儲能鋰電池包強制風冷系統散熱設計及熱仿真分析

李岳峰, 黃文強, 王杭烽, 彭憲州, 項峰, 徐衛潘

(1. 浙江運達風電股份有限公司, 杭州 310012; 2. 浙江省風力發電技術重點實驗室, 杭州 310000)

近年來,世界各國都致力于可再生能源發電的開發和利用。可再生能源發電通過可再生的自然資源進行循環電力生產,具有清潔、高效、長久的巨大優勢。然而,由于可再生能源發電的波動性、間歇性和不可準確預測性,給現有電力系統運行帶來了巨大挑戰[1]。大規模儲能可有效消納可再生能源發電,從而在很大程度上提高入網效率,改善電力的削峰填谷和供需矛盾[2]。目前,電化學儲能模式占據了儲能市場的主導地位。同時,電池技術作為電化學儲能的核心,已經取得了飛速的發展。其中,鋰離子動力電池由于具有高電壓、低自放電率、高比能量、高循環性能和無污染等優點[3],越來越多具有更高能量密度的鋰電池逐漸被廣泛應用[4]。高能量密度的鋰離子電池需要執行嚴格的熱管理,這是因為其在充放電過程會產生大量熱量并使自身溫度升高[5],嚴重時極可能造成整個系統熱失控[6-7];同時,這也會加速電池老化,縮短使用壽命[8]。當前,電池系統主流的熱管理方式有兩種,即風冷和液冷。盡管液冷系統具備載熱量大、換熱效率高的先天優勢,但風冷系統因結構簡單、成本較低、安全性高等因素,在實際工程應用中更為廣泛。

多年來,國內外科研人員針對電池風冷熱管理開展了大量的研究工作。其中,關于電池自然風冷散熱結構的相關研究已經取得了豐碩的成果。許爽等[9]針對不同風孔尺寸及環境溫度下自然風冷散熱的鋰離子電池進行了數值模擬,研究發現當風孔大小與出口大小相近,且環境溫度越低時,電池散熱性能越好;劉顯茜等[10]設計并建立了進、出風口同向布置的鋰離子電池組自然風冷散熱模型,并對電池組溫升、溫差進行了仿真預測。他們發現減小充放電倍率或增大表面對流換熱系數可有效改善電池組溫度均勻性。利用相同的散熱模型,李淼林等[11]針對進風角度、出風角度和電池間距進行了基于正交試驗的多目標優化,并得出局部最優方案;田晟等[12]建立了自然散熱條件下快充鋰離子電池熱模型,通過仿真得到了不同環溫下電池的溫度分布,并在此基礎上進一步分析電池的熱應力分布;楊凱杰等[13]針對某型集裝箱電池模塊設計了進、出風口異向布置的自然風冷散熱模型并對其熱性能進行了分析,發現增加導流板寬度和布置角度可以降低電池散熱面的最高溫度和平均溫度;趙韓等[14]建立了鋰離子電池組自然風冷散熱結構的三維仿真模型,并提出了雙出口散熱通道的改進方案,結果表明電池組散熱效果明顯提高;張鑫等[15]研究了方形動力鋰電池“列”和“行”兩種排列方式對散熱的影響,結果顯示行排列最高溫度比列排列高,因此風冷流場設計建議以列方式為宜;李君等[16]采用紅外熱成像技術對鋰電池的熱特性進行了分析,他們通過實驗確定了自然風冷散熱下電池的最佳工作溫度是20～25 ℃;Fan等[17]探究了電池間隙對于自然風冷系統的影響,研究發現隨著電池間隙的增大,盡管電池表面最高溫升提高,但其溫度分布更加均勻;黃錫偉等[18]對比了自然冷卻時不同放電倍率下電池組的散熱情況,研究發現自然冷卻在電池高放電倍率工作時不再適用;Mahamud等[19]提出了一種采用循環氣流冷卻的電池熱管理新方法,數值結果顯示該方法可以減少4 ℃左右的電芯間溫差。

雖然自然風冷散熱具有原理簡單、操作便捷、成本較低的特點[20],但受限于自然送風的不可控性,往往冷卻效果較差,無法滿足工程中嚴格的溫升、溫差標準。強制風冷由于人為干預送風配風[21],利用風扇或者空氣泵來促進空氣流動,形成強制對流來強化傳熱[22],冷卻效果得到了極大的改善,因此在實際工程應用中顯示了極大的潛力。祝德春等[23]設計了一種“后端流入,前端流出”的強制風冷系統,并通過仿真獲得了較佳的電池單體間距值。呂超等[8]設計了一種鋰離子電池包強制風冷系統,即通過風扇和擋板輸送和調整氣流,并通過兩側長條孔和背部圓孔出風,仿真結果顯示該強制風冷結構能夠大幅度提高電池系統的散熱性能。姚鳳翔等[24]設計了一種“底部中心安裝風扇,頂部設通風孔”的強制風冷散熱系統,研究發現相比于自然風冷系統,該強制風冷系統有效降低了電池包整體溫度,但電池包溫度分布的均勻性仍有待優化改善。

