储能集装箱双向风冷散热系统研究

毕海瑞，顾万选，樊俊杰，郭韵

（1.201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院；2.200093 上海市 上海理工大学 环境与建筑学院）

0 引言

随着化石能源的逐渐枯竭，环境保护方面的需求日益迫切，新能源被社会各界广泛关注并得到迅速发展。越来越多的分布式发电站开始兴建，同时基于分布式电站建立的大量微电网系统也陆续开始建设并投入使用。分布式能源发电站发电波动性大、电能质量不稳定，受天气环境因素影响大。此外，由于受地理位置因素的影响，其并网困难，对输电线路要求高，投入与回报不成正比。随着大量分布式电站的搭建，解决弃光弃风问题的难度不断增加。据统计，2019 年我国弃风弃光率分别达到4.2%和1.9%，但是西北等偏远地区弃风率普遍达到10%以上。目前，我国弃光弃风现象得到一定程度的改善，但随着分布式能源行业的发展，依旧需要得到广泛重视。对于微电网系统来说，由于其大多依建于分布式电站，故系统内电源发电质量较差，同时系统内负载变化大、并网退网难度高，尤其是孤岛运行模式下的微电网，供电压力大，难以满足系统用户侧需求。

储能技术的应用能够有效解决分布式能源及微电网的各项问题，起到“削峰填谷”、改善电能质量、降低微网并网难度、保障微网稳定运行等作用[1-2]。储能集装箱相对于传统基建型储能集装箱而言，具有可移动、造价低、适应性强、回报周期短、安全性高等优势[3]，常被应用于分布式能源电站与微电网系统。但由于储能集装箱常暴露于户外，受环境因素的影响大，因此解决其系统整体尤其是电池部分的管理问题显得尤为重要。

本文以储能集装箱为对象，对其散热系统进行设计，重点在于其电池仓部分的设计，并通过模拟仿真验证设计的合理性。同时，针对其防风防沙问题进行研究，并提出相应解决方案。

1 储能集装箱设计需求概述

1.1 安全性需求

目前，我国的储能集装箱系统所采用的电池主要以锂离子电池为主，如磷酸铁锂电池等。磷酸铁锂电池相对于其他各种类型的电池主要有循环寿命长、安全性高、容量较大等优势[4]。储能集装箱的安全性需求主要集中在电池系统的安全上，而锂电池的失效及不稳定运行大多为热失控导致，主要可分为以下几种：

（1）锂电池的容量衰减。锂电池失效的最常见形式，容量衰减的原因是综合性的，而其中最主要的是温度。无论是过高的温度还是过低的温度都会破坏电极材料，导致金属离子溶出，降低活性锂离子含量[5]。

（2）锂电子自身热反应。当系统所提供的散热速率低于锂离子电池热生成速率时，电池内将会产生热积累，导致锂电池温度升高，由于高温引发电池内活性物质的分解，活性物质与电解液的反应加剧，产生急剧升温现象，引发电池爆炸等危险。

（3）锂离子电池组温度一致性。当系统内各部分散热速率不一致时，电池组的各电池单元温度也将会出现不一致性的情况。当电池组中各电池模块温差过大时，将会影响电池充放电效率，扰乱电池能量发挥，破坏电池性能一致性，增加电池SOC 估计难度，最终降低电池循环寿命。

储能集装箱的安全性需求主要是解决上述锂电池热失控问题，因此设计合理有效的散热系统，可以降低锂离子电池的热失控风险。

1.2 适应性需求

储能集装箱作为一种可移动、高集成式的储能装置，常被应用于各种储能场景，尤其是在分布式能源及微电网系统中，因此储能集装箱系统在设计时，往往要根据应用环境提出一系列的适应性需求，其中包括防风防沙需求、抗震需求及模块化需求等。

防风防沙需求是所有储能集装箱在设计时都需要考虑的。在储能集装箱的使用过程中，无论是位于地理环境复杂的西北区域还是沿海地区，储能集装箱系统的散热系统基本都是处于运行状态的，而进风口长期处于进风状态，空气中的杂物灰尘自然也可能侵入散热系统，所以对系统尤其是进风口进行防风沙设计是提升散热系统使用效率、改善其运行稳定性的必要措施。

