儲(chǔ)能電池模組的風(fēng)冷散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

祝德春，王新春

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

隨著水能、風(fēng)能和太陽能等清潔能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，為解決上述清潔能源電力利用不平衡和不充分的問題，我國逐步發(fā)展了抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能等一系列有效的儲(chǔ)能技術(shù)，通過在用電谷值時(shí)段將電網(wǎng)側(cè)或用戶側(cè)的電能以一定的方式存儲(chǔ)起來，在用電高峰時(shí)段通過一定的方式將電能輸送給終端用戶，實(shí)現(xiàn)了削峰填谷的作用。

電化學(xué)儲(chǔ)能作為一種相對(duì)新穎的儲(chǔ)能技術(shù)，在規(guī)?；瘧?yīng)用方面還有一些技術(shù)亟待解決，儲(chǔ)能電池的熱失控機(jī)理分析[1]及熱失控管理[2]就是其中較為關(guān)鍵的技術(shù)，孫宜聽等[3]的研究表明了電池單體間距對(duì)電池過充時(shí)周圍電池單體溫升有較為顯著的影響。熱失控管理技術(shù)涵蓋電池的散熱技術(shù)和消防技術(shù)等方面，散熱技術(shù)則主要包括風(fēng)冷散熱[4-5]、相變與液冷散熱[6-7]、熱管換熱[8]等幾種方式，消防技術(shù)包括氣溶膠[9]、細(xì)水霧降溫[10-11]等方式，作為被動(dòng)防御的熱失控管理技術(shù)，上述方法在電池?zé)峁芾碇芯〉昧溯^好的效果。其中，風(fēng)冷散熱的方式因能夠通過持續(xù)控制電池溫度以達(dá)到減少熱失控發(fā)生而得以廣泛應(yīng)用，但在開展電池模組風(fēng)冷散熱時(shí)應(yīng)關(guān)注電池模組結(jié)構(gòu)布局對(duì)散熱效率的影響。在電池模組進(jìn)/出風(fēng)角度、電池裝配位置公差對(duì)散熱效果的影響方面已有研究[12]，但在如何確定風(fēng)冷散熱電池模組的電池排布間距方面尚未見公開報(bào)道。

本文基于流體傳熱學(xué)原理建立電池單體表面對(duì)流換熱能力的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算在電池單體間距設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)電池表面的換熱能力；為驗(yàn)證理論模型的正確性，建立電池模組中電池單體間距優(yōu)化的仿真模型，計(jì)算并驗(yàn)證電池單體不同間距時(shí)電池的溫升變化規(guī)律；更進(jìn)一步，提出一種評(píng)價(jià)電池單體散熱影響度的方法，尋找更優(yōu)的電池單體間距設(shè)計(jì)參數(shù)。在此技術(shù)上，開展某型105 Ah/7.8 kWh 磷酸鐵鋰電池模組的散熱性能仿真分析，驗(yàn)證本文提出的儲(chǔ)能電池模組電池單體間距優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì)方法的可行性。

1 電池單體對(duì)流散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

電池單體的散熱方式主要包括液冷、風(fēng)冷和相變換熱等，液冷和相變散熱適用于密閉環(huán)境電池模組的高效散熱，特點(diǎn)是成本高、體積大、質(zhì)量重，而風(fēng)冷散熱作為一種低成本的散熱方式，在電池模組散熱中依然具有較高的效率，本文首先研究基于風(fēng)冷散熱型電池模組的電池單體分布間距對(duì)散熱效率的影響。

1.1 電池單體放電過程的熱效應(yīng)

磷酸鐵鋰電池放電過程的生熱模型方程如下[13]：

式中：Q為電池單體的發(fā)熱功率，W；I為電池單體的電流強(qiáng)度，A；E為電池單體的端電壓，V；Eo為電池單體的開路電壓，V；T為電池的熱力學(xué)溫度，K。

本文研究過程中，采用加速熱量儀(ARC)測(cè)量電池單體的發(fā)熱功率，根據(jù)不同電流強(qiáng)度條件下測(cè)量的數(shù)據(jù)可以獲得的數(shù)值[14]。通過測(cè)試獲得上述各個(gè)參數(shù)，即可根據(jù)公式(1)計(jì)算出電池單體的發(fā)熱功率。某磷酸鐵鋰電池單體材料平均密度為1 903.60 kg/m3，比熱為1 082.00 J/(kg·K)，長度和寬度方向熱導(dǎo)率為10.78 W/(m·K)，厚度方向熱導(dǎo)率為1.50 W/(m·K)，經(jīng)測(cè)試獲得1C放電時(shí)發(fā)熱功率為14.098 W。電池單體的熱導(dǎo)率取決于電池單體的材料和電極材料排布方式[15]。本文基于上述技術(shù)參數(shù)開展后續(xù)的電池單體對(duì)流散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 電池單體對(duì)流散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

