集裝箱式儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計及試驗驗證

白亞平 張柳麗 牛哲薈 劉皓 張慧卿

摘 要：以額定容量500 kWh集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)為例，對儲能系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行計算機仿真優(yōu)化設(shè)計及試驗驗證。結(jié)果表明，熱管理系統(tǒng)可以保證集裝箱式儲能系統(tǒng)在額定功率下運行時，電池最大溫升10.6 ℃，最大溫差5 ℃，且溫度分布均勻。

關(guān)鍵詞：儲能系統(tǒng);熱管理系統(tǒng);溫度控制

中圖分類號：TB657.2;TM910 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）31-0025-04

Thermal Management Design and Verification of

Containerized Energy Storage System

BAI Yaping1 ZHANG Liuli1 NIU Zhehui1 LIU Hao2 ZHANG Huiqing3

（1.Pinggao Group Energy Storage Technology Co.， Ltd.，Tianjin 300000;2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192;3.Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029）

Abstract： Taking the container type lithium battery energy storage system with rated capacity of 500 kWh as an example， the air duct structure of thermal management system of energy storage system was optimized by computer simulation and verified by experiment. The results showed that the thermal management system could ensure that the maximum temperature rise of the battery was 10.6 ℃， the maximum temperature difference was 5 ℃， and the temperature distribution was uniform.

Keywords： energy storage system;thermal management system;temperature control

集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)作為一種新型儲能設(shè)備，具有能量密度高、壽命長、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，在電網(wǎng)系統(tǒng)、工業(yè)園區(qū)供電、移動應(yīng)急供電等方面具有廣泛的應(yīng)用[1]。儲能系統(tǒng)核心儲能設(shè)備鋰離子電池對溫度較為敏感，環(huán)境溫度的波動對鋰離子電池容量及一致性有較大的影響，為提升儲能系統(tǒng)的安全性能，延長儲能系統(tǒng)的使用壽命，要保證電池工作時處在溫度較為一致的環(huán)境中[2]。儲能系統(tǒng)設(shè)計中需要進行合理的熱管理設(shè)計，以保證兩項熱管理指標：一是保證電池表面溫度處于15～35 ℃，二是保持電池間的溫差不超過5 ℃[3]。為滿足儲能系統(tǒng)溫度要求，已有研究人員利用仿真分析軟件進行儲能系統(tǒng)散熱分析及優(yōu)化設(shè)計[4-5]。

本文采用STAR-CCM+仿真軟件對額定容量500 kWh集裝箱式儲能系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行設(shè)計及優(yōu)化，并對儲能系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)進行試驗驗證，為儲能系統(tǒng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計提供合理的方案。

1 集裝箱式儲能系統(tǒng)設(shè)計

集裝箱式儲能系統(tǒng)包含鋰電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、儲能變流器、能量管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等。儲能系統(tǒng)額定容量為500 kWh，額定功率為200 kW。電池系統(tǒng)由3簇電池組成，其中2簇電池在空調(diào)左側(cè)，1簇電池在空調(diào)右側(cè);每簇包含3列電池架，電池架上放置20個電池插箱和1個高壓箱，每個電池插箱內(nèi)部設(shè)計2個溫度采樣點，用于采集電池插箱內(nèi)部電芯溫度。電池簇由電池管理系統(tǒng)主控單元進行管理，電池插箱由電池管理系統(tǒng)從控單元進行管理，通過電池管理系統(tǒng)可以采集獲得電池插箱內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)。

儲能系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)由空調(diào)+風(fēng)道組成，主風(fēng)道位于電池簇頂部，風(fēng)道入口通過軟風(fēng)道與空調(diào)出口連接，風(fēng)道出口位于電池簇背面。空調(diào)運行時，氣流從空調(diào)出口流入風(fēng)道，經(jīng)風(fēng)道流動至風(fēng)道出口，進入電池簇與集裝箱內(nèi)壁間的100 mm間隙，最后流經(jīng)電池插箱內(nèi)部，實現(xiàn)對電芯的冷卻。通過對熱管理系統(tǒng)的智能控制，可以實現(xiàn)對集裝箱內(nèi)部環(huán)境溫度的有效控制。

2 儲能系統(tǒng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)仿真及設(shè)計

2.1 軟件選用

集裝箱式儲能系統(tǒng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，采用三維制圖軟件UG NX作為幾何模型建模工具，選用基于多面體網(wǎng)格劃分技術(shù)的STAR-CCM+作為CFD仿真計算工具。

2.2 仿真模型建立

2.2.1 數(shù)學(xué)模型建立。風(fēng)道結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示，風(fēng)道包括與空調(diào)連接的軟風(fēng)道、主風(fēng)道及風(fēng)道出口，風(fēng)道出口數(shù)量為9個，對應(yīng)9列電池架，以保證每列電池均受風(fēng)。

