儲能集裝箱雙向風(fēng)冷散熱系統(tǒng)研究

畢海瑞，顧萬選，樊俊杰，郭韻

（1.201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2.200093 上海市 上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院）

0 引言

隨著化石能源的逐漸枯竭，環(huán)境保護(hù)方面的需求日益迫切，新能源被社會各界廣泛關(guān)注并得到迅速發(fā)展。越來越多的分布式發(fā)電站開始興建，同時基于分布式電站建立的大量微電網(wǎng)系統(tǒng)也陸續(xù)開始建設(shè)并投入使用。分布式能源發(fā)電站發(fā)電波動性大、電能質(zhì)量不穩(wěn)定，受天氣環(huán)境因素影響大。此外，由于受地理位置因素的影響，其并網(wǎng)困難，對輸電線路要求高，投入與回報不成正比。隨著大量分布式電站的搭建，解決棄光棄風(fēng)問題的難度不斷增加。據(jù)統(tǒng)計，2019 年我國棄風(fēng)棄光率分別達(dá)到4.2%和1.9%，但是西北等偏遠(yuǎn)地區(qū)棄風(fēng)率普遍達(dá)到10%以上。目前，我國棄光棄風(fēng)現(xiàn)象得到一定程度的改善，但隨著分布式能源行業(yè)的發(fā)展，依舊需要得到廣泛重視。對于微電網(wǎng)系統(tǒng)來說，由于其大多依建于分布式電站，故系統(tǒng)內(nèi)電源發(fā)電質(zhì)量較差，同時系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載變化大、并網(wǎng)退網(wǎng)難度高，尤其是孤島運(yùn)行模式下的微電網(wǎng)，供電壓力大，難以滿足系統(tǒng)用戶側(cè)需求。

儲能技術(shù)的應(yīng)用能夠有效解決分布式能源及微電網(wǎng)的各項問題，起到“削峰填谷”、改善電能質(zhì)量、降低微網(wǎng)并網(wǎng)難度、保障微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行等作用[1-2]。儲能集裝箱相對于傳統(tǒng)基建型儲能集裝箱而言，具有可移動、造價低、適應(yīng)性強(qiáng)、回報周期短、安全性高等優(yōu)勢[3]，常被應(yīng)用于分布式能源電站與微電網(wǎng)系統(tǒng)。但由于儲能集裝箱常暴露于戶外，受環(huán)境因素的影響大，因此解決其系統(tǒng)整體尤其是電池部分的管理問題顯得尤為重要。

本文以儲能集裝箱為對象，對其散熱系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，重點(diǎn)在于其電池倉部分的設(shè)計，并通過模擬仿真驗(yàn)證設(shè)計的合理性。同時，針對其防風(fēng)防沙問題進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)解決方案。

1 儲能集裝箱設(shè)計需求概述

1.1 安全性需求

目前，我國的儲能集裝箱系統(tǒng)所采用的電池主要以鋰離子電池為主，如磷酸鐵鋰電池等。磷酸鐵鋰電池相對于其他各種類型的電池主要有循環(huán)壽命長、安全性高、容量較大等優(yōu)勢[4]。儲能集裝箱的安全性需求主要集中在電池系統(tǒng)的安全上，而鋰電池的失效及不穩(wěn)定運(yùn)行大多為熱失控導(dǎo)致，主要可分為以下幾種：

（1）鋰電池的容量衰減。鋰電池失效的最常見形式，容量衰減的原因是綜合性的，而其中最主要的是溫度。無論是過高的溫度還是過低的溫度都會破壞電極材料，導(dǎo)致金屬離子溶出，降低活性鋰離子含量[5]。

（2）鋰電子自身熱反應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)所提供的散熱速率低于鋰離子電池?zé)嵘伤俾蕰r，電池內(nèi)將會產(chǎn)生熱積累，導(dǎo)致鋰電池溫度升高，由于高溫引發(fā)電池內(nèi)活性物質(zhì)的分解，活性物質(zhì)與電解液的反應(yīng)加劇，產(chǎn)生急劇升溫現(xiàn)象，引發(fā)電池爆炸等危險。

（3）鋰離子電池組溫度一致性。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)各部分散熱速率不一致時，電池組的各電池單元溫度也將會出現(xiàn)不一致性的情況。當(dāng)電池組中各電池模塊溫差過大時，將會影響電池充放電效率，擾亂電池能量發(fā)揮，破壞電池性能一致性，增加電池SOC 估計難度，最終降低電池循環(huán)壽命。

