基于Flotherm的高防護戶外儲能柜組合式散熱系統設計

林元華，杜戴寧

(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)

0 引言

為積極響應國家“碳達峰，碳中和”的號召，全國各地配套的儲能設備建設越來越紅火。其中以小功率密度的柜式儲能設備發展最為迅速，其能量密度大，占地面積較小，可滿足配電臺區、寫字樓、商場等復雜的應用環境。儲能設備結構設計的主要技術關鍵，就是如何合理地進行冷卻系統的設計。當前，國內儲能設備的冷卻系統基本以空調冷卻為主，其生產和維護成本高，功率密度小，應用場景較為苛刻。采用組合式散熱系統，可以提高儲能設備的功率密度，極大地降低空調冷卻系統的成本，其小型化的應用場景也更靈活，在日趨競爭激烈的市場中更具有優勢。

1 高防護戶外儲能柜組合式散熱系統設計

合理的散熱系統設計，是儲能柜安全可靠、無故障運行的保證。組合式散熱系統的一般設計流程見圖1，按照此流程對100 kWh的儲能柜進行散熱系統設計。

圖1 組合散熱系統設計流程

1)風道結構設計

此100 kWh儲能柜為高防護戶外型儲能柜，戶外防護等級達到IP55等級[1]。柜內主要發熱電器元器件的功率、功耗、數量和散熱方式見表1。考慮到儲能柜的成本壓力，風冷散熱系統和空調冷卻系統相結合的組合式散熱系統可大幅降低散熱系統的成本。將對環境和溫度要求不高的SPC、PCS和UPS裝置單獨成艙，采用強迫風冷對其進行散熱，并將對環境和溫度要求高的電池PACK單獨成艙，采用空調對其進行密閉散熱。

表1 發熱元器件功耗清單

強迫風冷散熱風道布置在儲能柜的中上部，不但可以避免太陽輻射對高功耗裝置的不利影響，而且可有效避免地面柳絮、灰塵等阻塞風道。風冷散熱系統的風道對稱布置在前后門上，風道上都裝有G4過濾效果的棉，風機布置在出風側。此時風道長度最短，風阻最小。空調散熱系統的空調布置在儲能柜中下部[2]，可有效避免惡劣的地表環境對空調的影響。由于工業空調冷風口和熱回風口在同一面上，設計一冷風送風口在儲能柜底部，將柜后部的冷風直接送到柜前部，可有效實現電池的前后同步均勻散熱。組合式散熱系統方案見圖2。

圖2 儲能柜組合式散熱系統示意圖

2)風量和制冷量理論計算

組合式散熱系統中，空調散熱系統的總制冷量C的計算公式為C=Cr+Cs+Ch。其中：C為總制冷量，W；Cr為太陽輻射熱量，W；Cs為環境滲入(出)熱量，W；Ch為元器件發熱功耗，W；根據理論計算公式，Cr=277.5 W，Cs=117.2 W，Ch=1 000 W，則C=1 394.7 W，選型制冷量為1.5 kW的工業空調。

3)風壓計算

表2 風道損失系數

組合式散熱系統中，儲能柜采用雙柜結構，空調只能掛在一側柜體上，故需要進行冷風分流設計，空調的內循環風量為380 m3/h，分三路導流到機柜前側，則每路平均分流約130 m3/h。根據風冷中風壓的理論計算公式可知，P=Pi=12.7 Pa。根據8030直流風機的性能曲線圖可見，兩個風機自由風量為160 m3/h，10～15 Pa時有效風量為120～140 m3/h，符合理論計算系統所需風量，故此款風機滿足選型要求。

4)熱仿真分析

儲能柜內主要發熱電器件數量及功耗見表1，前后風道的濾棉取說明書中60 Pa的壓損參數。組合式散熱系統中包含兩款風機和一個工業空調，具體參數在上述計算時都有體現。

根據上述邊界條件，取GB2423中太陽輻射強度參數1 120 W/m2，采用Flotherm對儲能柜熱進行仿真分析[3-5]。圖3、圖4分別為風冷散熱系統和空調冷卻散熱系統小風機實際工作壓力和風量。由圖3可知，風機實際工作點風量為571.03 m3/h，風壓79.79 Pa。風量和風壓低于整機理論計算值，強迫風冷設計符合要求。且可得出空調冷卻系統中兩個直流風機工作點的風量和風壓值。由圖4可知，風機實際工作點的風量是47.52 m3/h，風壓是17.63 Pa，符合冷風導流的設計要求。

