儲能用鋰電池模組主動式熱管理系統性能研究

張維江， 吳安慧， 李勇琦， 曹文炅， 蔣方明

(1. 廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室中科院可再生能源重點實驗室中國科學院廣州能源研究所先進能源系統研究室，廣東 廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 國家能源民權熱電有限公司，河南 商丘 476821；4. 南方電網調峰調頻發電有限公司，廣東廣州 510635)

電池儲能技術是解決可再生能源并網波動性、間歇性等問題的有效途徑，鋰離子電池儲能(鋰電儲能)由于具備能量密度高、循環壽命長等優勢成為目前發展最為迅速的儲能技術[1]。鋰電池的最佳工作溫度范圍為20～40 ℃[2]，單體間的溫差均不超過5 ℃為佳[3]。鋰電儲能系統中大量電池緊密排列在有限空間內，易產生熱量不均勻聚集，造成不同單體電池的溫度出現較大差異，極大影響系統性能和壽命。因此，對儲能系統實施主動熱管理尤為重要。

根據是否存在外界設備主動提供能量驅使熱管理系統運行，可將其分為主動式和被動式。對于大規模儲能系統，主動式熱管理系統在長期運行中的能耗不可忽視。Lan 等[4]分析了一種微通道液冷散熱系統的結構、充放電倍率以及工質流量對系統能耗的影響，發現這種微通道散熱結構僅需較小的能耗就可以達到理想的熱控要求。Chen 等[5]比較了空冷、直接液冷、間接液冷、翅片冷卻的散熱性能和能耗，發現要達到同樣的溫控水平，空冷系統的能耗比其他方式要大2～3 倍。Sheng 等[6]探討了一種雙進風口和雙出風口的蛇形通道液冷板的水力性能，發現進、出口位置和流向對單體溫度分布和冷卻板功耗有較大影響。盡管上述學者已經詳細研究了電池模塊結構、散熱方式、冷卻工質特性等因素對熱管理系統能耗的影響，但絕大多數只是通過研究散熱系統在不同情形下的壓損進而得出能耗，沒有綜合探討風機、泵和制冷壓縮機等的耗能。本文對一個實際的鋰電儲能機柜的典型模塊的熱管理系統性能和能耗情況展開研究，綜合考慮了風機或水泵以及制冷壓縮機的耗能，研究成果對實際生產運行具有指導意義。目前的鋰電儲能工程實例大多采用風冷方案，可能存在散熱能力不足的情況，因此本文還詳細研究了熱管控效率更高的液冷系統性能。

本文對一個由48 個單體電池組成的儲能用電池模塊建立了熱流體模型，該模塊來源于一個實際的儲能機柜[7]。結合數值模擬方法對模塊原風冷熱管理系統優化改進，并分析了優化后風冷方案和液冷方案的能耗情況，以及循環充放電過程中變流量工況對能耗的影響。

1 模塊模型

1.1 物理模型

模塊中的電池單體為力信(江蘇)公司生產的方形40 Ah磷酸鐵鋰電池，幾何尺寸為27.5 mm(長)×148 mm(寬)×132.6 mm(高)。單體電池標稱電壓為3.2 V，充電截止電壓為3.6 V，放電截止電壓為2.5 V，內阻約為4 mΩ[7]。48 個單體以8 并6串的方式組成一個電池模塊，3 個風扇布置在進口格柵外側。原風冷方案是通過強制風冷散熱，在參考文獻[7]中已詳細分析了模塊速度場和溫度場特性。受到散熱面積和風冷效率的限制，原方案較難實現良好的溫度場一致性。

本文分別考慮優化原風冷系統和重新設計液冷方案兩種方法來強化散熱。原風冷系統為串行式，如圖1(a)，對其進行并行化改進。整個電池組固定在底板上，由肋板支撐起來，底板厚2 mm，肋板高12 mm，材料均為鋁。通過折流板增加下送風流道，形成串(并)行混合式風冷，如圖1(b)。液冷方案則是將鋁制冷板置于電池模塊下方，水流經冷板內部的螺旋通道，帶走熱量，如圖2。冷板高度h2為14 mm，流道高度h1為10 mm，寬度w為20 mm，曲率半徑R為32 mm。在螺旋彎管內，粘性流體在離心力和粘性力的相互作用下出現渦旋(迪恩渦)，加強了管內流體的擾動，顯著增強了流體對流作用，強化傳熱[8-9]。

