張維江， 吳安慧， 李勇琦， 曹文炅， 蔣方明

(1. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中科院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院廣州能源研究所先進(jìn)能源系統(tǒng)研究室，廣東 廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 國家能源民權(quán)熱電有限公司，河南 商丘 476821；4. 南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東廣州 510635)

電池儲能技術(shù)是解決可再生能源并網(wǎng)波動性、間歇性等問題的有效途徑，鋰離子電池儲能(鋰電儲能)由于具備能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢成為目前發(fā)展最為迅速的儲能技術(shù)[1]。鋰電池的最佳工作溫度范圍為20～40 ℃[2]，單體間的溫差均不超過5 ℃為佳[3]。鋰電儲能系統(tǒng)中大量電池緊密排列在有限空間內(nèi)，易產(chǎn)生熱量不均勻聚集，造成不同單體電池的溫度出現(xiàn)較大差異，極大影響系統(tǒng)性能和壽命。因此，對儲能系統(tǒng)實(shí)施主動熱管理尤為重要。

根據(jù)是否存在外界設(shè)備主動提供能量驅(qū)使熱管理系統(tǒng)運(yùn)行，可將其分為主動式和被動式。對于大規(guī)模儲能系統(tǒng)，主動式熱管理系統(tǒng)在長期運(yùn)行中的能耗不可忽視。Lan 等[4]分析了一種微通道液冷散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、充放電倍率以及工質(zhì)流量對系統(tǒng)能耗的影響，發(fā)現(xiàn)這種微通道散熱結(jié)構(gòu)僅需較小的能耗就可以達(dá)到理想的熱控要求。Chen 等[5]比較了空冷、直接液冷、間接液冷、翅片冷卻的散熱性能和能耗，發(fā)現(xiàn)要達(dá)到同樣的溫控水平，空冷系統(tǒng)的能耗比其他方式要大2～3 倍。Sheng 等[6]探討了一種雙進(jìn)風(fēng)口和雙出風(fēng)口的蛇形通道液冷板的水力性能，發(fā)現(xiàn)進(jìn)、出口位置和流向?qū)误w溫度分布和冷卻板功耗有較大影響。盡管上述學(xué)者已經(jīng)詳細(xì)研究了電池模塊結(jié)構(gòu)、散熱方式、冷卻工質(zhì)特性等因素對熱管理系統(tǒng)能耗的影響，但絕大多數(shù)只是通過研究散熱系統(tǒng)在不同情形下的壓損進(jìn)而得出能耗，沒有綜合探討風(fēng)機(jī)、泵和制冷壓縮機(jī)等的耗能。本文對一個(gè)實(shí)際的鋰電儲能機(jī)柜的典型模塊的熱管理系統(tǒng)性能和能耗情況展開研究，綜合考慮了風(fēng)機(jī)或水泵以及制冷壓縮機(jī)的耗能，研究成果對實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。目前的鋰電儲能工程實(shí)例大多采用風(fēng)冷方案，可能存在散熱能力不足的情況，因此本文還詳細(xì)研究了熱管控效率更高的液冷系統(tǒng)性能。

本文對一個(gè)由48 個(gè)單體電池組成的儲能用電池模塊建立了熱流體模型，該模塊來源于一個(gè)實(shí)際的儲能機(jī)柜[7]。結(jié)合數(shù)值模擬方法對模塊原風(fēng)冷熱管理系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)，并分析了優(yōu)化后風(fēng)冷方案和液冷方案的能耗情況，以及循環(huán)充放電過程中變流量工況對能耗的影響。

1 模塊模型

1.1 物理模型

模塊中的電池單體為力信(江蘇)公司生產(chǎn)的方形40 Ah磷酸鐵鋰電池，幾何尺寸為27.5 mm(長)×148 mm(寬)×132.6 mm(高)。單體電池標(biāo)稱電壓為3.2 V，充電截止電壓為3.6 V，放電截止電壓為2.5 V，內(nèi)阻約為4 mΩ[7]。48 個(gè)單體以8 并6串的方式組成一個(gè)電池模塊，3 個(gè)風(fēng)扇布置在進(jìn)口格柵外側(cè)。原風(fēng)冷方案是通過強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，在參考文獻(xiàn)[7]中已詳細(xì)分析了模塊速度場和溫度場特性。受到散熱面積和風(fēng)冷效率的限制，原方案較難實(shí)現(xiàn)良好的溫度場一致性。

