儲能電池預制艙熱管理模式淺析

南京國電南自電網自動化有限公司 袁滌非 顧錦書 顧銘飛

儲能系統是能源互聯網中的能源路由器，在眾多的儲能技術中，電化學儲能因其具有響應時間短、能量密度大、維護成本低、靈活方便等優點,是大規模儲能技術的重要發展方向。在各種類型的儲能系統中，集裝箱儲能系統具有施工時間短、移動方便、占地面積小等優點，近年來已在各類大型工程中不斷得到應用。預制艙作為集裝箱的升級版，正逐漸成為大規模儲能系統的一種主流形式。

1 儲能電池預制艙常用熱管理模式簡介

目前工程實施中，常用的儲能電池預制艙熱管理方案多以空調作為散熱器件，通過壓縮機和制冷劑的協同作用，可控制艙內溫度低于外部環境溫度，實現內、外部溫度逆差。同時通過對空調布置位置的優化，結合一定的送風風道結構，使空調對電池簇的熱管理效率盡量提高。以標稱電量2MWh、充放電倍率0.5C 的儲能電池系統為例，該系統采用預制艙作為電池載體，艙體尺寸對標40尺集裝箱，長度12米。電池以簇為單位，雙列靠墻布置于艙體長墻兩側。電池艙內根據需要配置2臺或4臺柜式工業空調，空調間隔布置于電池簇之間。根據不同的熱管理模式，空調的進出風方式可分為前部進風頂部出風、前部進風后部出風、前部進風底部出風3種。

第一種前部進風頂部出風為最常用的模式。熱空氣由空調正面下方的進風口進入，經由冷凝器的降溫，將冷空氣由頂部出風口排出。在空調與電池簇上方安裝一列風道，冷空氣進入風道后，由于風壓的作用被送至各個電池簇上方，經出風口排出送入電池簇內為內部的電池模組降溫。這種散熱模式原理簡單，利用了冷空氣的沉降效應對電池模組自然冷卻。但冷空氣自上而下流動，造成電池簇內各個電池模組溫度均衡性較低，且風道位于艙體頂部，安裝維護工作量大。

第二種前部進風后部出風的模式，是將空調后方與艙壁直接空出一定的距離（50～100mm），熱空氣由正面進入、冷空氣由后方出風口排出。由于電池簇后方的狹縫厚度遠小于其橫向尺寸，可將流體視為充分發展，其雷諾數較小，所以流動一般處于層流范圍[1]。狹窄薄壁型空間形成的空氣射流效應，形成較大的壓力，將冷空氣自電池簇的后方送入，為各個電池模組降溫。此模式無需配置風道，結構簡單、成本低，且對單個電池簇而言冷空氣均勻送入，有利于電池模組溫度的均衡。但各個電池簇與空調之間距離不同，不通過風道送風使得各個電池簇間受風量不一致，導致不同電池簇內的電池模組間溫度差異較大。

第三種前部進風底部出風的模式，是將冷空氣自空調下方送出，通過地板下方的風道將冷空氣送入各個電池簇的下方，通過風機制造一定的壓力，使冷氣在電池簇內自下而上流動。此方案避免了“煙囪效應”。煙囪效應是指戶內空氣沿著有垂直坡度的空間向上升或下降，造成空氣加強對流的現象[2]。該效應在有豎向風道等類似煙囪特征的結構體中，可使空氣靠密度差的作用沿著通道很快進行流動。如果冷氣自上而下流動，由于冷熱空氣的密度差，會使得冷空氣滯留在下方、熱空氣滯留在上方，從而形成溫度梯度差。本方案冷氣自下向上流動，上下空氣使同一電池簇內各電池模組之間溫度均衡。但風道在電池簇底部敷設，與走線槽盒有一定程度的重合，結構設計難度較大。

綜上所述，空調的三種送風方式各有利弊，主要矛盾是難以兼顧散熱效率與不同電池模組間的溫度均衡。因此本文提出了一種基于分層設計風道的熱管理方案，同時對送風口截面進行優化，提升了散熱效率與溫度的均衡。

2 分層設計的儲能電池散熱風道

采用頂置式風道將空調送出的冷空氣送至電池簇上方，并通過電池簇上方的送風口自上而下送風至電池簇內，結構簡單、實施方便。但冷空氣自上而下流動，造成電池簇內各個電池模組溫度均衡性較低。而采用空調前進風后出風模式，通過狹窄薄壁空隙形成的空氣射流效應，將空調后方送出的冷氣由電池簇后方送入電池簇內，可上下均勻的對同一電池簇內各電池模組降溫。但不同電池簇受風量不一致，影響整體均溫。

