集裝箱式儲能系統的熱分析及優化

中煤科工集團常州研究院有限公司 沈 毅

集裝箱式儲能系統的熱分析及優化

中煤科工集團常州研究院有限公司 沈 毅

本文研究了某大型集裝箱式儲能系統的通風冷卻結構，針對采用空調進行通風降溫的實際應用情況，提出在空調回風口采用擋板結構進行優化。本文將實測與數值仿真相對比，驗證了數值仿真的可靠性，并通過數值仿真模擬了優化結果。研究顯示，此結構不僅使Pack處于合理的工作溫度，且整個集裝箱的Pack溫度分布更為均勻，能滿足實際工程使用的需要。

回風口；Fluent；Hypermesh；溫度；數值仿真

前言

目前，集裝箱式的儲能系統應用越來越廣泛。但其電池Pack對溫度環境較為敏感，系統在充放電過程中產生大量的熱量，導致溫度上升，影響電池性能，在采用大倍率進行放電時，這一問題更為突出[1]。而且集裝箱內溫度分布不均勻，也會影響Pack的充放電SOC及壽命。本系統采用360個Pack通過串并聯進行連接，Pack數量較多，箱體內的Pack溫度分布差異是產品開發中必須考慮的一個重要因素。

為了保證系統正常運行，須進行冷卻措施，滿足Pack的正常工作環境溫度。根據工程實際需要，集裝箱內電池的溫度控制在295K～313K。查閱各種文獻[2]-[6]及實際工程中發現，目前較為經濟可靠的冷卻方式是通風散熱，因此國內外在冷卻結構的改進方面進行了重點的研究。本文通過實測發現集裝箱Pack內溫度分布均勻及空調運行狀況的相互關聯，繼而用Fluent進行數值模擬，分析集裝箱結構缺陷，并提出優化改進意見。

1.實測數據及分析

為了接下來更好地進行描述，特對集裝箱內Pack進行編號，見圖1。

圖1 集裝箱內集裝箱內Pack編號示意圖

本實測中，集裝箱中有4臺空調，空調設置為制冷模式，制冷啟動溫度22℃；如未開啟制冷模式，空調則啟動通風模式。

整個集裝箱采用1C連續充及連續放電，放電末端，通過軟件進行數據采集。為直觀的體現溫度分布情況，每個Pack用長方體表示，每個module上有兩個溫度采樣點，放電末端整個集裝箱的實測溫度見圖2。

在實測過程中，出現空調2、3只能開啟通風模式的狀況。根據實測數據顯示，每個Pack溫度分布不均的現象較為明顯，Bank1、2、4的溫差現象相較Bank3更為突出，有待改善。

2.集裝箱熱分析數值模擬

文章分析過程中，主要傳熱方式為對流換熱及固體間的熱傳導。計算過程中，采用K～e湍流模型，其經驗系數值分別分別如下：Cμ=0.09，Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cε3=1.44，Cε4=-0.33，Prε=1.219。這里不再寫出N-S方程組、離散方法及相對應的計算方法，只列出本研究中采用的邊界條件及計算方法。

本研究中只有一種發熱體：電芯發熱。電池的實際產熱情況十分復雜，為了減少電池溫度場相關數值的復雜性，在仿真計算時，對電池進行如下簡化：①組成電池的各種材料介質均勻，密度一致，同一材料的比熱容為同一數值，同一材料在同一方向各處的熱導率相等；②組成電池材料的比熱容和熱導率不受溫度和SOC的變化影響；③電池充放電時，電池內核區域各處電流密度均勻，生熱速率一致。

2.1 網格劃分及邊界條件

分析過程中，集裝箱內安裝了空調進行冷卻，并在集裝箱內設置了空調風道，空調風量為3000m3/h，空調設置啟動溫度為295K，故簡化模型，入口采用速度入口（2.57m/s），進風溫度為295K；每個空調有一個對應的回風口，在本研究中，回風口簡化為outflow。集裝箱外側設置為自然對流狀態，對流換熱系數為10；其余集裝箱內所有氣固耦合面都設置為非滑移面固壁處理。

