冷风送风方式对储能电池簇降温效果影响的模拟

2023-02-27葛苏槿杨晓华单文豪徐广强

储能科学与技术 2023年1期

葛苏槿，张龙，杨晓华，单文豪，徐广强

（山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013）

储能电池簇是由紧密排列在一个空间内的大量电池模块，通过串联或并联的方式连接而成的电池组合体。在充放电过程中，电池簇会释放大量热能，若不能进行有效降温，过高的温度会使电池性能和寿命下降，甚至导致热失控，影响系统安全性[1]。因此，研究储能电池簇的有效降温技术措施，对保障电储能系统性能及安全性能具有重要意义。

目前，储能电池簇的降温技术措施主要分为空冷和液冷[2]。其中，空冷技术因方案成熟、结构简单、容易维护、成本低，已在储能电池簇热管理中得到广泛应用[3]，部分学者也对空冷技术进行了大量探究。张子峰等[4]对上送风方式下电储能集装箱的散热进行了研究，冷风经导风管导入风墙，后经风墙上的小孔排出对电池进行冷却，研究结果表明该送风方式下电池系统只存在2 ℃温差，温度场分布均匀。邹燚涛等[5]提出了“主风道+立管”形式的均匀送风方案，通过加设导流板、减小出风口面积等措施改善了出风口出风均匀性。Mahamud等[6]提出了一种采用冷风往复式流动的冷却方式，冷风从上风口进入后，通过阀门控制其流动方向从而实现往复式流动，与单向流动情况相比，往复式流动时电池组温差降低了约4 ℃，电池最高温度降低了1.5 ℃。王晓松等[7]采用下送风的冷风送风方式，通过在底部风道内增设导流板的方法降低了电池间温差，使电池表面温度分布更加合理。李淼林等[8]基于底部进风、顶部出风的冷风送风方式，对进、出角度进行了优化设计，使得电池组最高温度降低9.55%，温差下降25.89%。然而，目前关于储能电池簇冷风送风方式的研究多是采用上送风、下回风模式，对于下送风、上回风的研究相对较少。本工作基于CFD 数值模拟，对两种送风方式下储能电池簇内的冷空气速度场及温度场进行对比分析，探究更加有利于电池簇降温的冷风送风方式。

1 数学模型

1.1 控制方程

储能电池簇冷风送风过程包含湍流流动、对流换热等传热传质现象，基本控制方程如式(1)～(3)所示。

连续性方程：

其中，ρ为空气密度；t为温度变化的时间；u为空气速度矢量；μ为空气动力黏度；P为储能电池簇内空气压力；T为空气温度；λ为空气导热系数；cp为空气比热容；ST为黏性耗散项。

1.2 几何模型

建立上送风、下回风和下送风、上回风两种冷风送风模型，如图1所示。

如图1(a)所示，本工作所建立的储能电池簇箱体的几何尺寸(长×宽×高)为7000 mm × 2200 mm ×3000 mm，每个电池模块几何尺寸(长×宽×高)为650 mm × 455 mm × 188 mm。如图1(b)所示，在上送风、下回风的送风方式中，冷风由侧壁上风口进入，经顶部风道，从电池簇顶部向下送风，对电池簇进行降温后由侧壁下风口排出。如图1(c)所示，在下送风、上回风送风方式中，冷风由侧壁下风口进入，经下部风道，从电池簇底部向上送风，对电池簇进行降温后由侧壁上风口排出。

图1 储能电池簇的冷风送回风物理模型Fig. 1 Physical model of battery cluster

1.3 边界条件

对储能电池簇降温模型进行仿真时，采用压力基求解器，稳态求解法。湍流模型选用k-ε模型，湍流强度为3.57%，水力直径为0.187 m。空调出风口(冷风入口)采用速度入口边界条件，冷风风速为3 m/s，入口温度为293.15 K；空调回风口(冷风出口)采用压力出口边界条件；固体壁面均设置为无滑移壁面，靠近壁面处的边界层内采用标准壁面函数进行处理。本研究在模拟时对电池的生热过程进行了简化，直接将电池模块表面设置为散热面，热流密度为50 kW/m2。