結合兩者的優點，可設計一種水平風道與垂直風道相結合的分層式風道。第一層風道水平安裝在艙體頂部，將空調送出的冷氣送至電池簇上方（圖1）。第二層風道垂直安裝在電池簇后部，其進風口與第一層風道的出風口銜接，將冷空氣引入第二層風道后，將冷空氣向下輸送，再通過每個電池模組后方的出風口輸出，為每個電池模組降溫。為增大風壓、使冷空氣更高效傳送，可在垂直風道進風處安裝軸流中繼風扇。利用風扇旋轉產生的風道內外壓差提高送風量。同時電池簇后方的風道采用扁平化設計形成狹縫射流，可進一步提升送風的均勻性。在實際工程中考慮到加工工藝及生產成本，風道截面形狀宜設計為狹長的長方形，其長寬比可超過10:1。

圖1 水平風道示意圖

圖2 垂直風道示意圖

通過風道系統的層次化設計，冷空氣可點對點送至電池模組所在范圍，實現單個電池模組周邊環境的精準溫度控制，有效提升了散熱效率，避免了風道傳輸過程中的熱損耗（圖3）。如條件具備可在電池模組結構中設計第三級風道，將二級風道中傳輸的冷空氣引入第三級風道中，對電池模組內部的電芯實施直接降溫。如為保障電池模組的密封性、不便設置對外風道，可為電池模組外部配置鋁制散熱翅片，實現更高效的溫度控制。

圖3 分層式風道示意圖

3 送風距離與風口截面積的關系

由于預制艙為狹長型結構，艙內空調與不同電池簇間的送風距離有較大差異。為使送入每個電池簇內的風量盡可能一致，需對送風口的截面與送風距離間的關系進行針對性的研究。本文仍以2MWh儲能電池預制艙為研究對象，艙內配置2臺空調，分置于艙體兩側。

根據一般常識，距離空調越近的電池簇受風量越大，為控制各電池簇受風量均勻，將電池簇上方的進風口截面積按距離空調的遠近由大到小設計。采用仿真軟件對模型進行分析，由圖4可見距離空調越近的電池簇受風量越小。通過對氣流云圖進行分析，可知由于氣體流速較快，在缺乏導流設計的前提下，少量氣流傾斜向下進入近端電池簇、大量冷空氣流向遠端，并在風道盡頭受阻后垂直向下進入距離空調遠端的電池簇內。

圖4 風道內氣流云圖

根據上述分析，對電池簇進風口的截面尺寸不能簡單按照“近處小、遠處大”的原則設計。此外通風面積和開孔率也對風道通風效率具有重要的影響。通風面積是篩板上篩孔的總面積。開孔率即開孔范圍，是篩板上篩孔的總面積與開孔區（又稱有效傳質區）面積的比值。

針對文中所述儲能電池預制艙模型取固定的正方形開孔區，長度為500mm，寬度為250mm。開孔率分別取0.1（10%）、0.2（20%）、0.3（30%）、0.5（50%）、1（100%）五種情況，則對應的通風面積分別為12500mm2、25000mm2、37500mm2、62500mm2、125000mm2。 通 過ANSYS ICEPAK軟件對5種開孔模式開展仿真計算，單個通風口最大出風量（m3/s）、單個通風口最小出風量（m3/s）、14個通風口累計風量（m3/s）分別為：0.145/0.134/1.985，0.156/0.125/2.035，0.174 /0.093/ 2.043，0.241/0.012/2.045，0.361/ 0.005/ 2.046。

通過以上仿真數據可見，在本模型中，當開孔區面積相同而開孔率不同時，所有電池簇通風口的累計風量均為2m3/s 左右，即單個風口的平均通風量基本一致。但不同通風口間的風量差異較大。當開孔率較低時不同通風口間的風量差異不大。以開孔率0.1的模型為例，單個通風口最大風量與最小風量間的差異僅為0.011m3/s，偏差率7.8%。當開孔率達到0.3時，單個通風口最大風量與最小風量間的差異為0.81m3/s，偏差率55%。而當開孔率達到1時，單個通風口最大風量與最小風量間的差異為0.356m3/s，偏差率244%。

因此，開孔率越低不同通風口間的風量差異越小、均溫性越強。考慮到開孔率為0.1時累計風量也較低，在實際工程中將開孔率控制在0.1至0.2之間，同時兼顧風量的絕對值與送風的均勻性。

4 結語

本文提出了一種分層次設計的儲能電池風道及相應的熱管理模式，實現了空調到電池模組的點對點送風。在此基礎上對長距離風道多點送風的原理進行了研究并開展仿真分析，通過數據分析發現送風效率受到風道內流場影響，送風距離與送風口截面積應當成反比，才能保證不同位置的電池簇受風量的一致性。進而提出了送風口截面的設計原則，實現了儲能電池的均溫。