圖2 實測溫度分布云圖

在考慮集裝箱內電池Pack真實幾何特征的情況下，電池Pack主要做如下簡化：真實的電池Pack采用風扇進行氣體冷卻，風扇安裝于Pack的出風口處。風扇的旋轉對于Pack箱體內的流場產生的影響很少。因此在進行有限元模擬時，風扇處采用Fan邊界條件，風壓為280.2Pa。對集裝箱、電池Pack、風道以及集裝箱內空氣即固體域和流體域進行網格劃分[7]并設置邊界條件，具體如下圖所示：

圖3 集裝箱內固體網格劃分情況

2.2 計算結果及分析

從流場分析圖4可以知道，每個Rack的風速出現分布不均勻的現象。Bank1空調的冷風直接流向了2號回風口處，3號空調的回風口近Bank4，Bank4的空調冷風直接流向了3號回風口處。導致空調2、3號檢測的是吹出來的冷風，不開啟制冷模式。

圖4 集裝箱氣體速度矢量圖

圖5 電池Pack溫度分布云圖

通過對比圖2與圖5，云圖與實測數據的溫度分布情況較為吻合，驗證了數值模擬中各種邊界條件設置的可靠性。通過Fluent數值分析與實測分析可以知道，溫度相對較高的Rack，風速比較小，空氣流通慢，這是導致Bank內Rack溫度不均的主要原因。空調2、3檢測的是吹出來的冷風，故不開啟制冷模式。為使空調同時開啟制冷狀態，得到更好地利用，在回風口附近加上擋板，改變集裝箱內流體流場。

圖6 優化后集裝箱內固體網格劃分

圖7 添加擋板后氣體速度矢量圖

圖8 添加擋板后Pack溫度分布云圖

2.3 優化結構模型及分析

為了更好的利用空調，在回風口處加上擋板，改變風的路徑，從而降低集裝箱內最高溫度及溫度差。集裝箱內固體網格劃分情況如圖6所示。

圖7為添加擋板以后的集裝箱內氣體速度矢量圖，對比圖4可以知道，添加擋板以后，一部分空氣從下端進行了回流，每個rack的流場一致性有了更好的改善。圖8為添加擋板以后的溫度分布云圖，整體黃色區域得到了減少，溫差減少；從溫度云圖的溫度數值上可以知道，集裝箱內電池Pack的最高溫度有了一定的減少。

綜上所述，本集裝箱中，采用風道的情況下，在每個Bank兩側加裝擋風板不僅能使空調有效的檢測環境溫度進行制冷模式，而且可有效的冷卻電池，使集裝箱內Pack溫度分布差異得到緩解。

3.結論

通過實測數據發現由于回風口處流場的原因，集裝箱內空調不能同時采用制冷模式，空調不能有效的得到利用。提出了在集裝箱內加裝擋風板的結構。此結構不僅可使空調能有效的得到利用，同時也能使Pack更為有效的得到冷卻，滿足實際工況需要。

[1]Arun K Jaura,Antboay Grabowski,Edward Jih． Effieient Cooling and Package of Traction Battery In Hybrid Electric Vehicle[C]． 18th International Battery Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium and Exhibiton(EVS18) 18th．Berlin,2001:1-5．

[2]張子峰,王林等,集裝箱儲能系統散熱及抗震性研究[J],儲能科學與技術,2013,02(6):642-648．

[3]Ahmad A Pesaran．Battery Thermal Management in EVs and HEVs:Issues and Solutions[C]．Advanced Automotive Battery Conference,USA,2001．

[4]Ahmad Pesaran,Andreas Vlahinos,Thomas Stuart．Cooling and Preheating of Batteries in Hybrid Electric Vehicles[C]．The 6th ASMEJSME Thermal Engineering Joint Conference, USA ,2003．

[5]朱曉彤．RAV-4電動汽車電池組風冷系統的研究[D]．南京:南京航空航天大學,2007．

[6]眭艷輝,王文等,混合動力汽車鎳氫電池組通風結構優化分析[J],汽車工程,2010,32(3):203-208．

[7]杜平安．結構有限元分析建模方法[M]．北京:機械工業出版社,1998．

沈毅（1987－），男，江蘇無錫人，工學碩士，助理工程師，2013年畢業于河南理工大學礦業工程專業，主要從事流體分析工作。