圖1 (a) 原風冷方案示意圖；(b) 優化后的風冷系統結構圖；(c) 數值網格模型

圖2 水冷系統結構圖和數值網格圖

1.2 數學模型

模型假設和材料物性參數參考文獻[7]，單體熱模型已在其中詳細闡述并驗證。

1.2.1 控制方程

在模組內，固體計算域分為電池、匯流排、肋板和冷板，在該區域求解能量守恒方程。流體域分為空氣和水，根據雷諾數選取相應的流動模型，求解質量、動量和能量守恒方程。

在計算系統能耗時，同時考慮風扇、水泵和制冷壓縮機的耗能，由方程(1)和(2)計算得到。當制冷量變化不大時，制冷機組的能效比變化很小，為簡化計算此處取恒定值[10-11]。

式中：Pw為風機或泵的功率；V、pin、pout分別為體積流量、流體進口和出口壓力；Pc、P分別為制冷機組功耗和制冷功率；ηCOP為制冷機組能效比，此處取5[10-11]；Tamb和Tin分別為環境溫度和工質進口溫度；cp為比熱容。

1.2.2 初始和邊界條件

模塊初始溫度為環境溫度308 K，外殼與環境的對流換熱系數為5 W/(m ·K)。在風扇和冷板流道進口，分別設置相應的進口速度和溫度，出口均設置成零壓力和環境溫度的壓力出口。對于水冷方案，電池模塊散熱主要依靠水冷板帶走熱量，電池表面和模塊內空氣為自然對流換熱，對整體的溫度場影響不大。為減小計算量，在電池/空氣界面設置恒為5 W/(m·K)的對流換熱系數來代替自然對流換熱。

1.2.3 數值求解策略和網格獨立性驗證

基于有限體積方法求解偏微分方程組，空間導數項采用一階迎風差分格式，時間導數項采用全隱差分格式，采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure linked equation)方法處理壓力和速度的耦合。圖1(c)和圖2 展示了計算網格，為驗證網格獨立性，在相同工況下分別對不同數量的網格模型進行了數值求解，得到模塊最高溫度。對于網格數分別為422 498、701 770、1 286 143 的風冷模塊數值模型，最高溫度分別為311.04、311.08、311.09 K。對于網格數分別為459 656、881 274、1 963 768 的水冷模塊數值模型，最高溫度分別為313.98、314.03、314.03 K。本文分別選取網格數為701 770 和881 274的模型結果，此時數值誤差已足夠小。

2 結果與討論

2.1 風冷系統優化

模塊原風冷方案的熱流體模型驗證見參考文獻[7]。圖3分別展示了風冷系統優化前后的電池組最高、最低溫度和最大溫差在不同風速下的變化情況，圖中的電池溫度為單體平均溫度。在1C放電過程中，電池溫度和最大溫差隨放電深度加大而升高，在放電末期達到峰值。當進口風速為1 m/s，在放電結束時，優化前后的最高溫度分別為321.39 和320.81 K，降幅為0.58 K，最大溫差從2.85 K 降低到2.17 K，降低了0.68 K。對風冷系統的優化可以提高電堆溫度場一致性，但對于降低最高溫度作用有限。

圖3 原風冷模塊和優化后的風冷模塊的單體最高、最低溫度和最大溫差變化情況

2.2 系統能耗

在2.1 節的討論中發現，對原風冷方案的并行化改進對于降低最高溫度作用有限，在極端條件下，可能需要散熱效率更高的熱管控方式，如液冷。在算例中，環境溫度為308 K，溫度上限為313 K，分別研究風冷和水冷模塊在不同工質進口流量和溫度下的溫度變化以及能耗情況，如圖4。進口溫度范圍為293～303 K，限于篇幅，只展示進口溫度為293 和303 K 時的模塊最高溫度變化圖。當風扇進口溫度為293 K，風速為3 m/s 時，電池最高溫度不超過上限的同時系統能耗最低，見圖4(a)。當進口溫度為303 K，速度為8 m/s 時才能滿足熱管控要求，見圖4(b)。對于水冷方案，模塊最高溫度變化趨勢與風冷方案幾乎一致，如圖4(c)和(d)，水冷方案的熱管理控能力明顯更優，僅需很小的流量即可滿足要求。在圖4(c)中，當水流量為0.24 L/min 時就可達到熱控要求。

