特種儲能方艙電池系統風冷散熱流場研究

譚 偉,徐偉晶,米 林,沈衛東

(1.重慶理工大學 車輛工程學院, 重慶 400054;2.重慶理工大學 電氣與電子工程學院, 重慶 400054)

0 引言

近年來,移動儲能電池方艙因具有噪音小、電能質量好、組網拓展性能好、污染小、響應速度快等優點,逐步取代以柴油發電機為主的移動電源方艙。在應急保障供電、配網不停電作業、配網臨時增容及重要負荷保供電等應用場景得到廣泛應用。

特種儲能方艙是在移動儲能電池方艙基礎上,結合紅外隱蔽性設計需求開發的移動儲能電池方艙,其結構特點是散熱出口朝向地面,這與冷熱空氣自然流動方向上存在矛盾,因此,有必要分析特種儲能方艙內部的溫度場和壓力場,探明特種儲能方艙風冷散熱結構的散熱效果,保證特種儲能方艙電池系統溫度保持在合理的工作范圍內。

當前鋰離子電池正在向高能量密度、高功率密度方向發展,與此同時,電池體積增大、產熱功率增加,電池表面溫度不均勻性更加顯著,對于風冷方式,風冷效果的優化主要從冷卻介質參數、結構參數及控制策略方面進行[1]。徐曉斌等[2]提出了一種基于套筒式熱擴散板結構的新型風冷電池熱管理系統,通過數值仿真研究了電池模組的風冷性能,優化電池模組的最高溫度和最大溫差分別降低16.12%和48.48%。呂超等[3]基于電化學-熱耦合模型借助ANSYS Fluent平臺對儲能系統中的鋰離子電池包進行仿真分析與結構優化,表明對強制風冷系統的結構優化能夠大幅度提高系統的散熱性能。時天祿等[4]建立了18650型LiFePO4單體電池產熱模型以及電池組散熱模型,分析了排布方式、電池間距等電池模塊幾何參數以及徑向導熱系數等熱物性參數對電池模塊散熱特性的影響。任詩皓等[5]采用數值模擬的方法對鋰離子電池組的風冷散熱過程進行研究,利用努塞爾數Nu、阻力系數f以及JF因子來表征風冷過程中的傳熱、流動及其綜合性能,分析了空氣進口速度、進口溫度以及出風口位置等參數對電池組散熱效果的影響。方凱等[6]針對動力電池組在夏季高溫時電池間溫差過大的問題,對結構內流道的尺寸、出風口的尺寸、不同出風口開閉時與電池組溫度場之間的關系進行了研究,研究表明流道形狀可以較好地改善電池組內的溫度不一致性。陳坤等[7]運用紅外成像技術與非接觸式可視化觀測方法,進行了相同環境溫度下不同放電倍率的熱特性試驗,并進行試驗結果分析,表明設計電池組或電池包散熱方案可提高電池系統的高效性和安全性[8]。

上述研究對不同結構的風冷散熱電池系統進行溫度場研究,但未涉及不同進出風口的位置以及紅外隱身性能需求,研究結果不適用于特種儲能方艙電池系統散熱結構。本文針對上述問題,以特種儲能方艙電池系統為研究對象,利用構建電池模組生熱模型,采用計算流體力學的方法,對特種儲能方艙的空調強制風冷散熱進行數值模擬,計算出在極限工況下充放電結束節點的溫度和壓力,并得到特種儲能方艙內部的溫度場和壓力場,從而探明特種儲能方艙風冷散熱結構的散熱效果。

1 電池模組生熱機理模型與驗證

1.1 18650鋰離子電池生熱機理

為解決特種儲能方艙的電池模組互換性和快速組裝性,一般采用48節容量為3 200 mAh的18650電池組成模組,然后利用模組組成特種儲能方艙電池系統,如圖1所示。

圖1 特種儲能方艙電池模組

一般情況下,單體電池總發熱量可表示為歐姆熱和極化熱之和[7]。表達式如下:

Qj=I2Re

(1)

Qp=I2Rp

(2)

Q=Qj+Qp=I2R=I2(Rj+Rp)

(3)