綜合文獻調研發現:電池自然風冷散熱技術已相對成熟,但其仍具有一定的應用局限性;強制風冷散熱技術由于可以有效彌補上述缺陷,因此展現了極大的應用潛力。然而從目前來看,關于強制風冷散熱系統的相關研究仍然十分匱乏;且強制風冷系統散熱結構的設計和布置方案寥寥可數,亟須創新;同時,系統中諸如電池溫度均勻性等問題尚待優化解決。針對這些缺陷,現提出并設計一種“側向間隙進風,前端出風”的新型電池強制風冷散熱系統,并基于計算流體動力學技術研究進口速度、高度和溫度對于該強制風冷系統散熱性能的影響。以期為電池熱設計工作者提供一種全新的強制風冷散熱系統設計思路,同時也可以為實際工程應用提供數據參考。

1 數值模擬

1.1 物理模型

選取某儲能型電芯作為研究基礎單元。整個電池包由22個上述電芯單體組成,并采用2×11的順序排成左右對稱的兩列,電芯前后上下均設有固定端板,如圖1(a)所示。

圖1 電芯、進風口及內部風道結構示意圖Fig.1 The schematic of lithium-ions battery pack, inlet and internal air passage

電池強制風冷系統散熱結構設計為在電芯兩側間隙外設置矩形送風口,如圖1(a)所示。送風口寬高基準尺寸為8.8 mm×85 mm,兩側共有20個。在異列電芯間設置內部風道結構,如圖1(b)所示。內風道側邊與電芯相鄰,前端與風扇相鄰,用于匯集來自間隙的風量并排至風扇。在內風道前側設置風扇,及時排出電芯產熱。

1.2 計算模型和邊界條件

如圖2所示,計算域主要由電芯域(固體)、空氣域(流體)和風扇域(流體)組成。

圖2 計算域示意圖Fig.2 The schematic of computational domain

空氣域的長寬高尺寸為1 380 mm×500 mm×320 mm。圖2中綠色箭頭清晰地表示了電芯散熱模式,即來自送風口的冷氣流入間隙帶走電芯熱量并逐漸匯集到內風道中,最終由風扇排出。

計算邊界條件如表1所示。

表1 計算邊界條件Table 1 Computational boundary conditions

風扇的風壓-風量(P-Q)曲線如圖3所示。

圖3 風扇P-Q曲線圖Fig.3 P-Q curve of the fan

電芯視為發熱熱源,其單位體積產熱率為5 251 W/m3。采用流固耦合換熱壁面邊界處理條件。空氣密度采用Boussinesq假設。考慮電芯固體內部導熱的各向異性,電芯熱物性參數歸納于表2中。

表2 電芯熱物性參數Table 2 Thermal properties of cells

采用某商業軟件進行仿真計算,湍流模型選用Realizablek-ε模型。為確保數值求解收斂,將能量方程殘差收斂標準設定低于為1.0×10-7,連續性、湍流及動量方程殘差則低于1.0×10-5;同時,確保進出口流量差異低于0.5%,監測點溫度變化小于0.01 K。采用Coupled算法,同時將二階迎風格式應用于方程各項的離散。

1.3 網格劃分和無關性驗證

使用商業軟件ANSYS Fluent Meshing分別對流體區域和固體區域的網格進行劃分,生成多面體網格如圖4所示。其中,邊界層網格共設置12層,伸展率設為1.1,第一層網格高度為0.05 mm。

圖4 計算網格示意圖Fig.4 The schematic of computational mesh

表3列出了用于數值結果網格無關性測試的3組網格方案及預測結果。3組方案的網格數量差異主要位于電芯附近空氣域的加密程度。通過對某電芯單體表面平均溫度的預測發現,網格方案#2和#3預測結果相似,而#1與其差距較大。因此,綜合考慮計算準確性和成本,最終確定網格方案#2用于后續計算,其網格總數約為1 024萬。

表3 網格無關性測試方案及預測結果Table 3 The scheme of mesh independence test and corresponding prediction results