電池單體對(duì)流散熱性能與流經(jīng)電池單體表面的流體溫度、流速有關(guān)，當(dāng)溫度恒定時(shí)，較高的流速有利于電池單體的散熱。實(shí)際上，當(dāng)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量一定時(shí)，流體所通過的流道截面積越小，流速越高，即電池單體間距越小，流經(jīng)電池單體的流速越高，但此時(shí)會(huì)帶來絕緣安全的問題。此外，電池單體間存在熱輻射互擾作用，隨著電池單體間距的變化，電池單體間的流體冷卻介質(zhì)溫升會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)電池單體間流體冷卻介質(zhì)溫升較高時(shí)，說明冷卻介質(zhì)帶走的熱量較多。

1.2.1 電池單體排布散熱優(yōu)化模型

研究過程中，選取兩塊電池單體進(jìn)行分析，按照設(shè)計(jì)溫升10.00 K、設(shè)計(jì)最大風(fēng)量35.00 m3/h開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。假定電池單體厚度為w、電池單體間距以及電池單體與電池模組外殼的間距均為d，建立電池單體排布的散熱優(yōu)化模型如圖1所示。

圖1 電池單體間距優(yōu)化的等效模組布局圖

相鄰兩電池單體間形成一個(gè)封閉的矩形流體通道，電池單體的高度用H(本文研究的電池單體高度尺寸為H=0.20 m)表示，相鄰兩電池單體間距用d表示，則該矩形流體通道的特征長度數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

雷諾數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：ρ 為流體的密度，35 ℃時(shí)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下空氣密度約為1.146 5 kg/m3；v為流體的流速，m/s；μ 為流體的動(dòng)力粘性系數(shù)，35 ℃時(shí)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下空氣的動(dòng)力粘性系數(shù)約為1.883 4×10－5Pa·s。

假設(shè)相鄰兩電池單體間冷卻風(fēng)量為q，則該矩形管道的雷諾數(shù)計(jì)算公式可寫成如下形式：

本文研究過程中，電池單體間距d的設(shè)計(jì)區(qū)間為1.00～30.00 mm，按照環(huán)境溫度35 ℃、相鄰兩電池單體間冷卻風(fēng)量q為35 m3/h 進(jìn)行設(shè)計(jì)，則在電池單體設(shè)計(jì)區(qū)間范圍內(nèi)，雷諾數(shù)隨電池單體間距變化的曲線如圖2 所示。可見，在電池單體間距設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，雷諾數(shù)位于2 200～10 000，流動(dòng)形式為層流到紊流的過渡流動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)，管內(nèi)換熱準(zhǔn)則關(guān)系(即努賽爾數(shù))用下式表示：

圖2 雷諾數(shù)隨電池單體間距的變化曲線

式中：Pr為無量綱的普朗特?cái)?shù)，Pr=μCp/k；Cp為空氣的等壓比熱容，一般取值為1.3×103J/(kg·℃)；k為空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)，一般取值為0.023 W/m；Tf為流體的定性溫度，一般用流體的平均溫度表示，Tw為管道壁的溫度，本文設(shè)計(jì)Tf/Tw=0.80；L為管道的長度，本文研究的電池模組的相鄰兩電池單體構(gòu)成的矩形流體管道長度為0.54 m。

在電池單體間距d的設(shè)計(jì)區(qū)間范圍內(nèi)，按照上述各項(xiàng)條件，計(jì)算努賽爾數(shù)隨電池單體間距變化的數(shù)值并繪制曲線，如圖3 所示。

圖3 努賽爾數(shù)隨電池單體間距的變化曲線

從圖3 可以看出，電池單體間距在1.0～20.0 mm 之間呈逐漸上升趨勢(shì)，在20.0～30.0 mm 范圍內(nèi)呈逐漸下降趨勢(shì)。實(shí)際上，在設(shè)計(jì)電池單體排布間距時(shí)，首先需要滿足電池單體之間和電池與金屬外殼之間的絕緣安全問題，然后需考慮電池單體間距對(duì)對(duì)流散熱的熱阻和散熱效率的影響，同時(shí)還需要滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝與加工工藝的要求。因此，本文在研究過程中電池單體間最小間距按7.00 mm 設(shè)計(jì)，最大間距按照12.00 mm 設(shè)計(jì)，即電池單體之間的間距優(yōu)化區(qū)間為7.00～12.00 mm。