儲能集裝箱的安全性需求主要是解決上述鋰電池?zé)崾Э貑栴}，因此設(shè)計合理有效的散熱系統(tǒng)，可以降低鋰離子電池的熱失控風(fēng)險。

1.2 適應(yīng)性需求

儲能集裝箱作為一種可移動、高集成式的儲能裝置，常被應(yīng)用于各種儲能場景，尤其是在分布式能源及微電網(wǎng)系統(tǒng)中，因此儲能集裝箱系統(tǒng)在設(shè)計時，往往要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境提出一系列的適應(yīng)性需求，其中包括防風(fēng)防沙需求、抗震需求及模塊化需求等。

防風(fēng)防沙需求是所有儲能集裝箱在設(shè)計時都需要考慮的。在儲能集裝箱的使用過程中，無論是位于地理環(huán)境復(fù)雜的西北區(qū)域還是沿海地區(qū)，儲能集裝箱系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)基本都是處于運(yùn)行狀態(tài)的，而進(jìn)風(fēng)口長期處于進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，空氣中的雜物灰塵自然也可能侵入散熱系統(tǒng)，所以對系統(tǒng)尤其是進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行防風(fēng)沙設(shè)計是提升散熱系統(tǒng)使用效率、改善其運(yùn)行穩(wěn)定性的必要措施。

2 儲能集裝箱系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

儲能集裝箱總體構(gòu)架主要包括鋰電池部分、熱管理部分、電池管理部分（BMS）、能量功率轉(zhuǎn)換部分（PCS）以及監(jiān)測系統(tǒng)部分等，如圖1所示。其中，鋰電池部分負(fù)責(zé)能量的儲存與釋放；熱管理部分負(fù)責(zé)儲能集裝箱中尤其是電池倉部分的散熱作用；BMS 系統(tǒng)核心技術(shù)包括：電芯監(jiān)控技術(shù)、SOC（荷電狀態(tài)）技術(shù)、均衡技術(shù)、SOH（健康狀態(tài)）技術(shù)以及熱管理技術(shù)，主要用于對電池所處狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，估算并統(tǒng)計顯示電池各項數(shù)據(jù)，從而對電池狀態(tài)進(jìn)行評估，維持電池系統(tǒng)各項參數(shù)的平衡；PCS 系統(tǒng)以變流器和濾波器為系統(tǒng)主要核心部分，用于調(diào)整系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量以及動態(tài)特性，能夠提高電池使用壽命，降低風(fēng)光儲微電網(wǎng)并網(wǎng)、離網(wǎng)難度。

圖1 儲能集裝箱系統(tǒng)構(gòu)架簡圖Fig.1 Schematic diagram of energy storage container system

2.2 儲能集裝箱熱管理設(shè)計

本文所完成的儲能集裝設(shè)計，其重點(diǎn)在于系統(tǒng)的熱管理設(shè)計，并獲得自主知識產(chǎn)權(quán)。選用國際標(biāo)準(zhǔn)的40 英尺儲能集裝箱，具體尺寸為12 192 mm×2 438 mm×2 591 mm（長×寬×高）。在考慮到安全性以及其他各方面需求的基礎(chǔ)上，選用磷酸鐵鋰電池LP44147272 為研究鋰電池種類。

2.2.1 電池間熱管理設(shè)計

本文采用傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱作為熱管理散熱方式，選用空調(diào)制冷作為電池間散熱方式。儲能集裝箱系統(tǒng)設(shè)計如圖2 所示?？照{(diào)出風(fēng)口與導(dǎo)風(fēng)管連接，導(dǎo)風(fēng)管與圖中的風(fēng)墻、箱體部分構(gòu)成一個獨(dú)立的隔間，當(dāng)電池間需要進(jìn)行散熱時，空調(diào)出風(fēng)口吹出的冷風(fēng)通過導(dǎo)風(fēng)管流入隔間中。在風(fēng)墻上開有均勻分布的開口，隔間中的空調(diào)冷氣通過風(fēng)墻開口可以均勻流入電池間，從而對鋰電池組進(jìn)行散熱降溫。同時，由于所形成的流體部分呈雙向相對流動，因此可以做到對電池間兩側(cè)電池系統(tǒng)進(jìn)行均勻散熱。設(shè)計中加入的導(dǎo)風(fēng)管以及風(fēng)墻上均勻分布的開口，確保了空氣流入電池間時具有充分的流速及均勻性，同時確保了電池組間溫度的一致性，提高散熱效率。此外，儲能集裝箱箱體的6 個面均采用中間夾巖棉的雙層彩鋼板布置，其目的在于降低箱體外壞境對儲能集裝箱熱管理系統(tǒng)的影響，保證散熱過程的有效性。