1.4 實驗驗證

為驗證仿真結果的準確性,制作了該強制風冷系統下的電池樣品,并對其進行了與仿真工況相對應的電池充放電實驗。實驗樣品及溫感線布置情況如圖5所示。

圖5 實驗電池包樣品圖Fig.5 Experimental lithium-ions battery

利用熱電偶監測了各電池頂部、側壁關鍵點處的溫度變化情況。表4記錄了實驗中溫感點充放電過程中出現的最高溫升和溫差數據,并與仿真結果進行對比。通過對比發現,仿真結果與實驗數據匹配良好,誤差在可接受的范圍之內。這表明本文模型和計算方法是可行的,熱仿真結果可以認為是較為準確的。

表4 實驗數據與仿真結果數據對比Table 4 Comparison of experimental and simulation results

2 結果與討論

2.1 不同進口速度下的散熱情況

首先探究在該強制風冷系統下,不同進口風速對于系統散熱的影響。其中,進口速度分別設定為2、3、4和5 m/s,入口溫度設置為25℃。為便于描述,將最前端電芯至最后端電芯依次編號為①～,如圖6(a)所示。

1～8表示8個溫度監測點圖6 不同進口速度下電芯表面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of the cell surface under different inlet velocity

圖6展示了不同進口風速下電芯表面的溫度分布。可以看出,隨著進口風速的增加,電芯表面整體溫度呈現下降的趨勢,散熱效果逐漸提升;電芯溫度最高的位置出現在①和處,這意味著最前端和最后端電芯是電池系統中的溫度敏感區。出現這一現象的具體原因將在后面詳細討論;相比于①和,電芯②～⑩表面溫度相對較低,同時溫度分布更加均勻。

為了深入探究電芯的溫度波動情況,圖7定量展示了電芯表面8個監測點處的溫升情況,其中虛線表示不同風速下的平均溫升。8個監測點的具體位置如圖6(a)所示。可以看出,最高溫升總是出現在監測點1和8,這兩個監測點正好位于最前端和最后端電芯表面;隨著監測點位置向中心轉移,溫升呈現下降的趨勢,溫升在監測點4、5和6的位置達到最低;隨著風速的增加,監測點平均溫升逐漸下降,這意味著電芯整體的散熱效果增加。同時,當速度每提升1 m/s時,平均溫升分別下降了21.8%、17.5%和16.25%,進口風速對于溫升的削弱效果逐漸減弱。

圖8展示了不同進口風速下電芯表面最大溫差變化情況。

圖8 不同進口速度下電芯間最大溫差對比Fig.8 Maximum temperature difference among the cells under different inlet velocity

可以看出,隨著風速增加,電芯表面溫差顯著降低,這意味著電芯表面的溫度分布更加均勻;當速度每提升1 m/s時,電芯間最大溫差分別下降了5.88%、35.42%和16.25%,進口風速對于溫差的削弱效果先增強后降低。

圖9 截面z=-0.11 m溫度及流線分布Fig.9 Temperature distribution with streamlines at z=-0.11 m

可以看出,電芯②～⑩由于雙間隙側向進風的優勢,在側邊通道內形成了大量的循環渦(如圖9中紅色虛線框中所示)。這些循環渦促進了冷氣的前后循環,因此與電芯表面對流換熱效果增強。而電芯①和由于單側間隙進風,循環渦沒有形成或強度較低,冷風與電芯表面對流換熱強度下降,因此導致端側電芯溫度偏高,散熱效果較差。當風速為2 m/s時,電芯①的外側無循環渦出現,冷氣循環不足導致該區域溫度較高,如圖9(a)中橢圓黑色虛線框所示。該高溫區域進而影響了電芯散熱,因此電芯①溫度偏高;隨著風速提升至3 m/s,循環渦出現并促進了冷氣循環,因此電芯①外側區域溫度降低,電芯溫度隨之下降,如圖9(b)所示;隨著風速進一步提升至4～5 m/s,循環渦向前端靠近并逐漸側移至電芯①大面,如圖9(c)和圖9(d)所示。伴隨著更多的冷氣轉移至此處,冷氣與電芯對流換熱面積顯著增加,因此電芯①溫度大幅度降低。對于電芯,決定其散熱效果的主要是位于內風道末端的內循環渦對,如黑色虛線方框所示。該循環渦對緊緊貼附于電芯內側表面,促進了冷氣內循環及其與電芯表面的對流換熱。隨著風速的增加,可以看到內循環渦對強度逐漸提升,并逐漸擴散至電芯⑩內側,因此電芯溫度顯著降低,散熱效果提升。

