储能用锂电池模组主动式热管理系统性能研究

张维江， 吴安慧， 李勇琦， 曹文炅， 蒋方明

(1. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室中科院可再生能源重点实验室中国科学院广州能源研究所先进能源系统研究室，广东 广州 510640；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 国家能源民权热电有限公司，河南 商丘 476821；4. 南方电网调峰调频发电有限公司，广东广州 510635)

电池储能技术是解决可再生能源并网波动性、间歇性等问题的有效途径，锂离子电池储能(锂电储能)由于具备能量密度高、循环寿命长等优势成为目前发展最为迅速的储能技术[1]。锂电池的最佳工作温度范围为20～40 ℃[2]，单体间的温差均不超过5 ℃为佳[3]。锂电储能系统中大量电池紧密排列在有限空间内，易产生热量不均匀聚集，造成不同单体电池的温度出现较大差异，极大影响系统性能和寿命。因此，对储能系统实施主动热管理尤为重要。

根据是否存在外界设备主动提供能量驱使热管理系统运行，可将其分为主动式和被动式。对于大规模储能系统，主动式热管理系统在长期运行中的能耗不可忽视。Lan 等[4]分析了一种微通道液冷散热系统的结构、充放电倍率以及工质流量对系统能耗的影响，发现这种微通道散热结构仅需较小的能耗就可以达到理想的热控要求。Chen 等[5]比较了空冷、直接液冷、间接液冷、翅片冷却的散热性能和能耗，发现要达到同样的温控水平，空冷系统的能耗比其他方式要大2～3 倍。Sheng 等[6]探讨了一种双进风口和双出风口的蛇形通道液冷板的水力性能，发现进、出口位置和流向对单体温度分布和冷却板功耗有较大影响。尽管上述学者已经详细研究了电池模块结构、散热方式、冷却工质特性等因素对热管理系统能耗的影响，但绝大多数只是通过研究散热系统在不同情形下的压损进而得出能耗，没有综合探讨风机、泵和制冷压缩机等的耗能。本文对一个实际的锂电储能机柜的典型模块的热管理系统性能和能耗情况展开研究，综合考虑了风机或水泵以及制冷压缩机的耗能，研究成果对实际生产运行具有指导意义。目前的锂电储能工程实例大多采用风冷方案，可能存在散热能力不足的情况，因此本文还详细研究了热管控效率更高的液冷系统性能。

本文对一个由48 个单体电池组成的储能用电池模块建立了热流体模型，该模块来源于一个实际的储能机柜[7]。结合数值模拟方法对模块原风冷热管理系统优化改进，并分析了优化后风冷方案和液冷方案的能耗情况，以及循环充放电过程中变流量工况对能耗的影响。

1 模块模型

1.1 物理模型

模块中的电池单体为力信(江苏)公司生产的方形40 Ah磷酸铁锂电池，几何尺寸为27.5 mm(长)×148 mm(宽)×132.6 mm(高)。单体电池标称电压为3.2 V，充电截止电压为3.6 V，放电截止电压为2.5 V，内阻约为4 mΩ[7]。48 个单体以8 并6串的方式组成一个电池模块，3 个风扇布置在进口格栅外侧。原风冷方案是通过强制风冷散热，在参考文献[7]中已详细分析了模块速度场和温度场特性。受到散热面积和风冷效率的限制，原方案较难实现良好的温度场一致性。

本文分别考虑优化原风冷系统和重新设计液冷方案两种方法来强化散热。原风冷系统为串行式，如图1(a)，对其进行并行化改进。整个电池组固定在底板上，由肋板支撑起来，底板厚2 mm，肋板高12 mm，材料均为铝。通过折流板增加下送风流道，形成串(并)行混合式风冷，如图1(b)。液冷方案则是将铝制冷板置于电池模块下方，水流经冷板内部的螺旋通道，带走热量，如图2。冷板高度h2为14 mm，流道高度h1为10 mm，宽度w为20 mm，曲率半径R为32 mm。在螺旋弯管内，粘性流体在离心力和粘性力的相互作用下出现涡旋(迪恩涡)，加强了管内流体的扰动，显著增强了流体对流作用，强化传热[8-9]。