圖2 儲能集裝箱系統(tǒng)熱管理設(shè)計Fig.2 Thermal management design of energy storage container system

2.2.2 PCS 間熱管理設(shè)計

基于儲能集裝箱電池間內(nèi)鋰電池運(yùn)行時系統(tǒng)散熱效率以及散熱均勻性的高要求，故對其熱管理設(shè)計時采用強(qiáng)制風(fēng)冷等方式進(jìn)行散熱，而PCS間內(nèi)PCS、配電箱、變壓器等設(shè)備，其運(yùn)行溫度范圍較廣（-30～65 ℃），因此設(shè)計時可將其與電池間隔開，通過自然對流換熱即可。箱體采用的巖棉夾層可避免由于太陽直射所引起的高溫現(xiàn)象，同時在高處設(shè)置排風(fēng)口進(jìn)一步增強(qiáng)通風(fēng)散熱效果。

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2.3 防風(fēng)沙設(shè)計

由于儲能集裝箱系統(tǒng)在運(yùn)行時一般處于相對密封狀態(tài)，所以除空調(diào)進(jìn)風(fēng)口以外的地方無需進(jìn)行防風(fēng)沙設(shè)計。儲能集裝箱空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的防風(fēng)沙設(shè)計采用三級過濾網(wǎng)過濾方式，如圖3 所示。三層濾網(wǎng)的透風(fēng)性依次減弱，空氣經(jīng)過防塵濾網(wǎng)時過濾掉大體積顆粒，通過風(fēng)口進(jìn)入一級風(fēng)道，由于一級濾網(wǎng)的透風(fēng)性減弱，形成橫向氣壓，二次過濾的灰塵通過風(fēng)管進(jìn)入收塵室中，避免了灰塵的積壓，同時保證風(fēng)道的清潔性，經(jīng)過二次過濾的空氣進(jìn)入二級通道，灰塵通過風(fēng)管進(jìn)入收塵室，空氣經(jīng)過三次過濾以供使用。

圖3 進(jìn)風(fēng)口三級過濾結(jié)構(gòu)Fig.3 Three-stage filter structure at air inlet

3 數(shù)學(xué)建模

磷酸鐵鋰電池的工作溫度范圍一般為0～60 ℃，而最佳工作溫度范圍為20～50 ℃，一旦超過該溫度范圍便會對電池造成一定的不可逆損傷，影響其工作效率及使用壽命。電池組的各單體電池模塊及模塊各部分間的溫差一般不可超過5 ℃[6-8]，以避免由于電池一致性不足而造成不必要的損失。本文采用商業(yè)ANSYS Fluent 軟件對儲能集裝箱電池間的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，通過對其溫度場及流場的分析來驗(yàn)證設(shè)計的合理性。

3.1 發(fā)熱量及制冷量計算

本文所選用的磷酸鐵鋰電池LP44147272 單體模塊，在1C 工況下連續(xù)充放電一個循環(huán)的發(fā)熱功率約為0.15 kW，平均每小時總發(fā)熱量Q1計算如式（1）：

儲能集裝箱內(nèi)電池產(chǎn)生的熱量分為2 部分，一部分發(fā)熱量導(dǎo)致電池自身溫升，另一部分發(fā)熱量會通過散熱系統(tǒng)傳至系統(tǒng)外部，電池每上升ΔT所需熱量Q2可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)及計算式（2）得出：

式中：Q2——電池溫升所需熱量；c——材料比熱容；m——電池模塊質(zhì)量；ΔT——溫度變化量。

空調(diào)在不控制電池溫升的情況下所需制冷功率為空調(diào)最小制冷功率，其計算如式（3）所示。

式中：q——空調(diào)最小制冷功率；n——電池模塊數(shù)。

3.2 模型搭建

利用ANSYS 軟件中的Design Modeler 進(jìn)行模型搭建，如圖4 所示。依照原始模型，根據(jù)需求及仿真難度適量簡化模型。基于模型分別進(jìn)行未添加空調(diào)的單側(cè)自然通風(fēng)下電池間數(shù)值模擬，以及設(shè)置兩側(cè)為進(jìn)風(fēng)口并增加空調(diào)制冷情況下的電池間數(shù)值模擬。

