中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司 沈 毅

集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱分析及優(yōu)化

中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司 沈 毅

本文研究了某大型集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，針對采用空調(diào)進(jìn)行通風(fēng)降溫的實(shí)際應(yīng)用情況，提出在空調(diào)回風(fēng)口采用擋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文將實(shí)測與數(shù)值仿真相對比，驗(yàn)證了數(shù)值仿真的可靠性，并通過數(shù)值仿真模擬了優(yōu)化結(jié)果。研究顯示，此結(jié)構(gòu)不僅使Pack處于合理的工作溫度，且整個(gè)集裝箱的Pack溫度分布更為均勻，能滿足實(shí)際工程使用的需要。

回風(fēng)口；Fluent；Hypermesh；溫度；數(shù)值仿真

前言

目前，集裝箱式的儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。但其電池Pack對溫度環(huán)境較為敏感，系統(tǒng)在充放電過程中產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致溫度上升，影響電池性能，在采用大倍率進(jìn)行放電時(shí)，這一問題更為突出[1]。而且集裝箱內(nèi)溫度分布不均勻，也會(huì)影響Pack的充放電SOC及壽命。本系統(tǒng)采用360個(gè)Pack通過串并聯(lián)進(jìn)行連接，Pack數(shù)量較多，箱體內(nèi)的Pack溫度分布差異是產(chǎn)品開發(fā)中必須考慮的一個(gè)重要因素。

為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，須進(jìn)行冷卻措施，滿足Pack的正常工作環(huán)境溫度。根據(jù)工程實(shí)際需要，集裝箱內(nèi)電池的溫度控制在295K～313K。查閱各種文獻(xiàn)[2]-[6]及實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，目前較為經(jīng)濟(jì)可靠的冷卻方式是通風(fēng)散熱，因此國內(nèi)外在冷卻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方面進(jìn)行了重點(diǎn)的研究。本文通過實(shí)測發(fā)現(xiàn)集裝箱Pack內(nèi)溫度分布均勻及空調(diào)運(yùn)行狀況的相互關(guān)聯(lián)，繼而用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，分析集裝箱結(jié)構(gòu)缺陷，并提出優(yōu)化改進(jìn)意見。

1.實(shí)測數(shù)據(jù)及分析

為了接下來更好地進(jìn)行描述，特對集裝箱內(nèi)Pack進(jìn)行編號(hào)，見圖1。

圖1 集裝箱內(nèi)集裝箱內(nèi)Pack編號(hào)示意圖

本實(shí)測中，集裝箱中有4臺(tái)空調(diào)，空調(diào)設(shè)置為制冷模式，制冷啟動(dòng)溫度22℃；如未開啟制冷模式，空調(diào)則啟動(dòng)通風(fēng)模式。

整個(gè)集裝箱采用1C連續(xù)充及連續(xù)放電，放電末端，通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為直觀的體現(xiàn)溫度分布情況，每個(gè)Pack用長方體表示，每個(gè)module上有兩個(gè)溫度采樣點(diǎn)，放電末端整個(gè)集裝箱的實(shí)測溫度見圖2。

在實(shí)測過程中，出現(xiàn)空調(diào)2、3只能開啟通風(fēng)模式的狀況。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，每個(gè)Pack溫度分布不均的現(xiàn)象較為明顯，Bank1、2、4的溫差現(xiàn)象相較Bank3更為突出，有待改善。

2.集裝箱熱分析數(shù)值模擬

文章分析過程中，主要傳熱方式為對流換熱及固體間的熱傳導(dǎo)。計(jì)算過程中，采用K～e湍流模型，其經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值分別分別如下：Cμ=0.09，Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cε3=1.44，Cε4=-0.33，Prε=1.219。這里不再寫出N-S方程組、離散方法及相對應(yīng)的計(jì)算方法，只列出本研究中采用的邊界條件及計(jì)算方法。

本研究中只有一種發(fā)熱體：電芯發(fā)熱。電池的實(shí)際產(chǎn)熱情況十分復(fù)雜，為了減少電池溫度場相關(guān)數(shù)值的復(fù)雜性，在仿真計(jì)算時(shí)，對電池進(jìn)行如下簡化：①組成電池的各種材料介質(zhì)均勻，密度一致，同一材料的比熱容為同一數(shù)值，同一材料在同一方向各處的熱導(dǎo)率相等；②組成電池材料的比熱容和熱導(dǎo)率不受溫度和SOC的變化影響；③電池充放電時(shí)，電池內(nèi)核區(qū)域各處電流密度均勻，生熱速率一致。

2.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件

分析過程中，集裝箱內(nèi)安裝了空調(diào)進(jìn)行冷卻，并在集裝箱內(nèi)設(shè)置了空調(diào)風(fēng)道，空調(diào)風(fēng)量為3000m3/h，空調(diào)設(shè)置啟動(dòng)溫度為295K，故簡化模型，入口采用速度入口（2.57m/s），進(jìn)風(fēng)溫度為295K；每個(gè)空調(diào)有一個(gè)對應(yīng)的回風(fēng)口，在本研究中，回風(fēng)口簡化為outflow。集裝箱外側(cè)設(shè)置為自然對流狀態(tài)，對流換熱系數(shù)為10；其余集裝箱內(nèi)所有氣固耦合面都設(shè)置為非滑移面固壁處理。

