基于鉆井儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理仿真與風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目“先進(jìn)儲(chǔ)能與風(fēng)光氣電多能融合關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)及規(guī)范化應(yīng)用示范研究”（2022DJ5406）;寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司科研項(xiàng)目“鉆井柴儲(chǔ)節(jié)能及智慧能源管理裝置的研究與應(yīng)用”（BOMCO 2022-2802）。

鉆井儲(chǔ)能系統(tǒng)在油氣工業(yè)電氣化中具有重要作用。儲(chǔ)能電池作為核心部件存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理至關(guān)重要。為提高電能利用效率，促進(jìn)石油工業(yè)的能源替代和節(jié)能減排，解決集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部電池緊密排布且環(huán)境相對(duì)封閉而導(dǎo)致的溫升問(wèn)題，采用STAR-CCM軟件對(duì)鉆井儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行熱管理分析。通過(guò)建立系統(tǒng)的三維模型來(lái)提取傳熱和散熱路徑。運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真技術(shù)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)分析。通過(guò)CFD仿真技術(shù)成功分析了鉆井儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，識(shí)別出熱點(diǎn)區(qū)域并分析了溫升的原因。基于仿真結(jié)果，對(duì)風(fēng)道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效改善了電池排布區(qū)域的散熱條件，降低了系統(tǒng)的整體溫度。研究結(jié)果可為儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理設(shè)計(jì)提供重要參考依據(jù)。

鉆井儲(chǔ)能系統(tǒng)；熱管理；風(fēng)道結(jié)構(gòu)；計(jì)算流體力學(xué)仿真

TE928

A

003

Thermal Management Simulation and Air Duct Structure

Optimization Based on Drilling Energy Storage System

Zhao Yougui

（CNPC Greatwall Drilling Company）

The drilling energy storage system plays an important role in the electrification of oil and gas industry. As a core component，energy storage batteries have a risk of thermal runaway，and the thermal management of energy storage system is crucial. In order to improve the efficiency of electricity utilization，promote energy substitution and energy saving and emission reduction in the petroleum industry and solve the temperature rise problem caused by the tight arrangement of batteries inside the containerized battery energy storage system and the relatively closed environment，STAR-CCM software was used for thermal management analysis on the drilling energy storage system. A 3D model of the system was built to extract heat transfer and dissipation paths. Computational fluid dynamics （CFD） simulation technology was used for detailed analysis on the flow field and temperature field in the system，identifying hotspots and analyzing the reasons for temperature rise. Based on simulation results，optimization design was conducted on the air duct，which effectively improves the heat dissipation conditions in the battery arrangement area and reduces the overall temperature of the system. The research results provide important reference for the thermal management design of energy storage systems.

drilling energy storage system; thermal management;air duct structure; computational fluid dynamics

0 引 言

基于鉆井儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理仿真與風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個(gè)重要的研究課題。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，鉆井儲(chǔ)能系統(tǒng)在能源領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色。

在新型儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，石油電動(dòng)鉆機(jī)配備電化學(xué)儲(chǔ)能，將會(huì)更有效地利用電能^［1-3］，提升動(dòng)力電站效率，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)鉆機(jī)綜合能源管理。電池作為電化學(xué)儲(chǔ)能的核心部件，具有較大的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，因此從安全性角度看，儲(chǔ)能熱管理極具重要性^［4-7］。進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真及風(fēng)道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理效率和穩(wěn)定性具有重要意義。

