液冷散热式预制舱储能系统冷却液回路设计

2024-02-17黄兴华范元亮陈金玉连庆文

电源技术 2024年1期

黄兴华，范元亮，吴涵，陈金玉，连庆文

(国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福建福州 350007)

储能预制舱空间密闭，随着系统容量提高，电池密集程度越来越高，对散热的要求不断提升[1]。传统风冷方式散热速度和散热效率不高，且难以维持电池温度均匀性[2]。在其他散热方式中，液冷的散热速度和散热效率较高，易于保证电池温度均匀性，其成本介于空气冷却和相变冷却/热管冷却之间，技术经济优势凸显了出来[3-4]。在储能领域，液冷技术正开始推广。

冷却液回路包括液冷板与液冷管路。现有研究提出了许多液冷板结构型式，但结构复杂难以实用化；并且侧重于仿真研究，缺乏工程实用的设计方法。文献[5-6]以仿真入手，研究了进水口宽度、流道数量等参数不同组合的效果，参数的计算方法未进行研究。液冷管路设计在现有研究中较少涉及，但值得重视，因为在预制舱电池密集堆叠的环境下，液冷管路的合理设计对冷却液分配和最终散热效果具有重要影响。

针对冷却液回路设计问题，本文提出了具有工程普适性的液冷板结构，给出其参数的计算原则与方法；提出液冷管路并联排布方式，给出了管路的变径设计思路与方法。依托1 MW/2 MWh 实际储能工程，给出了冷却液回路设计实际案例，分析了其现场运行效果，为液冷式预制舱储能系统设计提供借鉴。

1 预制舱储能系统冷却液回路

液冷式预制舱储能系统冷却液回路如图1 所示。冷却液通过液冷机组水泵加压进入液冷管路，流至电池包内液冷板，与电池热交换，再通过液冷管路回流至液冷机组。液冷机组将热量排出预制舱。

图1 液冷式预制舱储能系统冷却液回路

2 液冷板设计

液冷板设计与电池包结构有关。对于当前常用的含3 至4 排电芯的电池包，本文提出一种通用的液冷板结构，给出其相关参数的计算方法。

2.1 流道形状设计

从工程实用角度出发，液冷板结构设计需考虑的因素包括：(1)为节约空间，便于冷却液回路安装与检修，液冷板进液与出液口宜安装在电池包同一面；(2)从制造复杂度考虑，液冷板宜布置在电池包底面；(3)为减小流阻，流道宜采用弧形并减少拐弯。

考虑上述因素，本文提出一种U 形流道结构，如图2 所示，包含1 个进液口和出液口，2 条边流道与2条中间流道。为保证电芯换热量相同，对于3 排电芯，中间流道宽度为边流道一半，两条中间流道与一排电芯换热；对于4 排电芯，中间流道宽度与边流道相同，每条流道与一排电芯换热。

图2 液冷板结构示意图

2.2 流道宽度设计

流道宽度设计从电池换热的需求入手。电池的换热需求包括散热与制热需求。散热需求为设计的最大充放电倍率下电池的发热功率，可由电池测试得到。制热需求在电池运行于低温环境下才会存在，电池在低温静置后可能需要经过加热才能达到可工作状态，所需的加热功率即为制热需求。制热需求也可由电池测试得到。

取散热与制热需求的较大值作为电池换热需求。冷却液与液冷板发生对流换热，热对流换热公式为：

式中：Pcell为单电池换热需求；h为液冷板与冷却液的传热系数；ΔTdiff为冷却液与液冷板壁面温差；A为换热面面积。

在确定ΔTdiff时，冷却液温度取制冷或制热时控制的液温，液冷板壁面温度取电池的目标温度。式(1)保证了电池达到目标温度时，制冷或制热功率等于换热需求。在电池尚未达到目标温度时，由于电池温度偏离目标温度，实际制冷或制热功率大于换热需求，从而可以快速制冷或制热。

流道宽度D由换热面面积A与电芯厚度W计算得到：

2.3 流道高度设计

在冷却液流量确定的情况下，液冷板高度不是唯一确定值。液冷板高度的选择需考虑如下因素：(1)电池包空间的限制；(2)宽度在大于2.2 节设计值的基础上，可以结合高度一起调整。流量一定时，宽度与高度影响截面大小，从而影响冷却液流速，流速越大，冷却液回路总流阻(进出口压力差)越大。这将决定液冷机组水泵选型。