圖2 實(shí)測溫度分布云圖

在考慮集裝箱內(nèi)電池Pack真實(shí)幾何特征的情況下，電池Pack主要做如下簡化：真實(shí)的電池Pack采用風(fēng)扇進(jìn)行氣體冷卻，風(fēng)扇安裝于Pack的出風(fēng)口處。風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)對于Pack箱體內(nèi)的流場產(chǎn)生的影響很少。因此在進(jìn)行有限元模擬時(shí)，風(fēng)扇處采用Fan邊界條件，風(fēng)壓為280.2Pa。對集裝箱、電池Pack、風(fēng)道以及集裝箱內(nèi)空氣即固體域和流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分[7]并設(shè)置邊界條件，具體如下圖所示：

圖3 集裝箱內(nèi)固體網(wǎng)格劃分情況

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

從流場分析圖4可以知道，每個(gè)Rack的風(fēng)速出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象。Bank1空調(diào)的冷風(fēng)直接流向了2號(hào)回風(fēng)口處，3號(hào)空調(diào)的回風(fēng)口近Bank4，Bank4的空調(diào)冷風(fēng)直接流向了3號(hào)回風(fēng)口處。導(dǎo)致空調(diào)2、3號(hào)檢測的是吹出來的冷風(fēng)，不開啟制冷模式。

圖4 集裝箱氣體速度矢量圖

圖5 電池Pack溫度分布云圖

通過對比圖2與圖5，云圖與實(shí)測數(shù)據(jù)的溫度分布情況較為吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬中各種邊界條件設(shè)置的可靠性。通過Fluent數(shù)值分析與實(shí)測分析可以知道，溫度相對較高的Rack，風(fēng)速比較小，空氣流通慢，這是導(dǎo)致Bank內(nèi)Rack溫度不均的主要原因?？照{(diào)2、3檢測的是吹出來的冷風(fēng)，故不開啟制冷模式。為使空調(diào)同時(shí)開啟制冷狀態(tài)，得到更好地利用，在回風(fēng)口附近加上擋板，改變集裝箱內(nèi)流體流場。

圖6 優(yōu)化后集裝箱內(nèi)固體網(wǎng)格劃分

圖7 添加擋板后氣體速度矢量圖

圖8 添加擋板后Pack溫度分布云圖

2.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型及分析

為了更好的利用空調(diào)，在回風(fēng)口處加上擋板，改變風(fēng)的路徑，從而降低集裝箱內(nèi)最高溫度及溫度差。集裝箱內(nèi)固體網(wǎng)格劃分情況如圖6所示。

圖7為添加擋板以后的集裝箱內(nèi)氣體速度矢量圖，對比圖4可以知道，添加擋板以后，一部分空氣從下端進(jìn)行了回流，每個(gè)rack的流場一致性有了更好的改善。圖8為添加擋板以后的溫度分布云圖，整體黃色區(qū)域得到了減少，溫差減少；從溫度云圖的溫度數(shù)值上可以知道，集裝箱內(nèi)電池Pack的最高溫度有了一定的減少。

綜上所述，本集裝箱中，采用風(fēng)道的情況下，在每個(gè)Bank兩側(cè)加裝擋風(fēng)板不僅能使空調(diào)有效的檢測環(huán)境溫度進(jìn)行制冷模式，而且可有效的冷卻電池，使集裝箱內(nèi)Pack溫度分布差異得到緩解。

3.結(jié)論

通過實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)由于回風(fēng)口處流場的原因，集裝箱內(nèi)空調(diào)不能同時(shí)采用制冷模式，空調(diào)不能有效的得到利用。提出了在集裝箱內(nèi)加裝擋風(fēng)板的結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)不僅可使空調(diào)能有效的得到利用，同時(shí)也能使Pack更為有效的得到冷卻，滿足實(shí)際工況需要。

[1]Arun K Jaura,Antboay Grabowski,Edward Jih． Effieient Cooling and Package of Traction Battery In Hybrid Electric Vehicle[C]． 18th International Battery Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium and Exhibiton(EVS18) 18th．Berlin,2001:1-5．

[2]張子峰,王林等,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),2013,02(6):642-648．

[3]Ahmad A Pesaran．Battery Thermal Management in EVs and HEVs:Issues and Solutions[C]．Advanced Automotive Battery Conference,USA,2001．

[4]Ahmad Pesaran,Andreas Vlahinos,Thomas Stuart．Cooling and Preheating of Batteries in Hybrid Electric Vehicles[C]．The 6th ASMEJSME Thermal Engineering Joint Conference, USA ,2003．

[5]朱曉彤．RAV-4電動(dòng)汽車電池組風(fēng)冷系統(tǒng)的研究[D]．南京:南京航空航天大學(xué),2007．

[6]眭艷輝,王文等,混合動(dòng)力汽車鎳氫電池組通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J],汽車工程,2010,32(3):203-208．

[7]杜平安．結(jié)構(gòu)有限元分析建模方法[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998．

沈毅（1987－），男，江蘇無錫人，工學(xué)碩士，助理工程師，2013年畢業(yè)于河南理工大學(xué)礦業(yè)工程專業(yè)，主要從事流體分析工作。