本文分別考慮優(yōu)化原風(fēng)冷系統(tǒng)和重新設(shè)計(jì)液冷方案兩種方法來強(qiáng)化散熱。原風(fēng)冷系統(tǒng)為串行式，如圖1(a)，對其進(jìn)行并行化改進(jìn)。整個(gè)電池組固定在底板上，由肋板支撐起來，底板厚2 mm，肋板高12 mm，材料均為鋁。通過折流板增加下送風(fēng)流道，形成串(并)行混合式風(fēng)冷，如圖1(b)。液冷方案則是將鋁制冷板置于電池模塊下方，水流經(jīng)冷板內(nèi)部的螺旋通道，帶走熱量，如圖2。冷板高度h2為14 mm，流道高度h1為10 mm，寬度w為20 mm，曲率半徑R為32 mm。在螺旋彎管內(nèi)，粘性流體在離心力和粘性力的相互作用下出現(xiàn)渦旋(迪恩渦)，加強(qiáng)了管內(nèi)流體的擾動，顯著增強(qiáng)了流體對流作用，強(qiáng)化傳熱[8-9]。

圖1 (a) 原風(fēng)冷方案示意圖；(b) 優(yōu)化后的風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；(c) 數(shù)值網(wǎng)格模型

圖2 水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和數(shù)值網(wǎng)格圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

模型假設(shè)和材料物性參數(shù)參考文獻(xiàn)[7]，單體熱模型已在其中詳細(xì)闡述并驗(yàn)證。

1.2.1 控制方程

在模組內(nèi)，固體計(jì)算域分為電池、匯流排、肋板和冷板，在該區(qū)域求解能量守恒方程。流體域分為空氣和水，根據(jù)雷諾數(shù)選取相應(yīng)的流動模型，求解質(zhì)量、動量和能量守恒方程。

在計(jì)算系統(tǒng)能耗時(shí)，同時(shí)考慮風(fēng)扇、水泵和制冷壓縮機(jī)的耗能，由方程(1)和(2)計(jì)算得到。當(dāng)制冷量變化不大時(shí)，制冷機(jī)組的能效比變化很小，為簡化計(jì)算此處取恒定值[10-11]。

式中：Pw為風(fēng)機(jī)或泵的功率；V、pin、pout分別為體積流量、流體進(jìn)口和出口壓力；Pc、P分別為制冷機(jī)組功耗和制冷功率；ηCOP為制冷機(jī)組能效比，此處取5[10-11]；Tamb和Tin分別為環(huán)境溫度和工質(zhì)進(jìn)口溫度；cp為比熱容。

1.2.2 初始和邊界條件

模塊初始溫度為環(huán)境溫度308 K，外殼與環(huán)境的對流換熱系數(shù)為5 W/(m ·K)。在風(fēng)扇和冷板流道進(jìn)口，分別設(shè)置相應(yīng)的進(jìn)口速度和溫度，出口均設(shè)置成零壓力和環(huán)境溫度的壓力出口。對于水冷方案，電池模塊散熱主要依靠水冷板帶走熱量，電池表面和模塊內(nèi)空氣為自然對流換熱，對整體的溫度場影響不大。為減小計(jì)算量，在電池/空氣界面設(shè)置恒為5 W/(m·K)的對流換熱系數(shù)來代替自然對流換熱。

1.2.3 數(shù)值求解策略和網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

基于有限體積方法求解偏微分方程組，空間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)采用一階迎風(fēng)差分格式，時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)采用全隱差分格式，采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure linked equation)方法處理壓力和速度的耦合。圖1(c)和圖2 展示了計(jì)算網(wǎng)格，為驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性，在相同工況下分別對不同數(shù)量的網(wǎng)格模型進(jìn)行了數(shù)值求解，得到模塊最高溫度。對于網(wǎng)格數(shù)分別為422 498、701 770、1 286 143 的風(fēng)冷模塊數(shù)值模型，最高溫度分別為311.04、311.08、311.09 K。對于網(wǎng)格數(shù)分別為459 656、881 274、1 963 768 的水冷模塊數(shù)值模型，最高溫度分別為313.98、314.03、314.03 K。本文分別選取網(wǎng)格數(shù)為701 770 和881 274的模型結(jié)果，此時(shí)數(shù)值誤差已足夠小。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)冷系統(tǒng)優(yōu)化

