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电化学储能系统电池柜散热的影响因素分析.docx
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电化学储能系统电池柜散热的影响因素分析.docx
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1 引言
“碳中和”“碳达峰”目标的提出必将推动可再生能源迅速发展,而可再生能源
具有间歇性和不稳定性,很难将其所发电能并入电网
[1]
。储能技术在提高新能源
的消纳能力、调节用电峰谷、改善用电质量等方面具有积极意义
[2⇓ -4]
。电池储
能系统(Battery energy storage system, BESS)具有能源利用效率高、响应速率
快等优势
[5-6]
,同时,其能量和功率配置灵活、受环境因素影响小,易实现大规模应
用。
锂离子电池具有能量密度大、循环寿命长、自放电率低及无记忆效应等独
特优点,被广泛应用于电池储能系统
[7-8]
。BESS 运行过程中伴随锂离子电池不
断充放电,其内部由于化学反应会产生大量的热,如不及时将热量散出会导致电
池温度升高,对其安全性、使用寿命和性能等均造成不利影响
[9]
。因此,电池热管
理系统至关重要。目前,电池热管理常用技术有风冷、液冷和相变材料冷却等。
其中风冷系统具有结构简单、维护方便和成本低等优点,现已广泛应用于 BESS。
从电池规模来说,电池热管理可划分为单体电池级、电池组级、电池柜级
和集装箱/房间级。目前关于电池风冷技术的研究,主要针对电动汽车上的动力
电池,研究集中于优化空气流量、电池排列方式以及流道结构。FAN 等
[10]
通过
CFD 仿真分析研究了不同电池间距和空气流量对电池组温度分布的影响,结果
表 明 电 池 组 最 高 温 度 随 着 电 池 间 距 增 大 而 增 大 ,温 度 分 布 反 而 更 加 均 匀 。
MAHAMUD 等
[11]
提出了一种控制冷空气流动方向反复变换的方式,结果显示这
种方式能够让电池温差下降 72%。WEI 等
[12]
研究了强制空气冷却系统,结果表
明增加进口速度或使用周期性逆流布置可以使电池温度分布更加均匀。王天波
等
[13]
研究了进出口方向、位置对电池组散热效果影响的规律,结果表明采用侧
向通风方式散热效果最佳。针对集装箱 BESS 风冷目前研究较少,大多关注于
气流组织优化。罗军等
[14]
通过试验研究了等功率充放电下集装箱式 BESS 系统
温度特性。王晓松等
[15]
和张子峰等
[16]
对集装箱式 BESS 风冷散热进行了仿真研
究,通过增 设导流板对风道结构 进行优化,优化后 流场和温度场分布更 加均匀,
有效降低电池模块间温差。
相比于动力电池,储能电池规模一般可达到兆瓦甚至百兆瓦级别,对安全性
要 求 更 高 。 此 外 , 储 能 电 池 对 使 用 寿 命 有 更 高 要 求 ,动 力 电 池 循 环 次 数 为 1
000~2 000 次,而储能电池一般要求循环次数能够达到 3 500 次以上。目前针对
储能电池风冷散热研究大多基于大规模的集装箱冷却,相比于电池柜冷却,其更
加关注大空间内的气流组织,仿真研究时通常将电池组产热看作一个整体,从而
忽略了单体电池温度和单体电池间温差。电池柜应用广泛,既可以单独使用为
各种场景提供电源,又是大规模 BESS 组成部分。当前电池热管理风冷散热研
究鲜有涉及电池柜冷却,本文基于电池柜风冷散热系统,建立试验验证 CFD 模
型,仿真分析自然对流冷却下电池柜的散热性能,以及进口风速、单体电池间距
和电池组间距对电池柜散热性能的影响规律。
2 模型建立
2.1 物理 模型
本文采用方形磷酸铁锂电池,单体电 池尺寸 为 55 mm×175 mm×200 mm,
额定工作电压为 3.2 V,单体电池容量为 202 A·h,电池内阻约为 0.14 mΩ。由于
实际情况限制,本文利用铝块来代替电池进行试验和 CFD 模拟
[17 ⇓ ⇓ -20]
,铝块尺寸
与单体电池相同。
初始模型如图 1 所示,机柜分两层,每层四块单体电池(铝块)居中放置,单体
电池间隔 30 mm,电池组上下间隔 150 mm,距电池柜左右、前后壁面均为 100
mm。电池柜设有上下两个进风口,每个进风口尺寸为 50 mm×350 mm,出风口