图1 (a) 原风冷方案示意图；(b) 优化后的风冷系统结构图；(c) 数值网格模型

图2 水冷系统结构图和数值网格图

1.2 数学模型

模型假设和材料物性参数参考文献[7]，单体热模型已在其中详细阐述并验证。

1.2.1 控制方程

在模组内，固体计算域分为电池、汇流排、肋板和冷板，在该区域求解能量守恒方程。流体域分为空气和水，根据雷诺数选取相应的流动模型，求解质量、动量和能量守恒方程。

在计算系统能耗时，同时考虑风扇、水泵和制冷压缩机的耗能，由方程(1)和(2)计算得到。当制冷量变化不大时，制冷机组的能效比变化很小，为简化计算此处取恒定值[10-11]。

式中：Pw为风机或泵的功率；V、pin、pout分别为体积流量、流体进口和出口压力；Pc、P分别为制冷机组功耗和制冷功率；ηCOP为制冷机组能效比，此处取5[10-11]；Tamb和Tin分别为环境温度和工质进口温度；cp为比热容。

1.2.2 初始和边界条件

模块初始温度为环境温度308 K，外壳与环境的对流换热系数为5 W/(m ·K)。在风扇和冷板流道进口，分别设置相应的进口速度和温度，出口均设置成零压力和环境温度的压力出口。对于水冷方案，电池模块散热主要依靠水冷板带走热量，电池表面和模块内空气为自然对流换热，对整体的温度场影响不大。为减小计算量，在电池/空气界面设置恒为5 W/(m·K)的对流换热系数来代替自然对流换热。

1.2.3 数值求解策略和网格独立性验证

基于有限体积方法求解偏微分方程组，空间导数项采用一阶迎风差分格式，时间导数项采用全隐差分格式，采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure linked equation)方法处理压力和速度的耦合。图1(c)和图2 展示了计算网格，为验证网格独立性，在相同工况下分别对不同数量的网格模型进行了数值求解，得到模块最高温度。对于网格数分别为422 498、701 770、1 286 143 的风冷模块数值模型，最高温度分别为311.04、311.08、311.09 K。对于网格数分别为459 656、881 274、1 963 768 的水冷模块数值模型，最高温度分别为313.98、314.03、314.03 K。本文分别选取网格数为701 770 和881 274的模型结果，此时数值误差已足够小。

2 结果与讨论

2.1 风冷系统优化

模块原风冷方案的热流体模型验证见参考文献[7]。图3分别展示了风冷系统优化前后的电池组最高、最低温度和最大温差在不同风速下的变化情况，图中的电池温度为单体平均温度。在1C放电过程中，电池温度和最大温差随放电深度加大而升高，在放电末期达到峰值。当进口风速为1 m/s，在放电结束时，优化前后的最高温度分别为321.39 和320.81 K，降幅为0.58 K，最大温差从2.85 K 降低到2.17 K，降低了0.68 K。对风冷系统的优化可以提高电堆温度场一致性，但对于降低最高温度作用有限。

图3 原风冷模块和优化后的风冷模块的单体最高、最低温度和最大温差变化情况

2.2 系统能耗

在2.1 节的讨论中发现，对原风冷方案的并行化改进对于降低最高温度作用有限，在极端条件下，可能需要散热效率更高的热管控方式，如液冷。在算例中，环境温度为308 K，温度上限为313 K，分别研究风冷和水冷模块在不同工质进口流量和温度下的温度变化以及能耗情况，如图4。进口温度范围为293～303 K，限于篇幅，只展示进口温度为293 和303 K 时的模块最高温度变化图。当风扇进口温度为293 K，风速为3 m/s 时，电池最高温度不超过上限的同时系统能耗最低，见图4(a)。当进口温度为303 K，速度为8 m/s 时才能满足热管控要求，见图4(b)。对于水冷方案，模块最高温度变化趋势与风冷方案几乎一致，如图4(c)和(d)，水冷方案的热管理控能力明显更优，仅需很小的流量即可满足要求。在图4(c)中，当水流量为0.24 L/min 时就可达到热控要求。