式中:Qj表示焦耳熱;Qp為電池極化熱;I為工作電流;Rj為歐姆內阻;Rp表示極化內阻;Q為單體電池總發熱量。

同時,求解電池熱模型需要計算電池的生熱速率,生熱速率決定電池生熱快慢,是電池熱分析的基礎[9]。電池生熱速率計算公式如下:

(4)

式中:I為電池工作電流;T為電池溫度;U和U0分別為電池的開路電壓和工作電壓,表示電池開路電壓隨溫度的變化關系。

電池開路電壓和工作電壓的差值是由歐姆內阻引起的,表示電池反應產生的焦耳熱部分;所以U0-U可以由電流I和電池總電阻R的乘積來代替,內阻值可通過HPPC實驗測得[10]。

1.2 電池模組放電生熱仿真計算

利用Fluent Meshing軟件對電池模組網格劃分,采用六面體網格,整個模型最小網格尺寸設置為2 mm,最大網格尺寸為8 mm,最終體網格總數量為26萬左右,體網格剖面如圖2所示。

利用Fluent仿真分析電池模組以1C、2C、3C倍率放電時的生熱情況,采用自然冷卻,忽略輻射傳熱,只考慮電池內部傳熱和表面對流換熱,在自然對流散熱時表面對流換熱系數一般為3～5 W/m3[11],由于本文研究的電池包放置在儲能方艙中,空氣流動性差,仿真時換熱系數設置為 3 W/m3。

在仿真計算時,模組初始溫度設置為25 ℃,求解設為瞬態,開啟能量方程,計算步長設為1 s,每步最大迭代次數設為20。在仿真軟件中選取,靠近模組的中心部位的4節電池記錄溫升,利用溫度傳感器監測4節電池的最高溫度。最后以1C、2C、3C倍率進行放電模擬,獲得電池模組溫度分布云圖,如圖3—5所示,結果如表1—2所示。

圖3 1C電模組溫度云圖

圖4 2C放電模組溫度云圖

圖5 3C放電模組溫度云圖

表1 1C-3C放電倍率下電池生熱速率

表2 不同放電倍率下電池模組溫度特性

通過溫度分布云圖以及統計數據可知,在1C、2C、3C放電時,電池的最高溫度出現在模組的中心區域,從中間4節電池向外延伸,模組溫度逐漸降低。但溫度相差不大,在3C放電時,模組的中心和邊緣溫差最大為2.8 ℃,因此,理論上可以用模組溫度特性取代單體電池溫度特性,降低特種儲能方艙電池系統的有限元計算工作量[12]。

1.3 電池模組放電生熱試驗測試

利用恒溫恒濕環境箱(溫度調節范圍:-50～120 ℃)、溫度測試儀(測溫度范圍:-50～300 ℃;測量精確度:±1.5%;響應時間≤0.2 s)、新威電池檢測設備、數據采集儀,搭建電池實驗平臺,通過實驗測量內阻;測試電池模組的溫升曲線。恒溫箱和新威電池檢測設備如圖6—7所示。

圖6 恒溫箱 圖7 新威電池檢測設備

對電池模組進行不同放電倍率下的溫升實驗,記錄實驗過程中電池的溫度變化,最后取3個點的最高溫度為電池的實際溫升進行分析,得到電池實驗溫升和仿真溫升曲線,如圖8—10所示。

圖8 1C放電溫升仿真與試驗曲線

圖9 2C放電溫升仿真與試驗曲線

圖10 3C放電溫升仿真與試驗曲線

從圖8—10可得,仿真和實驗溫升數據的最大誤差出現在1C放電截止時間處,主要原因是電池進入低電量下限時,實際溫升會發生非線性變化,但此時電池放電結束,不會導致時間繼續延長后誤差繼續增大,也不會影響理論模型精度。通過對比分析放電倍率為1C、2C、3C時的仿真和實驗溫升曲線可知,兩者溫升曲線整體吻合度高,上升趨勢一致,綜合誤差<3%。因此,采用模組生熱特性進行特種儲能方艙電池系統的溫度仿真計算是可行的。