圖3 風冷散熱系統風機實際工作壓力和風量

圖4 空調冷卻散熱系統小風機實際工作壓力和風量

圖5為儲能柜整柜溫度分布圖。根據圖5可知，儲能柜強迫風冷配電艙中進風口最高溫度是42.3 ℃，最低溫度是40 ℃，最高溫差是2.3 ℃，處在風冷裝置的正常工作溫度區間；出風口最高溫度是48.5 ℃，最高溫差是8.5 ℃，處于風機長壽命周期工作溫度區間；電池艙中，最高溫度是38.5 ℃，最低溫度是30.1 ℃，最高溫差是8.4 ℃，平均溫差是5.9 ℃，可使電池包長期處在正常工作溫度區間。綜上，由Flotherm熱仿真分析結果可知，配電艙和電池艙中的熱仿真數據均可滿足熱設計的邊界條件，儲能柜組合式散熱系統的設計可達到熱設計的要求。

圖5 儲能柜整柜溫度分布圖

5)高溫熱測試

在高溫箱中模擬地設置最高40 ℃的溫度，采用K型熱電偶、數據記錄儀等儀器進行儲能柜的熱試驗[6]。儲能柜內空調冷卻系統的電池艙內前后各布置4個測試點，儲能電池包前后側(靠近空調側為后)從上到下各4個監測點，并布置環境監測點1個。儲能柜內強迫風冷散熱系統的配電艙前后門處各布置2個監測點。

儲能柜高溫熱測試通過的條件為：長時間滿負荷充放電工作過程中，所有電器件均能滿載正常工作。量化成邊界條件，并以溫差值表示：①配電艙中，進風口溫度低于風冷散熱裝置降容工作溫度45 ℃，進出風口溫差低于15 ℃，并能控制出風口風扇在長壽命無故障工作溫度區間內；②電池艙中，儲能柜在滿載充放電測試過程中，電池包周邊最高溫升低于15 ℃，且電池包平均工作溫度長期保持在18 ℃～30 ℃。

配電艙的高溫熱測試環境溫度是(40±0.5)℃，由圖6可知(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)，儲能柜在滿負荷長時間工作后，配電柜內各監測點的溫度趨于平穩。進風口平均溫差趨于1 ℃，出風口平均溫差趨于9 ℃，進出風口平均溫差趨于8 ℃。由此可見，風冷配電柜進風口平均溫度為(41±0.5)℃，出風口平均溫度為(49±0.5)℃，可達到邊界條件一的各項設計指標要求。綜上，風冷散熱系統的設計符合要求。

圖6 配電艙中溫度監測點與環境溫差及溫差趨勢圖

由圖7可知，儲能柜在長時間滿功率測試時，電池艙內平均溫差在5 ℃均線上下波動，高溫試驗箱的溫度是(40±0.5)℃，機柜空調的制冷溫度點是25 ℃，回差是5 ℃。由此可知電池艙內的工作平均溫度約在(30±0.5)℃，與電池限功率工作溫度的最大差額在15 ℃以內。且此電池艙在24 h工作時間內只需充放電1次，則可知電池包平均工作溫度長期在(25±5)℃。儲能柜電池艙的空調散熱系統這一部分完全滿足熱設計要求。

圖7 電池艙中各檢測點與環境溫差

綜上可知，儲能柜組合式散熱系統能夠通過高溫熱測試試驗，達到設計要求。但對比熱仿真數據可知：組合式散熱系統中，配電艙風冷散熱系統仿真數據明顯低于高溫熱測試數據，電池艙中空調冷卻散熱系統仿真數據明顯高于高溫熱測試數據。造成以上偏差的原因如下：1)測試環境的誤差波動所致，如熱電偶的測量精度、高溫箱的溫度波動等；2)三相不平衡治理裝置SPC等采用風冷散熱裝置的熱損耗超過3%，理論偏離實際；3)進出風口過濾棉的實際風阻比理論數據大；4)電池包充放電的實際工作狀態不是穩定的線性關系，如虧電多比虧電少充電時實時功率相差很大；5)空調實際工作時的設置制冷溫度點和回風溫度差有一定的誤差，且空調制冷時，吹出冷風的溫度遠遠低于25 ℃(實測在11 ℃左右)。鑒于以上原因，建議：①高溫熱測試時，增加監測點，并做數據處理；②可實際測試常規過濾棉的風阻與風速關系，積累相關參數；③在測試過程中，可實時監測風冷散熱裝置和電池包的工作電壓電流等；④增加空調的送回風口的溫度實時監測，積累空調工作的相關經驗參數。

2 結語

高防護戶外儲能柜的組合式散熱系統設計過程可見，理論計算結合熱仿真設計，并輔以高溫熱測試試驗，可極大地縮短散熱系統的開發時間，提高研發的成功率。且在市場競爭日趨激烈的今天，組合式散熱系統相比傳統的單一散熱系統，其設計思路更加靈活可變，可發揮單一散熱系統各自的優勢，市場競爭力更加突出。