模塊原風(fēng)冷方案的熱流體模型驗(yàn)證見參考文獻(xiàn)[7]。圖3分別展示了風(fēng)冷系統(tǒng)優(yōu)化前后的電池組最高、最低溫度和最大溫差在不同風(fēng)速下的變化情況，圖中的電池溫度為單體平均溫度。在1C放電過程中，電池溫度和最大溫差隨放電深度加大而升高，在放電末期達(dá)到峰值。當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速為1 m/s，在放電結(jié)束時(shí)，優(yōu)化前后的最高溫度分別為321.39 和320.81 K，降幅為0.58 K，最大溫差從2.85 K 降低到2.17 K，降低了0.68 K。對風(fēng)冷系統(tǒng)的優(yōu)化可以提高電堆溫度場一致性，但對于降低最高溫度作用有限。

圖3 原風(fēng)冷模塊和優(yōu)化后的風(fēng)冷模塊的單體最高、最低溫度和最大溫差變化情況

2.2 系統(tǒng)能耗

在2.1 節(jié)的討論中發(fā)現(xiàn)，對原風(fēng)冷方案的并行化改進(jìn)對于降低最高溫度作用有限，在極端條件下，可能需要散熱效率更高的熱管控方式，如液冷。在算例中，環(huán)境溫度為308 K，溫度上限為313 K，分別研究風(fēng)冷和水冷模塊在不同工質(zhì)進(jìn)口流量和溫度下的溫度變化以及能耗情況，如圖4。進(jìn)口溫度范圍為293～303 K，限于篇幅，只展示進(jìn)口溫度為293 和303 K 時(shí)的模塊最高溫度變化圖。當(dāng)風(fēng)扇進(jìn)口溫度為293 K，風(fēng)速為3 m/s 時(shí)，電池最高溫度不超過上限的同時(shí)系統(tǒng)能耗最低，見圖4(a)。當(dāng)進(jìn)口溫度為303 K，速度為8 m/s 時(shí)才能滿足熱管控要求，見圖4(b)。對于水冷方案，模塊最高溫度變化趨勢與風(fēng)冷方案幾乎一致，如圖4(c)和(d)，水冷方案的熱管理控能力明顯更優(yōu)，僅需很小的流量即可滿足要求。在圖4(c)中，當(dāng)水流量為0.24 L/min 時(shí)就可達(dá)到熱控要求。

圖4 優(yōu)化后風(fēng)冷模塊在不同進(jìn)口溫度:(a) 293 K, (b) 303 K和不同進(jìn)口速度下的1 C放電過程最高溫度曲線; 水冷模塊在不同進(jìn)口溫度: (c) 293 K, (d)303 K 和不同流量下的1 C放電過程最高溫度曲線圖

表1 為分別得到不同進(jìn)口溫度下滿足熱控要求的最低能耗算例。圖5(a)為分別得到的系統(tǒng)能耗。對于風(fēng)冷模塊，當(dāng)進(jìn)口溫度較低時(shí)，風(fēng)扇流量較小，壓損導(dǎo)致的能耗很低，這時(shí)制冷機(jī)組耗能占主導(dǎo)。當(dāng)進(jìn)口溫度較高時(shí)，需要較高的流速才滿足熱控要求，風(fēng)機(jī)耗能急劇增大，總能耗較高。風(fēng)冷方案能耗最低的算例為Case5，此時(shí)系統(tǒng)能耗為272.75 W，進(jìn)口溫度為301 K，風(fēng)速為5 m/s。由于水冷方案中只需較低的流量就可以滿足要求，管路壓損造成的耗能極小，可以忽略不計(jì)，系統(tǒng)能耗幾乎全部來自制冷機(jī)組。圖5(b)中能耗最低的案例為Case8，此時(shí)進(jìn)口溫度為295 K，流量為0.24 L/min，系統(tǒng)能耗為43.68 W。與風(fēng)冷方案的最低能耗相比，風(fēng)冷系統(tǒng)最低能耗為水冷系統(tǒng)的6.2 倍。

表1 不同冷卻工質(zhì)進(jìn)口溫度、進(jìn)口流速算例(最高溫度低于313 K)

