儲能電池模組的風冷散熱優化設計研究

祝德春，王新春

(1.南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院有限公司)，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、風能和太陽能等清潔能源發電技術的快速發展，為解決上述清潔能源電力利用不平衡和不充分的問題，我國逐步發展了抽水蓄能、電化學儲能等一系列有效的儲能技術，通過在用電谷值時段將電網側或用戶側的電能以一定的方式存儲起來，在用電高峰時段通過一定的方式將電能輸送給終端用戶，實現了削峰填谷的作用。

電化學儲能作為一種相對新穎的儲能技術，在規模化應用方面還有一些技術亟待解決，儲能電池的熱失控機理分析[1]及熱失控管理[2]就是其中較為關鍵的技術，孫宜聽等[3]的研究表明了電池單體間距對電池過充時周圍電池單體溫升有較為顯著的影響。熱失控管理技術涵蓋電池的散熱技術和消防技術等方面，散熱技術則主要包括風冷散熱[4-5]、相變與液冷散熱[6-7]、熱管換熱[8]等幾種方式，消防技術包括氣溶膠[9]、細水霧降溫[10-11]等方式，作為被動防御的熱失控管理技術，上述方法在電池熱管理中均取得了較好的效果。其中，風冷散熱的方式因能夠通過持續控制電池溫度以達到減少熱失控發生而得以廣泛應用，但在開展電池模組風冷散熱時應關注電池模組結構布局對散熱效率的影響。在電池模組進/出風角度、電池裝配位置公差對散熱效果的影響方面已有研究[12]，但在如何確定風冷散熱電池模組的電池排布間距方面尚未見公開報道。

本文基于流體傳熱學原理建立電池單體表面對流換熱能力的數學模型，計算在電池單體間距設計區間內電池表面的換熱能力；為驗證理論模型的正確性，建立電池模組中電池單體間距優化的仿真模型，計算并驗證電池單體不同間距時電池的溫升變化規律；更進一步，提出一種評價電池單體散熱影響度的方法，尋找更優的電池單體間距設計參數。在此技術上，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，驗證本文提出的儲能電池模組電池單體間距優化的散熱設計方法的可行性。

1 電池單體對流散熱優化設計

電池單體的散熱方式主要包括液冷、風冷和相變換熱等，液冷和相變散熱適用于密閉環境電池模組的高效散熱，特點是成本高、體積大、質量重，而風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冷散熱型電池模組的電池單體分布間距對散熱效率的影響。

1.1 電池單體放電過程的熱效應

磷酸鐵鋰電池放電過程的生熱模型方程如下[13]：

式中：Q為電池單體的發熱功率，W；I為電池單體的電流強度，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為電池的熱力學溫度，K。

本文研究過程中，采用加速熱量儀(ARC)測量電池單體的發熱功率，根據不同電流強度條件下測量的數據可以獲得的數值[14]。通過測試獲得上述各個參數，即可根據公式(1)計算出電池單體的發熱功率。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率為10.78 W/(m·K)，厚度方向熱導率為1.50 W/(m·K)，經測試獲得1C放電時發熱功率為14.098 W。電池單體的熱導率取決于電池單體的材料和電極材料排布方式[15]。本文基于上述技術參數開展后續的電池單體對流散熱優化設計。

1.2 電池單體對流散熱優化設計

電池單體對流散熱性能與流經電池單體表面的流體溫度、流速有關，當溫度恒定時，較高的流速有利于電池單體的散熱。實際上，當冷卻系統的風量一定時，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，流經電池單體的流速越高，但此時會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溫升會發生改變，當電池單體間流體冷卻介質溫升較高時，說明冷卻介質帶走的熱量較多。

1.2.1 電池單體排布散熱優化模型

研究過程中，選取兩塊電池單體進行分析，按照設計溫升10.00 K、設計最大風量35.00 m3/h開展優化設計。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化模型如圖1所示。

圖1 電池單體間距優化的等效模組布局圖

相鄰兩電池單體間形成一個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學表達式為：

雷諾數的計算公式為：

式中：ρ 為流體的密度，35 ℃時一個標準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 為流體的動力粘性系數，35 ℃時一個標準大氣壓條件下空氣的動力粘性系數約為1.883 4×10－5Pa·s。

假設相鄰兩電池單體間冷卻風量為q，則該矩形管道的雷諾數計算公式可寫成如下形式：

本文研究過程中，電池單體間距d的設計區間為1.00～30.00 mm，按照環境溫度35 ℃、相鄰兩電池單體間冷卻風量q為35 m3/h 進行設計，則在電池單體設計區間范圍內，雷諾數隨電池單體間距變化的曲線如圖2 所示?？梢?，在電池單體間距設計范圍內，雷諾數位于2 200～10 000，流動形式為層流到紊流的過渡流動狀態。此時，管內換熱準則關系(即努賽爾數)用下式表示：

圖2 雷諾數隨電池單體間距的變化曲線

式中：Pr為無量綱的普朗特數，Pr=μCp/k；Cp為空氣的等壓比熱容，一般取值為1.3×103J/(kg·℃)；k為空氣的熱傳導系數，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，本文設計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成的矩形流體管道長度為0.54 m。