空气的物性参数以分段线性函数的形式给出，如式(4)所示。

其中，φ代表密度、比热容、导热系数和黏度中的任一物性；φn代表第n个数据点处的物性参数，1 ≤n≤N，N代表温度范围内的数据点个数。本研究的温度范围为293.15～393.15 K，范围内共有11个数据点。

1.4 网格独立性验证

采用非结构化网格对图1所示的模型进行网格划分，为检验网格数量对结果的影响，本研究逐步增加网格密度，并分别对下送风、上回风方式下电池簇内的流动换热特性进行计算，得到不同网格密度下电池模块表面平均温度，如图2所示。

由图2可知，随着网格密度的增大，电池表面平均温度逐渐趋于稳定。当网格数量为277.9 万时，电池表面平均温度为306.917 K；网格数量为336.9 万时，电池表面平均温度为306.915 K，两者计算结果基本相同，满足网格独立性要求。综合考虑计算精度和计算资源，本工作选取277.9万网格进行数值计算。

图2 网格独立性验证Fig. 2 Grid independence verification

2 结果分析与讨论

2.1 上送风、下回风方式下降温特性分析

当储能电池簇内采取上送风、下回风的冷风送风方式时，电池表面温度分布如图3所示。

图3 上送风、下回风方式下电池表面温度场Fig. 3 The temperature field distribution of battery surface (cold air enters from above)

由图3可知，当采用上送风、下回风的冷风送风方式时，靠近进风口区域的电池模块表面温度较高，最高温度可达323 K，远离进风口区域的电池模块表面温度较低。

结合送风截面的流场分布(如图4 所示)对造成上述现象的原因进行分析：沿Y轴方向的冷风在进入电池箱后，速度方向指向下前方，冷风无法吹向靠近进风口的下方区域，从而形成冷却盲区，盲区内冷风风速较小，且有涡流存在，电池热量无法被及时带走，从而导致电池温度升高。

图4 上送风、下回风方式下电池簇内部流场Fig. 4 The flow field distribution of battery cluster(cold air enters from above)

2.2 下送风、上回风方式下降温特性分析

当储能电池簇内采取下送风、上回风的冷风送风方式时，电池表面温度分布如图5所示。

图5 下送风、上回风方式下电池表面温度场Fig. 5 The temperature field distribution of battery surface (cold air enters from below)

由图5可知，当采用下送风、上回风的冷风送风方式时，靠近进风口区域也存在部分电池模块表面温度较高，最高温度达323 K。相较于上送风、下回风的冷风送风方式，该方式下高温区域范围明显减少。

结合送风截面的流场分布(如图6 所示)可以看出，在下送风、上回风的冷风送风方式下，进风口上方区域也存在冷却盲区。但相比于上送风、下回风的方式，盲区内的冷却风风速高，且无涡流存在，热量散失相对较快，因此高温区域范围减少。

图6 下送风、上回风方式下电池簇内部流场Fig. 6 The flow field distribution of battery cluster(cold air enters from below)

2.3 不同送风方式下降温效果对比

储能电池簇内沿Y轴方向的各截面平均温度如图7所示。

由图7可知，两种送风方式下，靠近冷风送风进口的区域温度较高，随着距离的增加，温度呈现下降趋势。两种送风方式相比，下送风、上回风的冷风送风方式冷却效果更好，电池模块的表面平均温度更低。

图7 沿Y轴方向ZX截面平均温度Fig. 7 The average temperature of ZX section along Y axis

结合送风截面的流场分布可以看出，当采取上送风、下回风的冷风送风方式时，冷风呈倒漏斗形向下流动，流场如图8(a)所示。当采取下送风、上回风的冷风送风方式时，冷风呈正漏斗形向上流动，流场如图8(b)所示。

由图8(a)可知，在上送风、下回风的冷风送风方式下，冷风自上部风口流出后，沿Z轴快速向下流动，在电池簇下部开始沿X轴向两侧扩散，呈现电池簇下部冷风覆盖范围大，上部冷风覆盖范围小的现象。在距上部风口2 m 处，实现冷风全覆盖。由图8(b)可知，在下送风、上回风的冷风送风方式下所呈现的现象与上送风下回风方式下的现象相反，电池簇下部冷风覆盖范围小，上部冷风覆盖范围大。在距下部风口1.5 m 处，实现冷风全覆盖。由此可见，在下送风、上回风的冷风送风方式下，冷风覆盖区域范围更大。