通常液冷板高度取10 mm 内可满足要求。实际应用中，可初步确定流道高度，在系统其余参数也确定后，通过冷却液回路仿真，检验系统流阻和流量，流阻和流量满足即确定冷板高度。

3 液冷管路设计

3.1 管路排布方式设计

储能预制舱含多个电池簇，电池簇含多个电池包。为使电池包冷却液流量均匀，本文提出并联式液冷管路排布方案，即电池簇管路并联，单电池簇内各电池包管路也并联，如图3 所示。

图3 液冷管路并联结构

3.2 管路流量设计

管路流量是管径设计的基础。最小流量通过设计的冷却液允许温升来确定：

式中：Ppack为电池包换热需求；k为电池包内电池数；c为冷却液比热容；ρ 为冷却液密度；Qpack为电池包支管路最小流量要求；ΔTrise为设计的冷却液允许温升。

假定电池簇内有m个电池包，一套液冷系统含n个电池簇，则主管路流量要求Qmain、从上至下第i段(i=1,2,…，m)电池簇支管路流量要求Qcluster_i为：

3.3 节流孔孔径设计

为了保证各电池包流量均衡，避免下层电池包流量不足，本文采用变径管路设计。为减少设计制造成本，管路一般采用标准化管路，变径的思路在于采用节流三通，即图4 所示的不同层次电池包三通采用不同的内径。三通内径按如下方法确定。

图4 节流三通设计方案

均衡流量的本质是使冷却液到达不同电池包的压力损失相同。冷却液流过管路产生的压力损失包括沿程损失、截面缩小损失和扩大损失。对于不同层次电池包而言，沿程损失的差异为冷却液在垂直方向上的路程差异；截面缩小和扩大损失为流经三通的损失，既存在于垂直方向，也存在于水平方向。

沿程损失ΔPλ为：

式中：λ为沿程阻力系数；l为液体流过的行程；d为管道内径；v为对应管路流速；Q为对应管路流量；S为截面积。

式(5)中λ与雷诺数Re有关：

雷诺数为：

式中：μ为液体粘度。

流经三通产生的截面缩小损失ΔPξ1阻力系数ξ1与扩大损失ΔPξ2阻力系数ξ2为：

式中：S1为初始截面积；S2为出口截面积。

则ΔPξ1和ΔPξ2的表达式为：

在一个含m个电池包的电池簇内，要保证冷却液到达顶层与底层电池包的流速损失相同，需考虑到：(1)在垂直方向上，冷却液到达底部电池包比顶部电池包多经过m－1 段电池簇支管路，即有m－1 段沿程损失，代入式(5)可计算各段l沿程损失并累加得总损失ΔPλ_sum；(2)在垂直方向上，比顶部电池包多流经m－1 个三通，即m－1 个截面缩小和扩大，通过式(9)可得垂直方向上的截面缩小损失ΔPξ1_sum_vert和扩大损失ΔPξ2_sum_vert；(3)在水平方向上，三通入口与水平方向出口、水平方向出口与电池包支管路截面差异产生缩小和扩大损失，通过式(9)可得水平方向上的缩小损失和扩大损失，对于顶部电池包为ΔPξ1_top_horiz和ΔPξ2_top_horiz，对于底部电池包为ΔPξ1_bttm_horiz和ΔPξ2_bttm_horiz。

为使冷却液流入顶部和底部电池包的压力损失相同，须有：

式(10)中的变量为管路与三通内径。由于采用标准管路，管路内径可先确定，因此式(10)的变量为三通内径。进一步的，为避免三通尺寸过多，三通垂直方向出入口内径可保持一致，则式(10)的变量仅为顶部与底部三通的水平方向出口内径。在设计顶部与底部三通的水平方向出口内径后，其他层级电池包对应的三通水平方向出口内径，从上往下递增。

4 工程设计实例

4.1 储能系统主要参数

本文以某海岛微电网1 MW/2 MWh 预制舱储能系统为例。该储能系统结构如图5 所示，电池舱主要参数如下：电池额定容量为280 Ah，额定电压3.2 V，最大充放电倍率0.5C，电池长、宽、高分别为174、68、207 mm；单电池包含3 排共33 个电池，电池包长、宽、高分别为1 060、640、230 mm；单电池簇含7个电池包。该系统共有10 个电池簇，在热管理上划分为2 个子系统，每个子系统含5 个电池簇，液冷回路独立设置。

