功率為15 W為例，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速由1 m/s增加至2 m/s時(shí)，最高溫度和最大溫差分別降低了9.0%和28.8%；而當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速由4 m/s增加至5 m/s時(shí)，最高溫度和最大溫差分別僅降低了0.7%和12.8%。

增加進(jìn)口風(fēng)速可有效提高機(jī)柜散熱性能，但相應(yīng)地會(huì)提高功耗，不同進(jìn)口風(fēng)速下功耗大小如圖7所示。功耗隨著進(jìn)口風(fēng)速增大而增大，且增大速率不斷增加。這是由于進(jìn)口風(fēng)速增加導(dǎo)致進(jìn)出口間壓差增大，功耗隨之增大。如前所述，最高溫度和最大溫差降低幅度隨著加熱功率減小和進(jìn)口風(fēng)速增大而降低，而功耗增幅隨進(jìn)口風(fēng)速增大而升高。在加熱功率為25 W情況下，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速?gòu)? m/s增加至5 m/s時(shí)，最高溫度和最大溫差分別降低了3.6%和3.5%；在加熱功率為5 W情況下，該值為0.9%和0.3%，而功耗增加了165.2%。所以在選取進(jìn)口風(fēng)速時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況，權(quán)衡散熱性能和功耗之間的關(guān)系。

圖7 不同進(jìn)口風(fēng)速下功耗大小

4.3 單體間距對(duì)散熱的影響

除了進(jìn)口風(fēng)速之外，單體間距也會(huì)影響機(jī)柜散熱性能。本文考慮了5 mm、10 mm、20 mm和30 mm四種單體間距來(lái)研究其對(duì)機(jī)柜散熱性能的影響規(guī)律。進(jìn)口風(fēng)速選取為3 m/s。

圖8顯示了最高溫度和最大溫差隨單體間距變化的曲線。由圖8可以看出，在不同加熱功率下，最高溫度和最大溫差均隨著單體間距增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且均在間距為20 mm處取得極小值。在熱功率為25 W情況下，單體間距為20 mm時(shí)，最高溫度和最大溫差分別為35.1 ℃和0.5 ℃，相比于單體間距為5 mm時(shí)分別降低了2.0 ℃和1.8 ℃。此外，隨著加熱功率減小，最高溫度和最大溫差變化趨勢(shì)變緩。在加熱功率為5 W情況下，單體間距為20 mm時(shí)的最高溫度和最大溫差僅比單體間距為5 mm時(shí)降低了0.2 ℃和0.4 ℃。

圖8 單體間距對(duì)機(jī)柜散熱影響

加熱功率為25 W，單體間距為5 mm、20 mm和30 mm時(shí)的溫度云圖如圖9所示。從圖9可以看出，單體間距為5 mm時(shí)靠近柜壁的鋁塊冷卻效果較好，中間鋁塊冷卻效果較差，最高溫度出現(xiàn)在#3號(hào)鋁塊頂部。而單體間距為30 mm時(shí)和單體間距為5 mm時(shí)相反，中間鋁塊冷卻效果優(yōu)于靠近柜壁兩側(cè)鋁塊。

圖9 不同間距溫度云圖

單體間距為5 mm、20 mm和30 mm時(shí)，其X-Y中間截面速度分布如圖10所示。單體間距直接決定了兩個(gè)鋁塊所夾成的冷卻通道的面積，當(dāng)間距較小時(shí)，大部分冷空氣向兩側(cè)流入，而流入冷卻通道較少，從而造成中間鋁塊冷卻效果較差的情況。增大間距，冷卻通道流動(dòng)阻力減小，流入冷卻通道空氣變多，中間鋁塊冷卻效果變好。而繼續(xù)增加間距，大部分冷空氣流入冷卻通道，從而使兩側(cè)鋁塊冷卻效果變差，出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，導(dǎo)致最高溫度反而上升；而中間鋁塊散熱效果更好，表面溫度更低，導(dǎo)致最大溫差隨之增大。

圖10 不同單體間距X-Y中間截面速度云圖

4.4 組間距對(duì)散熱的影響

相比于電池組風(fēng)冷散熱，電池柜存在電池組垂直間距這一因素可能會(huì)影響散熱效果。本文考慮了50 mm、100 mm、150 mm和200 mm四種鋁塊垂直間距來(lái)研究其對(duì)散熱性能影響。

最高溫度和最大溫差隨組間距變化的曲線如圖11所示。由圖11可以看出，在不同加熱功率下，最高溫度和最大溫差均隨著組間距增大略有下降，但下降幅度有限。以加熱功率為15 W為例，組間距為200 mm時(shí)的最高溫度和最大溫差僅比組間距為50 mm時(shí)降低了0.7 ℃和0.2 ℃。

圖11 組間距對(duì)機(jī)柜散熱影響

加熱功率為25 W，組間距分別為50 mm和200 mm時(shí)，其X-Y中間截面速度分布如圖12所示。由圖12可以看出，在不同組間距情況下，其速度分布相似。流過(guò)鋁塊表面的空氣流速大體相等，帶走其表面熱量相同，所以二者散熱性能相差不大。組間距對(duì)機(jī)柜散熱影響相對(duì)較小，增大組間距會(huì)直接增大機(jī)柜占地空間，在滿足實(shí)際安裝情況下，建議適當(dāng)減小組間距來(lái)節(jié)省空間。

圖12 不同組間距X-Y中間截面速度云圖

5 結(jié)論

本文針對(duì)電池儲(chǔ)能柜開(kāi)展研究，構(gòu)建了數(shù)值仿真模型并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，研究了自然對(duì)流及強(qiáng)制風(fēng)冷下機(jī)柜的散熱性能，主要結(jié)論如下。

(1) 當(dāng)電池柜中電池組以1C倍率以下運(yùn)行時(shí)可以考慮自然對(duì)流冷卻方式，當(dāng)電池組以1C或以上高倍率運(yùn)行時(shí)自然對(duì)流冷卻無(wú)法滿足散熱效果，需要強(qiáng)制風(fēng)冷。

(2) 針對(duì)最高溫度，進(jìn)口風(fēng)速對(duì)其影響最大，單體間距和組間距對(duì)其影響較小。隨著進(jìn)口風(fēng)速增大，機(jī)柜最高溫度不斷減小，但幅度變緩；而功耗快速增大。在加熱功率為25 W情況下，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速?gòu)? m/s增加至5 m/s時(shí)，最高溫度降低了3.6%，而功耗增加了165.2%。在選取進(jìn)口風(fēng)速時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況，權(quán)衡散熱性能和功耗之間的關(guān)系。

(3) 針對(duì)最大溫差，進(jìn)口風(fēng)速和單體間距對(duì)其影響均較大，組間距對(duì)其影響較小。因此，在滿足實(shí)際安裝情況下可適當(dāng)減小電池組間距來(lái)節(jié)省空間。

(4) 本文采用鋁塊代替鋰離子電池研究電池柜散熱性能。但由于鋰離子電池導(dǎo)熱系數(shù)各向異性，現(xiàn)有結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)略有不同。