集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)將電池、電池管理系統(tǒng)、交直流轉(zhuǎn)換裝置、熱管理系統(tǒng)及消防系統(tǒng)等集成在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，具有集成度高、占地面積小、存儲(chǔ)容量大、運(yùn)輸方便且易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較為廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)之一^［8-10］。集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)電池排布緊密且集裝箱環(huán)境相對(duì)封閉，電池?zé)崃咳菀准蹖?dǎo)致溫升過(guò)高，影響電池的壽命和使用性能。為了解決集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)電池溫升過(guò)高問(wèn)題，研究人員利用熱仿真技術(shù)進(jìn)行了集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理仿真及風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化。沈毅^［11］采用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）仿真技術(shù)進(jìn)行了集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)，提出在空調(diào)回風(fēng)口設(shè)置擋板的方案，可以使儲(chǔ)能系統(tǒng)溫度分布更加均勻。王曉松等^［12］通過(guò)CFD仿真研究了集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，通過(guò)在風(fēng)道內(nèi)加設(shè)導(dǎo)流板，并對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整來(lái)改善風(fēng)量分布，提高集裝箱內(nèi)氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的均勻性。D.P.DAVIES等^［13］利用Icepak軟件對(duì)集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的溫差和氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真研究，其設(shè)計(jì)的風(fēng)道在電池背部開(kāi)有小孔用于出風(fēng)，小孔上裝有手動(dòng)可調(diào)風(fēng)口，用以調(diào)節(jié)出風(fēng)口的風(fēng)量、大小及方向，實(shí)現(xiàn)均勻出風(fēng)，保證集裝箱內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性。

本文以鉆井儲(chǔ)能系統(tǒng)作為研究對(duì)象，使用STAR-CCM軟件對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行熱管理分析，確保在工作狀態(tài)下保持溫升和均溫性；從三維模型中提取傳熱散熱路徑，運(yùn)用CFD對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算；對(duì)修改后的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行最終校核，通過(guò)CFD仿真得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)量分配，溫度場(chǎng)等信息；最終通過(guò)對(duì)鉆井儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱仿真分析和風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，探討提高系統(tǒng)效率和性能的方法和途徑。研究結(jié)果可為鉆井儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)，推動(dòng)鉆井儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1 模型描述

1.1 電池包幾何及網(wǎng)格模型

電池包幾何模型包含了包內(nèi)空調(diào)機(jī)組風(fēng)道、PACK安裝架、電芯、模組結(jié)構(gòu)、上下箱體等重要導(dǎo)熱部件。本文構(gòu)建的仿真模型與電池包實(shí)際模型保持一致。儲(chǔ)能電池柜與電池包示意圖如圖1所示。

網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響到計(jì)算精度，模型網(wǎng)格的合理劃分是CFD仿真計(jì)算的前提。CFD仿真區(qū)別于傳統(tǒng)的有限元仿真，核心要點(diǎn)在于網(wǎng)格需要對(duì)幾何邊界進(jìn)行合理捕捉，并且合理分配單元尺寸和數(shù)量以減小總體計(jì)算量，在具有流體流動(dòng)的區(qū)域要求空間網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，在固體傳熱區(qū)域可以適當(dāng)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加大。Trim網(wǎng)格形式具有空間流動(dòng)捕捉好，求解效率高等優(yōu)勢(shì)，因此空氣區(qū)域網(wǎng)格類型采用Trim網(wǎng)格，狹窄區(qū)域和部分固體區(qū)域采用thinmesh的網(wǎng)格，在流體邊界用prism layer類型的網(wǎng)格用于捕捉邊界流動(dòng)，總體的體網(wǎng)格數(shù)量為9 300萬(wàn)左右。儲(chǔ)能電池柜網(wǎng)格分布情況如圖2所示。

1.2 仿真數(shù)學(xué)模型

流體傳熱過(guò)程都受物理守恒定律制約。基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律等。

質(zhì)量守恒定律：

動(dòng)量守恒定律：

能量守恒定律：

式中：ρ為密度，g/cm³；t為時(shí)間，s；u為速度矢量，m/s；c為比熱容，J/（kg·K）；T為溫度，K；k為流體的傳熱系數(shù)，W/（m·K）；Q為流體的內(nèi)熱源，W/m³；為散度運(yùn)算符；p為流體的壓力，Pa;μ為湍流黏度，Pa·s。

1.3 模型參數(shù)