圖4 電池間ANSYS 模型Fig.4 ANSYS model of battery room

電池間雙向風(fēng)冷散熱系統(tǒng)模擬設(shè)定初始條件如表1 所示。

表1 主要參數(shù)表Tab.1 Main parameters

3.3 仿真結(jié)果分析

通過求解收斂，得到單側(cè)自然通風(fēng)仿真結(jié)果如圖5、圖6 所示。

根據(jù)圖5 可知，在電池間采用單側(cè)自然通風(fēng)進(jìn)行系統(tǒng)散熱的情況下，電池組的最高溫度可達(dá)170 ℃，其最低溫度也超過150 ℃，電池組的工作溫度遠(yuǎn)高于設(shè)計要求的電池最佳工作范圍20～50 ℃，電池組整體溫度一致性極差，電池組各部分最高溫差接近20 ℃。結(jié)合圖6 的電池間速度矢量圖可知，自然通風(fēng)情況下的空氣流速無法滿足電池間的散熱需求，并且流體流速從入風(fēng)口處開始遞減，無法保證電池組整體的溫度一致性，因此對于電池間散熱系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足2個條件：首先是要保證散熱系統(tǒng)能夠提供足夠的制冷量來抑制電池的溫升；其次要保證電池組整體溫度的一致性，確保各單體電池單元老化程度、工作效率等保持基本一致。

圖5 單側(cè)自然通風(fēng)下電池間溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution of battery compartment under unilateral natural ventilation

圖6 單側(cè)自然通風(fēng)下電池間速度矢量圖Fig.6 Velocity vector diagram of battery compartment under unilateral natural ventilation

在設(shè)定3.2 章節(jié)相應(yīng)的初始條件后，電池間雙向風(fēng)冷散熱系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7、圖8 所示。

圖7 為采用雙向風(fēng)冷散熱系統(tǒng)時電池間溫度分布圖。仿真結(jié)果表明，電池部分最高溫度不超過40 ℃，約為37 ℃，同時電池組各部分最大溫差不超過3 ℃。電池間流場速度矢量圖如圖8 所示。流體速度在接近出風(fēng)口處高于系統(tǒng)其他各處，同時由于雙向流動，系統(tǒng)兩側(cè)流場分布均勻。

圖8 雙向風(fēng)冷散熱系統(tǒng)電池間速度矢量圖Fig.8 Velocity vector diagram of two-way air cooling system between batteries

對比二次仿真結(jié)果可知，使用空調(diào)制冷方式對電池間進(jìn)行散熱，能夠保證散熱系統(tǒng)為電池間提供充足的制冷量，在降低電池溫度方面是高效可靠的。同時采用雙向風(fēng)冷系統(tǒng)，能夠保證電池組各部分散熱的均勻性，有效提高電池組溫度一致性，保障電池使用壽命及儲能集裝箱系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

儲能集裝箱系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)基建型儲能系統(tǒng)而言，具有成本低、適應(yīng)性高、可移動等特點(diǎn)，在未來，將會逐步取代傳統(tǒng)基建型儲能系統(tǒng)出現(xiàn)在各類應(yīng)用場景。目前，由于儲能集裝箱系統(tǒng)正處于發(fā)展起步階段，市面上各種儲能集裝箱散熱系統(tǒng)的設(shè)計五花八門，其散熱效率及散熱均勻性也不盡相同。在未來一定時間內(nèi)，生產(chǎn)開發(fā)者仍需要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際使用情況，在已有的各種散熱系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化研究。

本文以目前在儲能集裝箱系統(tǒng)中使用最廣泛的風(fēng)冷系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計出雙向風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，經(jīng)過仿真模擬證明了其對電池間電池具有高效散熱能力，同時能夠大幅度提高電池溫度一致性，有效避免電池由于一致性差而產(chǎn)生失效，保證電池系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高其使用壽命。

儲能集裝箱除熱管理設(shè)計外，其抗風(fēng)沙設(shè)計以及抗震設(shè)計也將是未來的研究重點(diǎn)。為了充分發(fā)揮儲能集裝箱的高適應(yīng)性優(yōu)勢，未來關(guān)于儲能集裝箱的各項研究將會從其適用的環(huán)境出發(fā)，彈性設(shè)計儲能集裝箱各部分功能。