圖4 優化后風冷模塊在不同進口溫度:(a) 293 K, (b) 303 K和不同進口速度下的1 C放電過程最高溫度曲線; 水冷模塊在不同進口溫度: (c) 293 K, (d)303 K 和不同流量下的1 C放電過程最高溫度曲線圖

表1 為分別得到不同進口溫度下滿足熱控要求的最低能耗算例。圖5(a)為分別得到的系統能耗。對于風冷模塊，當進口溫度較低時，風扇流量較小，壓損導致的能耗很低，這時制冷機組耗能占主導。當進口溫度較高時，需要較高的流速才滿足熱控要求，風機耗能急劇增大，總能耗較高。風冷方案能耗最低的算例為Case5，此時系統能耗為272.75 W，進口溫度為301 K，風速為5 m/s。由于水冷方案中只需較低的流量就可以滿足要求，管路壓損造成的耗能極小，可以忽略不計，系統能耗幾乎全部來自制冷機組。圖5(b)中能耗最低的案例為Case8，此時進口溫度為295 K，流量為0.24 L/min，系統能耗為43.68 W。與風冷方案的最低能耗相比，風冷系統最低能耗為水冷系統的6.2 倍。

表1 不同冷卻工質進口溫度、進口流速算例(最高溫度低于313 K)

圖5 風冷和水冷模塊在不同冷卻工質進口條件下的能耗

2.3 冷卻工質變流量策略

在恒流速工況下，系統能耗功率維持不變，影響散熱功率的只有電池表面和空氣的溫差，溫差越大，散熱功率越大。考慮在電池溫度較高時采用高流量，較低時采用低流量，流量變化取決于監測溫度。在維持模塊最高單體溫度低于上限的前提下，采用變流量策略進一步優化系統能耗。根據模塊溫度場仿真結果分析，可近似認為監測點即為模塊最高溫度點。最高單體溫度為最高溫度點所在單體電池的平均溫度，低于監測溫度。依照2.2 節的討論結果，分別為風冷/水冷系統選擇相應的最低能耗方案。由于溫控要求為最高溫度點所在單體的平均溫度不超過上限，與風冷電池模塊相比，水冷模塊的溫度場一致性更好，整體平均溫度高于風冷模塊，造成循環工況下水冷模塊的最高單體溫度超過上限，增大流量至0.36 L/min 才滿足熱控要求。因此，將0.36 L/min 的方案定為水冷方案的恒流量工況。模塊溫度變化基本處于周期性穩定，一個充放電周期的能耗為三個周期的平均值，此時的風冷系統恒流量工況能耗為272.75 W，水冷系統的能耗為65.52 W。表2 為分別選擇適當的監測溫度臨界值和高低流量，變流量策略均可以達到有效熱控要求。圖6 為模塊熱管理系統在恒流量和變流量方案下的能耗差，即優化方案節省的能耗。圖中圖例表示變流量策略下的高低流量，例如：4_5.5 m/s 代表低流速和高低速分別為4 m/s 和5.5 m/s。結果表明，變流量方案可以有效降低系統能耗。當監測溫度臨界值為311 K，高低流速分別設置為6 和3 m/s 時，此時風冷系統能耗最低，相比于恒流方案，節省了24.3% 的能耗。對于水冷系統，當臨界值為316 K，高低流量分別設置為0.6 和0.24 L/min 時，可以節省19.7% 的能耗。

圖6 風冷模塊和水冷模塊在恒流量和變流量方案下的能耗差

表2 不同流量策略下風冷模塊熱行為

3 結論

本文對一個由48 個單體電池組成的儲能用方形鋰離子電池模塊建立熱流體模型，結合數值模擬方法對模塊原熱管理系統優化改進，儲能模塊的串行式風冷方案被改進為串(并)行混合式風冷，改善了電池模塊溫度場不一致性，但對于降低最高溫度作用有限。本文還探討了優化后風冷系統和液冷系統的能耗情況，在滿足電池模塊在1C放電過程中最高單體溫度低于313 K 的條件下，分別得到風冷和液冷系統工質進口溫度和流量的最低能耗方案，此時空冷系統進口溫度為301 K，速度為5 m/s，水冷系統的進口溫度為295 K，流量為0.24 L/min，空冷系統最低能耗約為水冷系統的6.2 倍。在此基礎上，分析了循環充放電工況下變流量策略對優化系統能耗的影響。變流量方案仍可以達到熱管理的要求，與恒流量工況相比，可以降低風冷系統24.3% 的能耗和水冷系統19.7% 的能耗。