由于計(jì)算的是電池包傳熱，需要提供材料熱屬性參數(shù)。材料熱屬性參數(shù)如表1所示。

電池包基本信息為：電壓76.8 V，容量320 A·h ，每個(gè)電池包48個(gè)電芯。電池柜總共包含4簇電池堆，每簇包含13個(gè)上述電池包和1個(gè)高壓箱，一共52個(gè)電池包，4個(gè)高壓箱。電芯參數(shù)如表2所示。求解模型采用k-ε real流動(dòng)模型。

1.4 邊界條件

邊界條件描述如下。

（1） 空氣模型邊界條件：考慮空氣密度變化帶來(lái)的浮力效應(yīng)。

（2） 入口、出口邊界條件：入口采用帶入口溫度的流量入口邊界；出口采用0壓出口邊界。

（3） 電芯熱源邊界條件：電池為唯一熱源，發(fā)熱量為電池包內(nèi)電芯的發(fā)熱量，且電池芯體當(dāng)作體積熱源，發(fā)熱均勻。

（4） 風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)邊界條件：采用單面的階躍風(fēng)扇模型，風(fēng)扇的壓力-風(fēng)量特性曲線如圖3所示。

仿真過(guò)程中，在每個(gè)電池包內(nèi)布置了24個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一共布置24×52個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)記錄各監(jiān)控點(diǎn)的溫度變化情況。電池包測(cè)溫點(diǎn)示意圖如圖4所示。監(jiān)控點(diǎn)位于電芯頂部中間位置，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量比實(shí)際模型的采樣點(diǎn)多，更加能代表全局的最高溫度與全局溫差。

2 分析工況及目標(biāo)定義與分解

2.1 分析工況

根據(jù)電池的傳熱及產(chǎn)熱機(jī)理，電池溫度的變化是電池的產(chǎn)熱以及外界環(huán)境共同作用下產(chǎn)生的結(jié)果，分析工況如下。

（1）工作模式：本次分析一共分析4種工作模式，即頂部4臺(tái)空調(diào)機(jī)組任意1臺(tái)停機(jī)狀態(tài)。

（2）空調(diào)機(jī)組：按照空調(diào)機(jī)組的入出口進(jìn)行定義，單空調(diào)機(jī)組流量104.7 m³/min，每個(gè)工況下3臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行總風(fēng)量3×104.7 m³/min。

（3）溫度：空調(diào)入口溫度20 ℃，電芯初始溫度為20 ℃。

（4）電池包總發(fā)熱量65 kW。

（5）分析時(shí)間：電池包2C（C為電池充放電能力倍率）放電持續(xù)1 800 s。

2.2 目標(biāo)定義與分解

電池間與設(shè)備間整體風(fēng)量匹配情況按系統(tǒng)的熱負(fù)荷占比進(jìn)行分配，如表3所示。操作室風(fēng)量分配為20 kW，占比23.5%；設(shè)備間的熱源主要為儲(chǔ)能變流器較為穩(wěn)定，擬定所有工況都要求≥23.5%；此時(shí)電池間風(fēng)量為76.5%（240.3 m³/min），大于61.6%（193.5 m³/min）的電池間冷卻需求風(fēng)量。

這里的1級(jí)目標(biāo)主要是電池間與設(shè)備間的風(fēng)量匹配和電芯整體溫差≤10 ℃。為了便于目標(biāo)的過(guò)程目標(biāo)控制和系統(tǒng)問(wèn)題的解耦優(yōu)化以提升優(yōu)化效率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)此儲(chǔ)能柜目標(biāo)按表4分解。

根據(jù)風(fēng)道的送風(fēng)設(shè)計(jì)構(gòu)想，按照每個(gè)電池簇對(duì)風(fēng)量的需求對(duì)終端風(fēng)道出風(fēng)量目標(biāo)定義如表5所示，電池間送風(fēng)口情況如圖5所示。