2.2 不同進口高度下的散熱情況

在原設計基準進風口尺寸(85 mm×8.5 mm)的基礎上,對進風口高度進行調整,進風口寬度保持不變,詳細尺寸參數見表5。速度保持為5 m/s,溫度設定為25 ℃。

表5 不同進口面積的幾何尺寸Table 5 Geometric parameters of different inlet area

圖10展示了不同進口高度下電芯表面的溫度分布。

圖10 不同進口高度下電芯表面溫度分布Fig.10 Temperature distribution of the cell surface under different inlet height

可以看出,隨著進口高度的增加,電芯表面整體溫度略微下降,散熱效果提升;進口高度變化對于電芯②～⑩的溫度影響較大,而對于電芯①和的影響相對較小;進口高度的增加使得電芯表面溫度的均勻性顯著提升。例如,工況3時,電芯③～⑨頂部溫度幾乎相同,表面溫度分布十分均勻。這是因為進口高度的增加提升了垂直送風范圍,因此送風均勻性及換熱強度有所提升。

圖11定量展示了電芯表面8個監測點處的溫升及平均溫升情況。可以發現,在不同進口高度下,監測點1和8仍是溫升最高的點;但相比于風速影響,進口高度變化對于點1和8的影響更小;隨著進口高度的增加,監測點平均溫升呈現下降的趨勢,電芯散熱效果增強。工況1～工況3的平均溫升分別下降了9.46%和2.99%,進口高度增加對于溫升的削弱效果逐漸減弱。

圖11 不同進口高度下電芯表面監測點溫升對比Fig.11 Comparison of temperature rise of the cell monitors under different inlet height

圖12展示了不同進口高度下電芯表面最大溫差變化情況。可以看出,隨著進口高度的增加,電芯表面溫差略微降低,電芯表面溫度分布更均勻;工況1～工況3,電芯間最大溫差分別下降了11.54%、8.70%,進口高度增加對于溫差的削弱效果逐漸減弱。

圖12 不同進口高度下電芯間最大溫差對比Fig.12 Maximum temperature difference among the cells under different inlet height

2.3 不同進口溫度下的散熱情況

最后探究在該強制風冷系統下,不同進口溫度對于散熱的影響。其中,進口溫度分別設定為15、20、25、30 ℃。入口速度固定為5 m/s,進風口設定為基準進風口尺寸。

圖13展示了不同進風溫度下電芯表面溫差分布。由于初始進風溫度不同,為便于比較,故采取溫差圖進行對比。可以看出,電芯表面整體溫差分布情況幾乎一致。

上述結論在圖14的監測點溫升對比中得到進一步的證明。可以看到,由于只有部分監測點溫度略有差異且差異很小,因此可以認為監測點的溫升基本一致,同時平均溫升也均為6.7 ℃。

圖14 不同進口溫度下電芯表面監測點溫升對比Fig.14 Comparison of temperature rise of the cell monitors under different inlet temperature

圖15展示了不同進口溫度下的最大溫差分布,可以看到不同進口溫度間的溫差僅相差0.1℃,因此也可以認為溫差基本一致。以上結論證明進口溫度的變化基本不會對電芯溫升和溫差產生影響,因此所提的強制風冷散熱系統對于進口氣體的溫度變化并不敏感。

圖15 不同進口溫度下電芯間最大溫差對比Fig.15 Maximum temperature difference among the cells under different inlet temperature

3 結論

設計了一種新型儲能鋰電池包強制風冷散熱系統,通過實驗測量驗證了數值仿真的準確性,接著深入探究了不同入口速度、高度及溫度下該強制風冷結構的散熱性能。結果如下。

(1)在該強制風冷系統下,電池溫度敏感區位于最前端和最后端電芯處。而循環渦的產生有助于改善該處溫升過高的情況;相比于端側電芯,位于中部的電芯表面溫度相對較低,且溫度分布更加均勻。

(2)進口速度的提升大幅度降低了電芯表面整體溫升和溫差。當速度每提升1 m/s時,平均溫升分別下降了21.8%、17.5%和16.25%,風速提升對于溫升的削弱效果逐漸減弱;電芯表面最大溫差降低率分別為5.88%、35.42%和16.25%,風速提升對于溫差的削弱效果先增強后降低。

(3)進口高度的增加略微降低了電芯表面整體溫升和溫差。工況1～工況3,平均溫升分別下降了9.46%和2.99%,最大溫差分別下降了11.54%、8.70%,高度增加對于溫升和溫差的削弱效果逐漸減弱。

(4)進口溫度的變化不會對電芯的溫升和溫差產生影響,因此強制風冷散熱系統對于進口氣體的溫度變化不敏感。