图4 优化后风冷模块在不同进口温度:(a) 293 K, (b) 303 K和不同进口速度下的1 C放电过程最高温度曲线; 水冷模块在不同进口温度: (c) 293 K, (d)303 K 和不同流量下的1 C放电过程最高温度曲线图

表1 为分别得到不同进口温度下满足热控要求的最低能耗算例。图5(a)为分别得到的系统能耗。对于风冷模块，当进口温度较低时，风扇流量较小，压损导致的能耗很低，这时制冷机组耗能占主导。当进口温度较高时，需要较高的流速才满足热控要求，风机耗能急剧增大，总能耗较高。风冷方案能耗最低的算例为Case5，此时系统能耗为272.75 W，进口温度为301 K，风速为5 m/s。由于水冷方案中只需较低的流量就可以满足要求，管路压损造成的耗能极小，可以忽略不计，系统能耗几乎全部来自制冷机组。图5(b)中能耗最低的案例为Case8，此时进口温度为295 K，流量为0.24 L/min，系统能耗为43.68 W。与风冷方案的最低能耗相比，风冷系统最低能耗为水冷系统的6.2 倍。

表1 不同冷却工质进口温度、进口流速算例(最高温度低于313 K)

图5 风冷和水冷模块在不同冷却工质进口条件下的能耗

2.3 冷却工质变流量策略

在恒流速工况下，系统能耗功率维持不变，影响散热功率的只有电池表面和空气的温差，温差越大，散热功率越大。考虑在电池温度较高时采用高流量，较低时采用低流量，流量变化取决于监测温度。在维持模块最高单体温度低于上限的前提下，采用变流量策略进一步优化系统能耗。根据模块温度场仿真结果分析，可近似认为监测点即为模块最高温度点。最高单体温度为最高温度点所在单体电池的平均温度，低于监测温度。依照2.2 节的讨论结果，分别为风冷/水冷系统选择相应的最低能耗方案。由于温控要求为最高温度点所在单体的平均温度不超过上限，与风冷电池模块相比，水冷模块的温度场一致性更好，整体平均温度高于风冷模块，造成循环工况下水冷模块的最高单体温度超过上限，增大流量至0.36 L/min 才满足热控要求。因此，将0.36 L/min 的方案定为水冷方案的恒流量工况。模块温度变化基本处于周期性稳定，一个充放电周期的能耗为三个周期的平均值，此时的风冷系统恒流量工况能耗为272.75 W，水冷系统的能耗为65.52 W。表2 为分别选择适当的监测温度临界值和高低流量，变流量策略均可以达到有效热控要求。图6 为模块热管理系统在恒流量和变流量方案下的能耗差，即优化方案节省的能耗。图中图例表示变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别为4 m/s 和5.5 m/s。结果表明，变流量方案可以有效降低系统能耗。当监测温度临界值为311 K，高低流速分别设置为6 和3 m/s 时，此时风冷系统能耗最低，相比于恒流方案，节省了24.3% 的能耗。对于水冷系统，当临界值为316 K，高低流量分别设置为0.6 和0.24 L/min 时，可以节省19.7% 的能耗。

图6 风冷模块和水冷模块在恒流量和变流量方案下的能耗差

表2 不同流量策略下风冷模块热行为

3 结论

本文对一个由48 个单体电池组成的储能用方形锂离子电池模块建立热流体模型，结合数值模拟方法对模块原热管理系统优化改进，储能模块的串行式风冷方案被改进为串(并)行混合式风冷，改善了电池模块温度场不一致性，但对于降低最高温度作用有限。本文还探讨了优化后风冷系统和液冷系统的能耗情况，在满足电池模块在1C放电过程中最高单体温度低于313 K 的条件下，分别得到风冷和液冷系统工质进口温度和流量的最低能耗方案，此时空冷系统进口温度为301 K，速度为5 m/s，水冷系统的进口温度为295 K，流量为0.24 L/min，空冷系统最低能耗约为水冷系统的6.2 倍。在此基础上，分析了循环充放电工况下变流量策略对优化系统能耗的影响。变流量方案仍可以达到热管理的要求，与恒流量工况相比，可以降低风冷系统24.3% 的能耗和水冷系统19.7% 的能耗。