為了便于后續(xù)結(jié)果處理，對(duì)機(jī)組進(jìn)行編號(hào)，為1～4；對(duì)出風(fēng)口進(jìn)行左（L）右（R）和1～5小風(fēng)口進(jìn)行編號(hào)，如圖6所示。工況1～4即分別對(duì)應(yīng)機(jī)組1～4對(duì)應(yīng)停機(jī)。

3 風(fēng)道優(yōu)化

由于基于整個(gè)儲(chǔ)能電池柜的直接溫度場(chǎng)優(yōu)化計(jì)算量太大，擬先進(jìn)行獨(dú)立風(fēng)道的流場(chǎng)優(yōu)化^［14-17］，待風(fēng)道的配風(fēng)量和氣流結(jié)構(gòu)優(yōu)化好后再進(jìn)行整柜級(jí)的微調(diào)。

3.1 原始風(fēng)道結(jié)果分析

由于初始出風(fēng)口一邊只有5個(gè)，所以按照5個(gè)風(fēng)口進(jìn)行了流量分配校核；風(fēng)口命名順序與最終優(yōu)化后的6個(gè)風(fēng)口命名順序一致；風(fēng)口3、4合并成風(fēng)口3；依次類推。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見(jiàn)表6）可以看出：原始設(shè)計(jì)的總流量不滿足于≥193.5 m³/min預(yù)設(shè)目標(biāo)，4號(hào)停機(jī)狀態(tài)下風(fēng)量最小為129.4 m³/min；左右大風(fēng)口的流量分配不均勻。總體來(lái)說(shuō)，左側(cè)出風(fēng)口流量偏大，每個(gè)出風(fēng)小口存在流量問(wèn)題，L5號(hào)口流量偏低較多，需要進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。

從出風(fēng)口速度分布云圖（見(jiàn)圖7）來(lái)看，L3號(hào)口流量偏大，其他口也存在不均勻情況。在不同的工況下，表現(xiàn)的流量分配差異較大，因此原始設(shè)計(jì)不滿足流量設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。

從空間氣流組織形態(tài)（見(jiàn)圖8）來(lái)看，原始設(shè)計(jì)存在以下問(wèn)題：大量氣流從設(shè)備間風(fēng)口流出是電池倉(cāng)送風(fēng)不夠的主要原因；風(fēng)道內(nèi)的“人”形導(dǎo)流板不能均分氣流，從機(jī)組出來(lái)的風(fēng)并不是均勻風(fēng)；小出風(fēng)口出現(xiàn)了導(dǎo)向不佳問(wèn)題，風(fēng)口出風(fēng)沖擊壁面不利于導(dǎo)入電池架。

3.2 風(fēng)道優(yōu)化方案說(shuō)明

基于原始風(fēng)道存在的電池間風(fēng)量不足，出風(fēng)口配風(fēng)量不均勻以及空間氣流組織不佳的問(wèn)題，對(duì)風(fēng)道進(jìn)行7點(diǎn)更改優(yōu)化，詳見(jiàn)圖9。其中第2點(diǎn)設(shè)備間的風(fēng)口大小調(diào)試經(jīng)過(guò)多輪調(diào)試確定了最終值。

3.3 風(fēng)道優(yōu)化結(jié)果

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，工況1～4設(shè)備間的出風(fēng)量均保證≥23.5%的設(shè)計(jì)要求，其中工況1狀態(tài)下設(shè)備間出風(fēng)比例最低為23.5%，工況4狀態(tài)的設(shè)備間出風(fēng)量最大達(dá)到了29.7%。主要原因是該工況下電池間正上方的空調(diào)機(jī)組處于備用狀態(tài)，該機(jī)組工作時(shí)對(duì)電池間的貢獻(xiàn)最大，備用時(shí)電池間風(fēng)量較其他工況要下降。因此，工況1～4設(shè)備間的出風(fēng)量均符合設(shè)計(jì)要求，工況4為電池間的最惡劣工作模式。