將CAD特征模型導(dǎo)入STAR-CCM+獲得生成網(wǎng)格的型面，導(dǎo)入STAR-CCM+后生成的計算模型如圖2所示。

2.2.2 網(wǎng)格劃分。將CAD模型導(dǎo)入STAR-CCM+后，通過設(shè)定網(wǎng)格參數(shù)自動生成網(wǎng)格，在網(wǎng)格設(shè)計中采用Remesher和Polyhedral網(wǎng)格劃分方式。風(fēng)道計算模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，包含網(wǎng)格數(shù)目205 790個。

2.2.3 邊界條件設(shè)定。進口采用速度進口邊界條件，氣流流速4 m/s，氣流溫度293 K，出口采用充分發(fā)展的壓力出口邊界條件。計算域設(shè)定為流體域，流體域為理想空氣，其余邊界面作為wall條件處理。

2.2.4 計算模型選擇。對于該仿真模型，流動方程采用連續(xù)方程、動量方程及k-ε湍流模型。仿真時間步為0.001 s，仿真物理時間為8 s。

2.3 風(fēng)道氣流仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用STAR-CCM+軟件的后處理功能，對風(fēng)道結(jié)構(gòu)的氣流場、流量進行分析，通過仿真計算結(jié)果優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計，使風(fēng)道的每個氣流出口流量控制在合理的范圍內(nèi)。

風(fēng)道1結(jié)構(gòu)簡單，主風(fēng)道內(nèi)部無擋板，其出口速度矢量分布和內(nèi)部流場流線分布仿真結(jié)果分別如圖4（a）和圖4（b）所示。從圖上可以看出風(fēng)道氣流場存在較大的不均勻性。圖5為風(fēng)道1出口質(zhì)量流量監(jiān)測結(jié)果，由于風(fēng)道結(jié)構(gòu)不對稱，因此出口氣流量差異較大，其中出口9氣流量最大，為127 g/s，出口1、2、3、7、8氣體流量居中，約為115 g/s，出口4、5、6氣體流量較小，其中靠近空調(diào)的出口6氣體流量遠小于平均值，僅為84 g/s，為最大出口流量的66%，說明風(fēng)道1結(jié)構(gòu)存在較大的不合理性，需要進行合理優(yōu)化。

風(fēng)道2結(jié)構(gòu)如圖6所示，在各出口處增加尺寸不同的擋板，用于分配各風(fēng)道出口的氣體流量，保證各出口流量一致。風(fēng)道2氣流場仿真結(jié)果如圖7所示，風(fēng)道出口質(zhì)量流量監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。仿真結(jié)果顯示，風(fēng)道2出口5氣體流量最小，為100 g/s，出口2氣體流量最大，為122 g/s，其余出口氣體流量在103～115 g/s。相比風(fēng)道1，風(fēng)道2氣流均勻性有較大的提高。

根據(jù)風(fēng)道2氣流場仿真計算結(jié)果，對風(fēng)道內(nèi)部擋板尺寸進行優(yōu)化設(shè)計得到風(fēng)道3，其氣流場仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。再次優(yōu)化后，風(fēng)道3出口氣體質(zhì)量流量趨于一致，基本保持在108～112 g/s，氣流均勻性大大改善，說明風(fēng)道3可以保證每一個出口的流量一致，從而保證每一列電池獲得的風(fēng)量一致。

3 試驗驗證

集裝箱式儲能系統(tǒng)額定功率充電過程中，電池插箱溫度變化如圖11所示。圖11（a）為電池插箱最高溫度和最低溫度變化及最大溫差曲線，充電過程中，電池插箱最高溫度由22.0 ℃升高至32.6 ℃，最低溫度由17.5 ℃升高至27.6 ℃，最大溫升10.6 ℃，最大溫差保持在5 ℃以內(nèi)。圖11（b）為儲能系統(tǒng)充電末端電池插箱溫度分布，充電結(jié)束時，電池插箱溫度分布在27.6～32.6℃。試驗結(jié)果表明，采用設(shè)計的風(fēng)道結(jié)構(gòu)可以保證儲能系統(tǒng)內(nèi)電池工作在合理的溫度范圍內(nèi)，且溫度均勻性較好。

4 結(jié)論

基于氣流場計算機仿真技術(shù)，完成額定容量500 kWh集裝箱式儲能系統(tǒng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化設(shè)計，并對儲能系統(tǒng)溫度分布情況進行試驗驗證。研究結(jié)果表明，通

過氣流場仿真分析，保證儲能系統(tǒng)風(fēng)道各出風(fēng)口流量一致，對提高儲能系統(tǒng)電池溫度分布均勻性具有重大作用。集裝箱式儲能系統(tǒng)在額定功率下運行時，電池工作環(huán)境最低溫度17.5 ℃，最高溫度32.6 ℃，電池最大溫差5 ℃，說明熱管理系統(tǒng)可以保證儲能系統(tǒng)內(nèi)電池工作在合理的溫度范圍內(nèi)，且溫度分布均勻。

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