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)，在風(fēng)量35.00 m3/h 情況下，計(jì)算了7.00～12.00 mm 范圍內(nèi)的電池單體內(nèi)部溫升、電池單體間流體出口溫升及電池單體間平均風(fēng)速，不同間距時(shí)電池單體溫升、流體溫升和平均風(fēng)速如表1 所示。

表1 不同電池單體間距對(duì)應(yīng)電池溫升、流體溫升及風(fēng)速

1.2.2 考慮電池單體排布間距的風(fēng)阻效應(yīng)

通過對(duì)表1 進(jìn)行分析，隨著電池單體間距的變化，電池單體內(nèi)部溫升、電池單體間流體出口溫升和電池單體間平均風(fēng)速均發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)表1 繪制的溫升及風(fēng)速變化曲線如圖4 所示。

圖4 電池單體間距優(yōu)化的溫升及風(fēng)速變化曲線圖

從圖4 可以看出，當(dāng)電池單體間距從7.00 mm 開始以1.00 mm 為增量增加到12.00 mm 的過程中，電池單體內(nèi)部溫升呈逐漸上升趨勢(shì)，電池單體間流體出口溫升和電池單體間平均風(fēng)速均呈逐漸下降的趨勢(shì)?？梢?，當(dāng)電池單體間距為7.00 mm 時(shí)電池單體散熱效果優(yōu)于其他間距時(shí)的情況。

1.2.3 邊界條件對(duì)電池單體散熱的影響度評(píng)價(jià)

為了更直觀地描述電池單體間距不同時(shí)電池的散熱性能，本文引入影響度的概念，其含義為邊界溫度和流速等條件對(duì)電池單體散熱的影響大小的評(píng)價(jià)系數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式定義如下：

式中：ηΔT為電池單體溫升隨電池單體間空氣平均溫升變化的影響度；ΔTB為電池單體溫升；ΔTAir為電池單體間空氣的平均溫升；ηΔv為電池單體溫升隨電池單體間空氣流速變化的影響度；v為電池單體間空氣平均流速。

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，按照公式(6)和公式(7)的計(jì)算方法繪制出ηΔT和ηΔv的曲線，分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 電池單體溫升隨電池單體間空氣平均溫升變化的影響度曲線

圖6 電池單體溫升隨電池單體間空氣流速變化的影響度曲線

從圖5 和圖6 可以看出，在7.00～12.00 mm 范圍內(nèi)，電池單體溫升隨電池單體間空氣平均溫升變化的影響度、電池單體溫升隨電池單體間空氣流速變化的影響度均近似呈線性增長的趨勢(shì)。

從以上分析可以看出，隨著電池單體間距在7.00～12.00 mm 范圍內(nèi)變化，電池的溫升呈逐漸上升的趨勢(shì)性變化，且電池單體間距為7.00 mm 時(shí)電池溫升最小，為本文研究的電池模組的電池單體間距中最優(yōu)的數(shù)值。

2 電池模組的氣流組織設(shè)計(jì)

電池模組的氣流組織設(shè)計(jì)是基于冷卻風(fēng)機(jī)定量送風(fēng)作為前提條件，通過優(yōu)化冷卻風(fēng)機(jī)的位置，使得儲(chǔ)能電池模組內(nèi)部各個(gè)電池單體之間能夠獲得較為均勻和近似等值的冷卻風(fēng)量與風(fēng)速，最終使得電池模組內(nèi)部各個(gè)電池單體之間的溫升差值最小化。

某型電池單體1C放電條件下容量為105 Ah、標(biāo)稱電壓為3.1 V。本文研究的電池模組擬采用2 并12 串的方式排列，組成總?cè)萘考s為7.812 kWh 的電池模組，電池排布方式如圖7所示。

圖7 某型電池模組的電池單體排布示意圖

該儲(chǔ)能電池模組共有電池單體24 只，假設(shè)電池放電過程中熱功耗趨于穩(wěn)定，則當(dāng)電池模組以1C放電時(shí)，儲(chǔ)能模組電池單體的總熱耗為338.35 W。設(shè)計(jì)時(shí)要求電池單體內(nèi)部溫升不超過10 K，則電池模組所需的散熱風(fēng)量按下式計(jì)算：

因此，電池模組所需風(fēng)量為：

電池模組采用后端流入、前端流出的冷卻氣流組織方式，冷卻風(fēng)機(jī)選用2 臺(tái)最大風(fēng)量237.00 m3/h、最大工作壓力160 Pa 的直流24 V 軸流風(fēng)機(jī)。電池單體與電池模組金屬外殼的頂蓋和底板之間采用聚苯硫醚絕緣材料支撐，位于電池模組外殼前端的冷卻氣流出風(fēng)口面積為0.05 m2，通孔率為75.00%。