從電池間的出風(fēng)口風(fēng)量匹配結(jié)果分析得知，工況1～4左右兩邊的風(fēng)量配比均在50%附近，左右整體的風(fēng)量分配設(shè)計(jì)合理。左右兩側(cè)的小出風(fēng)口在不同的工況下會(huì)有部分偏離。其中：工況1中的L3口流量偏大；工況2中的L3口流量也偏大；工況3中的L1口流量偏低，L3、 L4口的流量偏大。主要原因是工況模式的不同會(huì)造成不同的流場(chǎng)差異。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看流量的偏離量較小，滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)量分配及均溫性設(shè)計(jì)要求。

從4個(gè)工況小風(fēng)口的速度分布云圖（見(jiàn)圖10）來(lái)看，雖然各工況下的速度變化略有差異，但是并沒(méi)有出現(xiàn)局部風(fēng)速異常過(guò)大和死流區(qū)分布的情況，進(jìn)一步說(shuō)明了目前的流量分布滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)量分配設(shè)計(jì)要求。

從圖11可知：新的分流模式讓電池間的配風(fēng)量和氣流速度得到顯著提升；由于出風(fēng)口進(jìn)行了導(dǎo)流優(yōu)化，頂部出風(fēng)氣流不會(huì)直接撞擊壁面，送風(fēng)的風(fēng)向垂直向下，具有較優(yōu)的流場(chǎng)形態(tài)。

4 儲(chǔ)能柜溫度場(chǎng)結(jié)果分析

4.1 全局風(fēng)量分配分析

整柜的配風(fēng)量結(jié)果與風(fēng)道優(yōu)化結(jié)果一致，滿足設(shè)計(jì)要求。也證明了風(fēng)道可以進(jìn)行獨(dú)立優(yōu)化，并不會(huì)影響整柜風(fēng)量分配結(jié)果。

各工況下的電池間送風(fēng)口速度分布云圖如圖12所示。由圖12可知，雖然各工況下的速度變化略有差異，但是并沒(méi)有出現(xiàn)局部風(fēng)速異常過(guò)大和死流區(qū)分布的情況。這進(jìn)一步說(shuō)明了目前的流量分布雖然有部分工況與目標(biāo)有小的偏差，但是并無(wú)速度分布極端不合理情況，可以保持當(dāng)前設(shè)計(jì)。

4.2 全局溫度分析

全局溫度統(tǒng)計(jì)如表7所示。由表7可知，4個(gè)工況下電池柜在工況結(jié)束時(shí)最高溫度均不超過(guò)35 ℃，全局最大溫差7.3 ℃，滿足≤10 ℃設(shè)計(jì)目標(biāo)；作為1級(jí)目標(biāo)的均溫性滿足設(shè)計(jì)要求，目前風(fēng)道的設(shè)計(jì)合理，滿足驗(yàn)收要求。

圖13為不同工況下溫差分布柱狀圖。從簇內(nèi)溫差和全局溫差來(lái)看，全局溫差基本與其中某簇內(nèi)溫差一致，簇間的溫差并沒(méi)有進(jìn)一步提升。工況1～3下，全局溫差與簇2基本一致，說(shuō)明這3種工況下流場(chǎng)形態(tài)基本一致；工況4為電池間頂部風(fēng)機(jī)停機(jī)，氣流組織分布和風(fēng)量分配均與其他工況有差異，全局溫差與簇4一致。雖然工況流場(chǎng)有變化，但是均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 具體工況結(jié)果分析

由于工況4的電池間風(fēng)量分配最低，為電池間的最惡劣工況，擬先進(jìn)行工況4的詳細(xì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分析；其他工況與工況4類似。