置于电池柜背部,尺寸为 100 mm×350 mm。从左至右、从下至上铝块编号为
#1~8。
图 1
图 1 电池柜初始模型示意图(mm)
2.2 数值 模型
使用 SCDM 软件对图 1 所示的初始模型进行建模,将模型导入 Workbench
Mesh 进行网格划分,固体域采用结构化网格,流体域采用非结构化网格。对电
池柜散热模型进行 CFD 仿真,模型基于压力求解器,考虑重力对散热影响,沿 y
方向重力大小为-9.81 m/s
2
。
2.2.1 控制 方程
在机柜空气流动区域,控制方程表达式如下
(1) 连续性方程
∂ρ∂t+div(ρU)=0∂ρ∂t+div(ρU)=0
(1)
式中,ρρ 为空气密度;U 为速度矢量。
(2) 动量守恒方程
∂(ρu)∂t+div(ρuU)=div(μgradu)−∂p∂x+Su∂(ρu)∂t+div(ρuU)=div(μgradu)−∂p∂
x+Su
(2)
∂(ρv)∂t+div(ρvU)=div(μgradv)−∂p∂y+Sv∂(ρv)∂t+div(ρvU)=div(μgradv)−∂p∂
y+Sv
(3)
∂(ρw)∂t+div(ρwU)=div(μgradw)−∂p∂z+Sw∂(ρw)∂t+div(ρwU)=div(μgradw)−
∂p∂z+Sw
(4)
式中,u、v、w 分别为速度矢量在 x、y、z 方向的速度分量;μμ 为空气动力
黏度;S
u
、S
v
、S
w
为动量守恒方程的广义源项。
(3) 能量守恒方程
∂(ρT)∂T+div(ρUT)=div(kCpgradT)+ST∂(ρT)∂T+div(ρUT)=div(kCpgradT)+ST
(5)
在铝块内部,导热是主要传热方式,导热微分方程为
ρc∂T∂t=λx∂2T∂x2+λy∂2T∂y2+λz∂2T∂z2+qρc∂T∂t=λx∂2T∂x2+λy∂2T∂y2+λz∂2T∂z
2+q
(6)
式中,ρρ 为铝块密度;c 为铝块比热容;λxλx、λyλy、λzλz 为导热系数;q 为铝
块体热源。
锂离子电池产热来源于工作过程中内部产生的反应热 Q
r
、副反应热 Q
s
、
焦耳热 Q
j
、极化热 Q
p
。其中焦耳热是锂离子电池产热主要来源,电池总产热表
达式如下
Q=Qr+Qs+Qj+Qp≈Qj=I2RVQ=Qr+Qs+Qj+Qp≈Qj=I2RV
(7)
式中,I 为锂离子电池充放电电流;R 为电池内阻;V 为单体电池体积;Q 为电
池体热源。
2.2.2 数值 方法
本文采用 CFD 软件对电池柜风冷散热进行模拟研究。固体域采用结构化
网格,流体域采用非结构化网格。模型基于压力求解器,压力-速度耦合方程采用
coupled 算法;梯度插值采用基于单元体的最小二乘法插值;压力插值采用二阶
格式;动量方程和能量方程插值采用二阶迎风格式。入口为速度入口边界,出口
为压力出口边界,假设柜壁绝热。机柜进口温度和环境温度均设定为 25 ℃。模
拟所需要的热物性参数如表 1 所示。
表 1 热物性参数
介质
密度
ρ/(kg·m
-3
)
比热容
c/(J·kg
-1
·K
-1
)
导热系数
k/(W·m
-1
·K
-1
)
黏度
μ/(kg·m
-1
·s
-1
)
空气
铝
1.225
2 719
1 006.43
871
0.242
202.1
1.789×10
-5
—
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2.2.3 散热 性能评价指标
温度会对锂离子电池性能产生很大影响,因此电池的最高温度需要控制在
理想工作范围之内。此外,电池组温度均匀性同样重要,过大的温差会导致电池
组一致性变差。本文采用了 2 个指标来评价机柜散热性能。T
max
为电池柜的最
高温度;ΔT
max
为不同模块间最大温差。
在考虑不同进口风速时,需要考虑风机功耗,定义功耗 W
p
计算公式为
WP=(Pin−Pout)⋅Q0WP=(Pin−Pout)⋅Q0
(8)
式中,P
in
和 P
out
分别为进口和出口区域平均压力;Q
0
为冷空气流量。
3 试验验证
3.1 试验 台搭建
为验证 CFD 模拟的准确性,进行了试验验证。本文采用电加热棒加热铝块
的方式模拟电池充放电引起的热量产生。
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