2 储能集装箱系统设计

2.1 系统构架

储能集装箱总体构架主要包括锂电池部分、热管理部分、电池管理部分（BMS）、能量功率转换部分（PCS）以及监测系统部分等，如图1所示。其中，锂电池部分负责能量的储存与释放；热管理部分负责储能集装箱中尤其是电池仓部分的散热作用；BMS 系统核心技术包括：电芯监控技术、SOC（荷电状态）技术、均衡技术、SOH（健康状态）技术以及热管理技术，主要用于对电池所处状态进行监测，估算并统计显示电池各项数据，从而对电池状态进行评估，维持电池系统各项参数的平衡；PCS 系统以变流器和滤波器为系统主要核心部分，用于调整系统输出电能质量以及动态特性，能够提高电池使用寿命，降低风光储微电网并网、离网难度。

图1 储能集装箱系统构架简图Fig.1 Schematic diagram of energy storage container system

2.2 储能集装箱热管理设计

本文所完成的储能集装设计，其重点在于系统的热管理设计，并获得自主知识产权。选用国际标准的40 英尺储能集装箱，具体尺寸为12 192 mm×2 438 mm×2 591 mm（长×宽×高）。在考虑到安全性以及其他各方面需求的基础上，选用磷酸铁锂电池LP44147272 为研究锂电池种类。

2.2.1 电池间热管理设计

本文采用传统风冷散热作为热管理散热方式，选用空调制冷作为电池间散热方式。储能集装箱系统设计如图2 所示。空调出风口与导风管连接，导风管与图中的风墙、箱体部分构成一个独立的隔间，当电池间需要进行散热时，空调出风口吹出的冷风通过导风管流入隔间中。在风墙上开有均匀分布的开口，隔间中的空调冷气通过风墙开口可以均匀流入电池间，从而对锂电池组进行散热降温。同时，由于所形成的流体部分呈双向相对流动，因此可以做到对电池间两侧电池系统进行均匀散热。设计中加入的导风管以及风墙上均匀分布的开口，确保了空气流入电池间时具有充分的流速及均匀性，同时确保了电池组间温度的一致性，提高散热效率。此外，储能集装箱箱体的6 个面均采用中间夹岩棉的双层彩钢板布置，其目的在于降低箱体外坏境对储能集装箱热管理系统的影响，保证散热过程的有效性。

图2 储能集装箱系统热管理设计Fig.2 Thermal management design of energy storage container system

2.2.2 PCS 间热管理设计

基于储能集装箱电池间内锂电池运行时系统散热效率以及散热均匀性的高要求，故对其热管理设计时采用强制风冷等方式进行散热，而PCS间内PCS、配电箱、变压器等设备，其运行温度范围较广（-30～65 ℃），因此设计时可将其与电池间隔开，通过自然对流换热即可。箱体采用的岩棉夹层可避免由于太阳直射所引起的高温现象，同时在高处设置排风口进一步增强通风散热效果。

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2.3 防风沙设计

由于储能集装箱系统在运行时一般处于相对密封状态，所以除空调进风口以外的地方无需进行防风沙设计。储能集装箱空调进风口的防风沙设计采用三级过滤网过滤方式，如图3 所示。三层滤网的透风性依次减弱，空气经过防尘滤网时过滤掉大体积颗粒，通过风口进入一级风道，由于一级滤网的透风性减弱，形成横向气压，二次过滤的灰尘通过风管进入收尘室中，避免了灰尘的积压，同时保证风道的清洁性，经过二次过滤的空气进入二级通道，灰尘通过风管进入收尘室，空气经过三次过滤以供使用。

图3 进风口三级过滤结构Fig.3 Three-stage filter structure at air inlet

3 数学建模

磷酸铁锂电池的工作温度范围一般为0～60 ℃，而最佳工作温度范围为20～50 ℃，一旦超过该温度范围便会对电池造成一定的不可逆损伤，影响其工作效率及使用寿命。电池组的各单体电池模块及模块各部分间的温差一般不可超过5 ℃[6-8]，以避免由于电池一致性不足而造成不必要的损失。本文采用商业ANSYS Fluent 软件对储能集装箱电池间的热管理系统进行仿真模拟，通过对其温度场及流场的分析来验证设计的合理性。