在電池單體間距d的設計區間范圍內，按照上述各項條件，計算努賽爾數隨電池單體間距變化的數值并繪制曲線，如圖3 所示。

圖3 努賽爾數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，在20.0～30.0 mm 范圍內呈逐漸下降趨勢。實際上，在設計電池單體排布間距時，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對流散熱的熱阻和散熱效率的影響，同時還需要滿足機械結構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 設計，最大間距按照12.00 mm 設計，即電池單體之間的間距優化區間為7.00～12.00 mm。

基于計算流體動力學仿真平臺，在風量35.00 m3/h 情況下，計算了7.00～12.00 mm 范圍內的電池單體內部溫升、電池單體間流體出口溫升及電池單體間平均風速，不同間距時電池單體溫升、流體溫升和平均風速如表1 所示。

表1 不同電池單體間距對應電池溫升、流體溫升及風速

1.2.2 考慮電池單體排布間距的風阻效應

通過對表1 進行分析，隨著電池單體間距的變化，電池單體內部溫升、電池單體間流體出口溫升和電池單體間平均風速均發生相應的變化，根據表1 繪制的溫升及風速變化曲線如圖4 所示。

圖4 電池單體間距優化的溫升及風速變化曲線圖

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

1.2.3 邊界條件對電池單體散熱的影響度評價

為了更直觀地描述電池單體間距不同時電池的散熱性能，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電池單體散熱的影響大小的評價系數，其數學表達式定義如下：

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。

根據表1 中的數據，按照公式(6)和公式(7)的計算方法繪制出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，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。

從以上分析可以看出，隨著電池單體間距在7.00～12.00 mm 范圍內變化，電池的溫升呈逐漸上升的趨勢性變化，且電池單體間距為7.00 mm 時電池溫升最小，為本文研究的電池模組的電池單體間距中最優的數值。

2 電池模組的氣流組織設計

電池模組的氣流組織設計是基于冷卻風機定量送風作為前提條件，通過優化冷卻風機的位置，使得儲能電池模組內部各個電池單體之間能夠獲得較為均勻和近似等值的冷卻風量與風速，最終使得電池模組內部各個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，組成總容量約為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

該儲能電池模組共有電池單體24 只，假設電池放電過程中熱功耗趨于穩定，則當電池模組以1C放電時，儲能模組電池單體的總熱耗為338.35 W。設計時要求電池單體內部溫升不超過10 K，則電池模組所需的散熱風量按下式計算：

因此，電池模組所需風量為：

電池模組采用后端流入、前端流出的冷卻氣流組織方式，冷卻風機選用2 臺最大風量237.00 m3/h、最大工作壓力160 Pa 的直流24 V 軸流風機。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

根據上述電池單體對流散熱優化和電池模組氣流組織設計結果，建立電池模組的仿真模型。電池模組的熱仿真在35 ℃環境溫度和一個標準大氣壓的環境下進行。對熱仿真模型作如下假設[16-18]：(1)冷卻空氣不可壓縮，且滿足Boussinesq 方程假設，認為流體密度的變化僅對浮升力產生影響；(2)流動為穩態紊流；(3)忽略由流體粘性力做功所引起的耗散熱。

3.2 電池模組的流場分析

在電池模組中分別選取DC11～DC18、DC21～DC28 和DC31～DC38 號電池單體之間以及DC11、DC18、DC21、DC28、DC31、DC38 與電池模組外殼之間的冷卻空氣流速進行分析，流速測點的Y軸和Z軸坐標分別與DC11、DC21、DC31 的Y軸和Z軸方向中部的坐標相對應，流速測點的X軸坐標點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位置坐標對應，仿真測試的流速如圖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V01 和V80 分別代表任意一排電池單體中第一個電池單體和第八個電池單體與電池模組外殼之間的風速?？梢钥闯?，除位于4、5 號電池單體之間的風速相對較高之外，其余部位的風速較為接近，風量分配較為均勻。

圖9 DC1～DC3排電池單體間流速變化曲線

3.3 電池模組的溫度場分析

電池模組中電池單體的溫度場分布如圖10 所示。

圖10 電池單體溫度場分布

第一、第二和第三排電池單體內部的溫差分布曲線如圖11 所示。

圖11 DC11～DC38號電池單體內部溫度變化曲線

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，正對冷卻風機轉子部位的電池單體表面溫度低于正對冷卻風機定子部位的電池單體表面溫度，同時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計使得流經電池單體表面的冷卻風量分配較為均勻。

4 結論

本文基于流體傳熱學的基本原理建立了電池模組中相鄰兩電池單體所構成的封閉流體通道的對流換熱準則關系，獲得了電池單體排布間距設計區間范圍內的換熱能力變化趨勢；提出的邊界條件對電池單體散熱的影響度評價方法，能夠對采用方形磷酸鐵鋰電池搭建優化模型仿真計算的電池單體溫升、冷卻空氣溫升及平均流速等信息對電池散熱的影響度進行評價，并獲得了較佳的電池單體間距值。在此基礎上，搭建了電池模組的氣流組織模型并進行了風冷散熱設計，基于計算流體動力學的方法開展了電池模組的流場和溫度場分析計算，驗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計相符。本文提出的研究方法對指導電化學儲能電池模組的工程化設計具有一定的參考意義。