對(duì)每個(gè)電池簇內(nèi)的電池包按照1～13號(hào)進(jìn)行編號(hào)以便于具體分析，編號(hào)情況如圖14所示。

工況4全局最大溫差為6.98 ℃，與簇1內(nèi)的溫差6.92 ℃差不多。從溫度曲線（見(jiàn)圖15）來(lái)看，各簇的最高溫度趨勢(shì)基本一致，溫差的差異主要是低溫值不一樣引起。低溫的差異性原因是不同的電池簇的最大冷卻流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不一致。

由圖16每簇的電池包溫差特性來(lái)看簇3簇4內(nèi)的溫差特性趨于一致，電池包11～13號(hào)、1～4號(hào)溫差較其他電池包稍大，這些電池包均處于電堆簇的中下方。

簇2整體溫差較其他簇好，溫差高的偏重與11～13號(hào)與1～3號(hào)，與3、4簇內(nèi)相比5、6、7號(hào)包的溫差也偏高。

簇1內(nèi)8～13號(hào)的平均溫差明顯比另一側(cè)1～7號(hào)的大，與其他簇的表現(xiàn)情況均不相同。

圖17為整體流線圖與儲(chǔ)能柜溫度分布圖。從圖17可見(jiàn)，為了保證操作室的冷卻流量，機(jī)組1、2的部分氣流從操作室的頂部風(fēng)口流出。該氣流的整體偏轉(zhuǎn)較大，主要是因?yàn)槌鲲L(fēng)口有導(dǎo)向百葉窗結(jié)構(gòu)。電池間的風(fēng)從中間直吹下來(lái)后，上方出風(fēng)方向合理并無(wú)偏向一側(cè)或者直接撞擊側(cè)壁的現(xiàn)象。下方會(huì)出現(xiàn)少量逃逸，即電池間的送風(fēng)氣流在下部會(huì)往兩側(cè)流出。主要原因是整體機(jī)組的送風(fēng)量大于電池包小風(fēng)扇的冷卻吸風(fēng)量，多余的氣流會(huì)往兩側(cè)溢出。

在設(shè)備間與電池間的隔離墻頂部留有回風(fēng)口，送入電池室的多余氣流可以通過(guò)該處的回風(fēng)口進(jìn)行回風(fēng)，保證了空調(diào)機(jī)組的正常回風(fēng)。

圖18為整體流線圖與電芯溫度分布圖。從電池包的整體溫度分布來(lái)看，頂部電池包的高溫區(qū)并不是分布在電池包的中間位置，而是分布在靠近2個(gè)頂部出風(fēng)口之間外側(cè)區(qū)域。主要原因是頂部剛從風(fēng)口出來(lái)的氣流速度較大，被電池包小風(fēng)扇吸入的難度大。氣流達(dá)到下部后隨著速度下降后則可以正常吸入。

圖19為各層電芯溫度與截面速度矢量合成圖。最頂部電池包為第1層，依次類推最低層為第7層。從圖19可以看出：第1層的電池包最高溫處于頂部出風(fēng)口臨近一側(cè)，這是由于出風(fēng)口速度大，很難吸入，造成靠近側(cè)高溫；隨著氣流降速，2～3層的電池包有一部分最高溫慢慢轉(zhuǎn)移到電池包中央，為正常散熱的溫度分布表征形態(tài)；4～7層的電池包最高溫基本全在中間位置。

工況1全局最大溫差為7.32 ℃，與簇4內(nèi)的溫差相同。工況2全局最大溫差為7.31 ℃，靠近簇1內(nèi)的溫差值。工況3全局最大溫差為7.35 ℃，與簇1內(nèi)的溫差靠近。各工況均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

某日現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)鉆井儲(chǔ)能系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）對(duì)電池簇及電池單體溫度情況進(jìn)行檢測(cè)，分析記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖20和圖21所示。從圖20和圖21可以看出，隨著整個(gè)電池的剩余電量（State of Charge，SOC）數(shù)值的增加，電池堆單體和電池簇溫度也會(huì)隨之上升，電池堆單體及電池簇的最高溫度均在30 ℃以內(nèi)，電池堆單體及電池簇溫度差均在10 ℃以內(nèi)。