图5 某海岛1 MW/2 MWh预制舱储能系统

4.2 初步设计

4.2.1 液冷板

在评估电池换热的需求时，本工程所用电芯在设计的最大充放电倍率0.5C下的发热功率为12 W。由于工程运行的环境温度不低于0 ℃，根据所用电芯特性，在不低于0 ℃条件下可进行0.5C充放电，对制热量要求很低，因此换热需求Pcell为12 W。

利用式(1)和式(2)求取流道宽度。传热系数h为670 W/(m2·K)；制冷时冷却液控制的目标温度为18 ℃，电池的目标温度为25 ℃，因此ΔTdiff=7 ℃；电芯厚度W为68 mm。计算得到流道宽度最小值D为38 mm。

在考虑流道高度时，电池包高度对流道高度有一定的限制作用。注意到电芯长度为174 mm，比流道宽度D的初设值大很多，说明流道宽度的可调整裕度大。因此高度的设计值确定为3 mm，后续将通过调整宽度D来改变截面大小，从而调整系统总流阻。

4.2.2 液冷管路

首先计算管路流量。冷却液水乙二醇的比热容c为3.3 kJ/(kg·℃)，密度ρ为1 071 kg/m3；冷却液允许温升ΔTrise取2 ℃。计算得到电池包支管路流量要求Qpack为3.4 L/min，通过式(4)可计算电池簇和主管路的流量要求。主管路流量要求为至少120 L/min。

在计算节流三通孔径时，管路采用标准管路，主管路、电池簇支管路、电池包支管路内径分别选取为32、16、12 mm，三通垂直方向出入口内径选取为14 mm；水乙二醇粘度μ 为0.003 94 Pa·s，每段电池簇支管路长度l为280 mm。通过式(5)～式(10)计算，当底部三通水平方向出口内径选取为10 mm，计算得到顶部三通水平方向出口内径为5.6 mm。因此，三通水平方向出口内径应从5.6 mm 到10 mm 递增。

4.3 优化与校验

本工程电池温差的目标是不超过5 ℃。在4.2节初步设计结果的基础上进行优化与校验。首先，液冷板流道高度不调整，通过调整宽度调节流阻。其次，虽然节流三通孔径理论上应从上到下严格递增，但为了避免孔径类型过多给制造和选型带来困难，在优化与校验中，电池簇上层3 个三通水平出口孔径将选择一种参数，下层4 个三通水平出口孔径选择一种参数。这样能够兼顾流量均衡与制造难度。最后需通过仿真校验电池温差目标得到满足。

通过仿真，当下层4 个三通水平方向出口孔径选择10 mm，上层3 个三通水平方向出口孔径选择6～7 mm 时，各电池包流量的差异变化不大；选取6～7 mm范围之外的参数时，各电池包流量的差异有所增加。因此上层3 个三通水平方向出口孔径最终选择为7 mm。

在确定流道高度、节流三通孔径的基础上，对不同管路流量、液冷板流道宽度进行仿真，分析电池温差与进出液口压差。部分结果如表1 所示，可得到如下结论：

表1 选取不同参数的设计结果

(1)流量120 L/min、流道宽度66 mm 可以将温差控制在目标5 ℃临界，增大流量能减小温差；

(2)适当增加液冷板流道宽度增加了换热面积，能减小电池温差、减小流阻；

(3)当流量从200 L/min 提高至250 L/min，进出液口压差将增加。当流量增大到一定程度时，减小电池温差的效果已经不明显。对于液冷板流道宽度66 mm 而言，流量250 与200 L/min 的条件下，电池温差基本相同。

综上考虑，优化后的方案为上层3 个和下层4 个节流三通水平出口孔径分别为7 和10 mm，液冷板流道宽度66 mm，液冷板流道高度3 mm，主管路流量选取200 L/min。

对优化后的方案进行仿真。由主管路流量值200 L/min，可折算出电池包支管路流量设计值为5.71 L/min。图6 展示了电池包支管路流量，顶部与底部电池包支管路流量分别为6.18、4.72 L/min。流量均值为5.62 L/min，与设计值基本一致。由于兼顾实际孔径选择的便利性，上层流量有所偏高。本文进一步通过温度场仿真验证温差控制效果。

图6 管路流场仿真结果

针对流量最高和最低的电池包，进行电池包温度仿真，电池工作于最大充放电倍率0.5C，赋予电芯内部极片发热功率，电池长度方向间距4 mm，厚度方向间距1.8 mm。电池包内温度如图7 所示，两个电池包内电池最大温差分别为2.9 和3.0 ℃，两电池包所有电池最大温差为3.0 ℃，满足不超过5 ℃的温差目标。