3.1 发热量及制冷量计算

本文所选用的磷酸铁锂电池LP44147272 单体模块，在1C 工况下连续充放电一个循环的发热功率约为0.15 kW，平均每小时总发热量Q1计算如式（1）：

储能集装箱内电池产生的热量分为2 部分，一部分发热量导致电池自身温升，另一部分发热量会通过散热系统传至系统外部，电池每上升ΔT所需热量Q2可根据相关数据及计算式（2）得出：

式中：Q2——电池温升所需热量；c——材料比热容；m——电池模块质量；ΔT——温度变化量。

空调在不控制电池温升的情况下所需制冷功率为空调最小制冷功率，其计算如式（3）所示。

式中：q——空调最小制冷功率；n——电池模块数。

3.2 模型搭建

利用ANSYS 软件中的Design Modeler 进行模型搭建，如图4 所示。依照原始模型，根据需求及仿真难度适量简化模型。基于模型分别进行未添加空调的单侧自然通风下电池间数值模拟，以及设置两侧为进风口并增加空调制冷情况下的电池间数值模拟。

图4 电池间ANSYS 模型Fig.4 ANSYS model of battery room

电池间双向风冷散热系统模拟设定初始条件如表1 所示。

表1 主要参数表Tab.1 Main parameters

3.3 仿真结果分析

通过求解收敛，得到单侧自然通风仿真结果如图5、图6 所示。

根据图5 可知，在电池间采用单侧自然通风进行系统散热的情况下，电池组的最高温度可达170 ℃，其最低温度也超过150 ℃，电池组的工作温度远高于设计要求的电池最佳工作范围20～50 ℃，电池组整体温度一致性极差，电池组各部分最高温差接近20 ℃。结合图6 的电池间速度矢量图可知，自然通风情况下的空气流速无法满足电池间的散热需求，并且流体流速从入风口处开始递减，无法保证电池组整体的温度一致性，因此对于电池间散热系统的设计需要满足2个条件：首先是要保证散热系统能够提供足够的制冷量来抑制电池的温升；其次要保证电池组整体温度的一致性，确保各单体电池单元老化程度、工作效率等保持基本一致。

图5 单侧自然通风下电池间温度分布图Fig.5 Temperature distribution of battery compartment under unilateral natural ventilation

图6 单侧自然通风下电池间速度矢量图Fig.6 Velocity vector diagram of battery compartment under unilateral natural ventilation

在设定3.2 章节相应的初始条件后，电池间双向风冷散热系统仿真结果如图7、图8 所示。

图7 为采用双向风冷散热系统时电池间温度分布图。仿真结果表明，电池部分最高温度不超过40 ℃，约为37 ℃，同时电池组各部分最大温差不超过3 ℃。电池间流场速度矢量图如图8 所示。流体速度在接近出风口处高于系统其他各处，同时由于双向流动，系统两侧流场分布均匀。

图8 双向风冷散热系统电池间速度矢量图Fig.8 Velocity vector diagram of two-way air cooling system between batteries

对比二次仿真结果可知，使用空调制冷方式对电池间进行散热，能够保证散热系统为电池间提供充足的制冷量，在降低电池温度方面是高效可靠的。同时采用双向风冷系统，能够保证电池组各部分散热的均匀性，有效提高电池组温度一致性，保障电池使用寿命及储能集装箱系统的稳定运行。

4 结语

储能集装箱系统相对于传统基建型储能系统而言，具有成本低、适应性高、可移动等特点，在未来，将会逐步取代传统基建型储能系统出现在各类应用场景。目前，由于储能集装箱系统正处于发展起步阶段，市面上各种储能集装箱散热系统的设计五花八门，其散热效率及散热均匀性也不尽相同。在未来一定时间内，生产开发者仍需要根据系统实际使用情况，在已有的各种散热系统设计的基础上进行优化研究。

本文以目前在储能集装箱系统中使用最广泛的风冷系统为基础，设计出双向风冷散热系统，经过仿真模拟证明了其对电池间电池具有高效散热能力，同时能够大幅度提高电池温度一致性，有效避免电池由于一致性差而产生失效，保证电池系统稳定运行，提高其使用寿命。

储能集装箱除热管理设计外，其抗风沙设计以及抗震设计也将是未来的研究重点。为了充分发挥储能集装箱的高适应性优势，未来关于储能集装箱的各项研究将会从其适用的环境出发，弹性设计储能集装箱各部分功能。