6 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)原始風(fēng)道的優(yōu)化，提升了風(fēng)道風(fēng)量分配均勻性和出風(fēng)氣流組織，具有更好的導(dǎo)向性。使得風(fēng)道設(shè)計(jì)在工況1～4滿足設(shè)備間風(fēng)量≥23.5%和電池間風(fēng)量≥193.5 m³/min的設(shè)計(jì)要求。

（2）電池間的出風(fēng)口風(fēng)量匹配均勻，工況1～4中2個(gè)電池堆分量配比均在50%附近，整體的風(fēng)量配比設(shè)計(jì)合理。

（3）全局溫度在4個(gè)工況運(yùn)行結(jié)束時(shí)電池最高溫度均不超過(guò)35 ℃。其中工況1最高溫度34.4 ℃，工況2最高溫度34.5 ℃，工況3最高溫度34.4 ℃，工況4最高溫度34.6 ℃。

（4）全局最大溫差為7.3 ℃，滿足最大溫差≤10 ℃均溫性目標(biāo)。其中工況1～3最大溫差7.3 ℃，工況4最大溫差7.0 ℃，

（5）風(fēng)道設(shè)計(jì)滿足任意一個(gè)空調(diào)機(jī)組備用時(shí)設(shè)備間與電池間風(fēng)量配比需求及儲(chǔ)能系統(tǒng)均溫性要求。

（6）鉆井儲(chǔ)能系統(tǒng)采用所述熱管理仿真及風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)后，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況良好，最高溫度及溫差均在合適范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 彭東慶．客車產(chǎn)品戰(zhàn)略規(guī)劃初探［J］．機(jī)電技術(shù)，2018（2）：110-113．

PENG D Q. Preliminary Exploration of strategic planning for bus products［J］. Mechanical amp; Electrical Technology，2018（2）： 110-113.

［2］ 紀(jì)律律．苯胺類衍生物聚合物的制備及其鋰電池正極材料性能研究［D］．杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2016．

JI L L. Polyaniline Derivatives as cathode materials for lithium ion batteries： preparation and properties［D］. Hangzhou： Zhejiang University of Technology，2016.

［3］ 高新穎．鈉離子電池正極材料儲(chǔ)能機(jī)理的第一性原理研究［D］．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2020．

GAO X Y. First-principles calculations of the energy storage mechanisms of the cathode materials for sodium ion batteries［D］. Changchun： Jilin University，2020.

［4］ 陳澤宇，熊瑞，孫逢春．電動(dòng)汽車電池安全事故分析與研究現(xiàn)狀［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2019，55（24）：93-104，116．

CHEN Z Y，XIONG R，SUN F C. Analysis and research status of safety accidents in electric vehicle batteries［J］. Journal of Mechanical Engineering，2019，55（24）： 93-104，116.

［5］ 王震坡，袁昌貴，李曉宇．新能源汽車動(dòng)力電池安全管理技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)分析［J］．汽車工程，2020，42（12）：1606-1620．

WANG Z P，YUAN C G，LI X Y. An analysis on challenge and development trend of safety management technologies for traction battery in new energy vehicles［J］. Automotive Engineering，2020，42（12）： 1606-1620.

［6］ 郝明晟，李印實(shí)，何雅玲．質(zhì)子交換膜燃料電池催化層模型研究進(jìn)展與展望［J］．科學(xué)通報(bào)，2022，67（19）：2192-2211．

HAO M S，LI Y S，HE Y L. Model of catalyst layers for proton exchange membrane fuel cells： progress and perspective［J］. Chinese Science Bulletin，2022，67（19）： 2192-2211.

［7］ 王從飛，曹鋒，李明佳，等．碳中和背景下新能源汽車熱管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．科學(xué)通報(bào)，2021，66（32）：4112-4128．

WANG C F，CAO F，LI M J，et al. Research status and future development of thermal management system for new energy vehicles under the background of carbon neutrality［J］. Chinese Science Bulletin，2021，66（32）： 4112-4128.