圖5 風(fēng)冷和水冷模塊在不同冷卻工質(zhì)進(jìn)口條件下的能耗

2.3 冷卻工質(zhì)變流量策略

在恒流速工況下，系統(tǒng)能耗功率維持不變，影響散熱功率的只有電池表面和空氣的溫差，溫差越大，散熱功率越大?？紤]在電池溫度較高時(shí)采用高流量，較低時(shí)采用低流量，流量變化取決于監(jiān)測溫度。在維持模塊最高單體溫度低于上限的前提下，采用變流量策略進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)能耗。根據(jù)模塊溫度場仿真結(jié)果分析，可近似認(rèn)為監(jiān)測點(diǎn)即為模塊最高溫度點(diǎn)。最高單體溫度為最高溫度點(diǎn)所在單體電池的平均溫度，低于監(jiān)測溫度。依照2.2 節(jié)的討論結(jié)果，分別為風(fēng)冷/水冷系統(tǒng)選擇相應(yīng)的最低能耗方案。由于溫控要求為最高溫度點(diǎn)所在單體的平均溫度不超過上限，與風(fēng)冷電池模塊相比，水冷模塊的溫度場一致性更好，整體平均溫度高于風(fēng)冷模塊，造成循環(huán)工況下水冷模塊的最高單體溫度超過上限，增大流量至0.36 L/min 才滿足熱控要求。因此，將0.36 L/min 的方案定為水冷方案的恒流量工況。模塊溫度變化基本處于周期性穩(wěn)定，一個(gè)充放電周期的能耗為三個(gè)周期的平均值，此時(shí)的風(fēng)冷系統(tǒng)恒流量工況能耗為272.75 W，水冷系統(tǒng)的能耗為65.52 W。表2 為分別選擇適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測溫度臨界值和高低流量，變流量策略均可以達(dá)到有效熱控要求。圖6 為模塊熱管理系統(tǒng)在恒流量和變流量方案下的能耗差，即優(yōu)化方案節(jié)省的能耗。圖中圖例表示變流量策略下的高低流量，例如：4_5.5 m/s 代表低流速和高低速分別為4 m/s 和5.5 m/s。結(jié)果表明，變流量方案可以有效降低系統(tǒng)能耗。當(dāng)監(jiān)測溫度臨界值為311 K，高低流速分別設(shè)置為6 和3 m/s 時(shí)，此時(shí)風(fēng)冷系統(tǒng)能耗最低，相比于恒流方案，節(jié)省了24.3% 的能耗。對于水冷系統(tǒng)，當(dāng)臨界值為316 K，高低流量分別設(shè)置為0.6 和0.24 L/min 時(shí)，可以節(jié)省19.7% 的能耗。

圖6 風(fēng)冷模塊和水冷模塊在恒流量和變流量方案下的能耗差

表2 不同流量策略下風(fēng)冷模塊熱行為

3 結(jié)論

本文對一個(gè)由48 個(gè)單體電池組成的儲能用方形鋰離子電池模塊建立熱流體模型，結(jié)合數(shù)值模擬方法對模塊原熱管理系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)，儲能模塊的串行式風(fēng)冷方案被改進(jìn)為串(并)行混合式風(fēng)冷，改善了電池模塊溫度場不一致性，但對于降低最高溫度作用有限。本文還探討了優(yōu)化后風(fēng)冷系統(tǒng)和液冷系統(tǒng)的能耗情況，在滿足電池模塊在1C放電過程中最高單體溫度低于313 K 的條件下，分別得到風(fēng)冷和液冷系統(tǒng)工質(zhì)進(jìn)口溫度和流量的最低能耗方案，此時(shí)空冷系統(tǒng)進(jìn)口溫度為301 K，速度為5 m/s，水冷系統(tǒng)的進(jìn)口溫度為295 K，流量為0.24 L/min，空冷系統(tǒng)最低能耗約為水冷系統(tǒng)的6.2 倍。在此基礎(chǔ)上，分析了循環(huán)充放電工況下變流量策略對優(yōu)化系統(tǒng)能耗的影響。變流量方案仍可以達(dá)到熱管理的要求，與恒流量工況相比，可以降低風(fēng)冷系統(tǒng)24.3% 的能耗和水冷系統(tǒng)19.7% 的能耗。