3 電池模組的散熱性能分析

3.1 電池模組的熱仿真建模

根據(jù)上述電池單體對(duì)流散熱優(yōu)化和電池模組氣流組織設(shè)計(jì)結(jié)果，建立電池模組的仿真模型。電池模組的熱仿真在35 ℃環(huán)境溫度和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境下進(jìn)行。對(duì)熱仿真模型作如下假設(shè)[16-18]：(1)冷卻空氣不可壓縮，且滿足Boussinesq 方程假設(shè)，認(rèn)為流體密度的變化僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響；(2)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流；(3)忽略由流體粘性力做功所引起的耗散熱。

3.2 電池模組的流場(chǎng)分析

在電池模組中分別選取DC11～DC18、DC21～DC28 和DC31～DC38 號(hào)電池單體之間以及DC11、DC18、DC21、DC28、DC31、DC38 與電池模組外殼之間的冷卻空氣流速進(jìn)行分析，流速測(cè)點(diǎn)的Y軸和Z軸坐標(biāo)分別與DC11、DC21、DC31 的Y軸和Z軸方向中部的坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，流速測(cè)點(diǎn)的X軸坐標(biāo)點(diǎn)分別與兩電池單體間或電池單體與電池模組外殼間X方向水平間距的中點(diǎn)位置坐標(biāo)對(duì)應(yīng)，仿真測(cè)試的流速如圖8 所示。

圖8 冷卻空氣流速分布

DC11～DC18、DC21～DC28 和DC31～DC38 號(hào)電池單體之間以及DC11、DC18、DC21、DC28、DC31、DC38 與電池模組外殼之間的冷卻空氣流速變化曲線如圖9 所示。圖9 中，橫坐標(biāo)V01 和V80 分別代表任意一排電池單體中第一個(gè)電池單體和第八個(gè)電池單體與電池模組外殼之間的風(fēng)速?？梢钥闯?，除位于4、5 號(hào)電池單體之間的風(fēng)速相對(duì)較高之外，其余部位的風(fēng)速較為接近，風(fēng)量分配較為均勻。

圖9 DC1～DC3排電池單體間流速變化曲線

3.3 電池模組的溫度場(chǎng)分析

電池模組中電池單體的溫度場(chǎng)分布如圖10 所示。

圖10 電池單體溫度場(chǎng)分布

第一、第二和第三排電池單體內(nèi)部的溫差分布曲線如圖11 所示。

圖11 DC11～DC38號(hào)電池單體內(nèi)部溫度變化曲線

從圖10 可以看出，靠近冷卻氣流流入端的電池單體表面溫度低于靠近冷卻氣流流出端的電池單體表面溫度。從圖11 可以看出，正對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子部位的電池單體表面溫度低于正對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)定子部位的電池單體表面溫度，同時(shí)可以看出沿著電池模組Z方向的同一列電池單體(如DC11、DC21 和DC31)之間的溫差約為5 ℃，沿著電池模組X方向的同一排電池單體相鄰兩電池單體之間的溫差小于2.5 ℃，所有電池單體之間最大溫差約為7.5 ℃，電池模組內(nèi)部電池單體溫度的一致性較好，說明電池模組的氣流組織設(shè)計(jì)使得流經(jīng)電池單體表面的冷卻風(fēng)量分配較為均勻。

4 結(jié)論

本文基于流體傳熱學(xué)的基本原理建立了電池模組中相鄰兩電池單體所構(gòu)成的封閉流體通道的對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)系，獲得了電池單體排布間距設(shè)計(jì)區(qū)間范圍內(nèi)的換熱能力變化趨勢(shì)；提出的邊界條件對(duì)電池單體散熱的影響度評(píng)價(jià)方法，能夠?qū)Σ捎梅叫瘟姿徼F鋰電池搭建優(yōu)化模型仿真計(jì)算的電池單體溫升、冷卻空氣溫升及平均流速等信息對(duì)電池散熱的影響度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并獲得了較佳的電池單體間距值。在此基礎(chǔ)上，搭建了電池模組的氣流組織模型并進(jìn)行了風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法開展了電池模組的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析計(jì)算，驗(yàn)證了電池模組的散熱性能，電池單體溫升和電池單體間溫差均與設(shè)計(jì)相符。本文提出的研究方法對(duì)指導(dǎo)電化學(xué)儲(chǔ)能電池模組的工程化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。