［8］ 朱運(yùn)征，李志強(qiáng)，王浩，等．集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)用梯次利用鋰電池組的一致性管理研究［J］．電源學(xué)報(bào)，2018，16（4）：80-86．

ZHU Y Z，LI Z Q，WANG H，et al. Research on consistency management of echelon use of li-ion battery pack for container-type energy storage system［J］. Journal of Power Supply，2018，16（4）： 80-86.

［9］ 游峰，錢艷婷，梁嘉，等．MW級(jí)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)研究［J］．電源技術(shù)，2017，41（11）：1657-1659．

YOU F，QIAN Y T，LIANG J，et al. Research on MW level containerized battery energy storage system［J］. Chinese Journal of Power Sources，2017，41（11）： 1657-1659.

［10］ 房凱，孫威，徐少華，等．箱式一體化儲(chǔ)能系統(tǒng)研究概述［J］．電器與能效管理技術(shù)，2017（7）：69-72．

FANG K，SUN W，XU S H，et al. Summary of box integrated energy storage system research［J］. Low Voltage Apparatus，2017（7）： 69-72.

［11］ 沈毅．集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱分析及優(yōu)化［J］．電子世界，2017（11）：29-30．

SHEN Y. Thermal analysis and optimization of containerized energy storage systems［J］. Electronics World，2017（11）： 29-30.

［12］ 王曉松，游峰，張敏吉，等．集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)值仿真模擬與優(yōu)化［J］．儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2016，5（4）：577-582．

WANG X S，YOU F，ZHANG M J，et al. Numerical simulation and parametric optimization on the container type energy storage system［J］. Energy Storage Science and Technology，2016，5（4）： 577-582.

［13］ DAVIES D P，ADCOCK P L，TURPIN M，et al. Stainless steel as a bipolar plate material for solid polymer fuel cells［J］. Journal of Power Sources，2000，86（1/2）： 237-242.

［14］ 張子峰，王林，陳東紅，等．集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱及抗震性研究［J］．儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（6）：642-648．

ZHANG Z F，WANG L，CHEN D H，et al. Cooling and aseismicity study of the containerized energy storage systems［J］. Energy Storage Science and Technology，2013，2（6）： 642-648.

［15］ 胡長(zhǎng)斌，劉 超，羅珊娜，等.海上油氣平臺(tái)不穩(wěn)定電源與儲(chǔ)能聯(lián)合配置優(yōu)化策略［J］.中國(guó)海上油氣，2024，36（1）：143-155.

HU C B，LIU C，LUO S N，et al.Joint configuration optimization strategy of unstable power supply and energy storage for offshore oil and gas platforms［J］.China Offshore Oil and Gas，2024，36（1）：143-155.

［16］ 劉小燕，韓旭亮，秦夢(mèng)飛.漂浮式風(fēng)電技術(shù)現(xiàn)狀及中國(guó)深遠(yuǎn)海風(fēng)電開(kāi)發(fā)前景展望［J］.中國(guó)海上油氣，2024，36（2）：233-242.

LIU X Y，HAN X L，QIN M F.Current status of floating wind power technology and prospects for China，s deep sea wind power development［J］.China Offshore Oil and Gas，2024，36（2）：233-242.

［17］ 張中慧，鄭強(qiáng)，劉曉玲， 等. 抽油機(jī)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)［J］. 石油鉆采工藝，2023，45（6）：766-772.

ZHANG Z H， ZHENG Q， LIU X L， et al. Supercapacitor energy storage system for pumping units［J］. Oil Drilling amp; Production Technology， 2023， 45（6）： 766-772.

趙友貴，高級(jí)工程師，出生于1979年，2002年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事石油鉆井裝備管理工作。地址：（100101）北京市朝陽(yáng)區(qū)。email：zhaoyoug.gwdc@cnpc.com.cn。