2 儲能方艙模型建模與邊界條件設定

2.1 儲能方艙模型建模

圖11為儲能方艙的視圖。特種儲能方艙的主要結構有殼體、內部24個電池模組以及外掛空調方艙艙體為“三明治”結構,中間為真空絕熱板,其導熱系數為0.002 W/(m·K)因此在仿真計算過程中,可以不考慮電池方艙艙體的熱交換問題,僅考慮內部的空氣域和電池模組[13]。在方艙中,空調進風口處于方艙正面區域,空調出風口位于方艙背面下端。氣流從上端進風口進入,從底部出風口流出,流出方向朝向地面,可以有效地滿足紅外隱蔽性的設計需求。

圖11 儲能方艙熱仿真模型

氣流帶走電池熱量的途徑有2條:1)從電池模組箱體的通風槽處進入,流經電池四周進行對流換熱;2)電池的軸向導熱性較好,將自身熱量傳遞到上下2層金屬殼體和氣流進行對流換熱。

方艙內共有24個電池模組,分前后2排布置。單排電池模組以3×4的矩陣方式分布。前后2排模組上下錯開一定距離。該方艙內靠近進風口的模組電池包定義為cellf,靠近出風口的模組電池包定義為cellb。以cellf為例,每一排電池從上向下定義為cellf1、cellf2、cellf3、cellf4從左向右定義為cellf1-1、cellf1-2…cellf4-3,如圖12所示。對方艙內的電池模組支架等不影響散熱的部分區域進行簡化,可以有效降低仿真計算量。網格劃分采用多面體網格,整個模型最小網格尺寸設置為2 mm,最大網格尺寸為20 mm,最終體網格總數量為649萬左右,其中電池箱內流體的體網格數量為455萬,電池模組體網格數量為194萬,最差網格質量為0.4。

圖12 模組命名示意圖

2.2 儲能方艙邊界條件設定

特種儲能方艙一般應用于野外高熱、高海拔地區,屬于極端環境,因此環境溫度設為40 ℃。

儲能方艙的流動邊界條件設置為:入風口速度入口,單位時間內速度約為12 m/s,出風口壓力出口,基準值為0 Pa。整個進風口的面積為40 cm×40 cm,與家用空調出風口面積相當。

儲能方艙的熱邊界條件設置:湍流模型為K-Epsilon 模型,打開能量方程,采用瞬態計算,電池相關的熱物性參數如表3所示[14]。

表3 單體電池熱物性參數

參考汽車空調的計算工況[15],確定制冷劑為R134a,冷凝溫度為50 ℃,蒸發溫度為0 ℃。單位制冷量(q0=121.49 kJ/kg),制冷劑循環量為19.75,單位壓縮功(w=46.85 kJ/kg),壓縮機軸功率為0.95 kW,則空調機組功率為1.1 kW。

空調制冷效果邊界件由1 kg的空氣根據空調 1.1 kW的制冷功率計算得出。

3 特種儲能方艙仿真計算結果與分析

由于電池的合理工作范圍處于10～50 ℃[16],結合前文中對于電池模組的仿真和實驗對比,總結電池在40 ℃的環境溫度下,放電時均需要進行風冷散熱。本文設定極限工況,仿真驗證電池方艙的高溫大倍率放電的使用能力。極限工況為:環境溫度40 ℃,電池3C放電,空調處于持續工作狀態。

在Fluent仿真過程中,監測所有電池的溫度,選擇報告迭代計算中的每一步中電池的最高溫度,結果顯示,在3C放電過程中,電池的最高溫度為47.9 ℃,如圖13所示。

圖13 電池最高溫度監測曲線

極端工況放電過程中,風機將空調產生冷卻氣流從方艙右端的進風口泵入方艙內部,冷卻氣流自左向右流動。經過24個電池模組,最終從出風口向地表方向流出,完成一個制冷循環過程。在此循環過程中,模組中的電池單體四周與冷卻氣流進行對流換熱達到降低溫度的目的,電池頂部和底部的熱量傳導到模組殼體,殼體和冷卻氣流進行對流換熱。并且吸收電池模組熱量的熱空氣隨著循環流動的冷卻氣流帶至方艙的出風口,熱量最終由空調換熱器帶出方艙。

如圖14所示,cellf區域的電池模組的整體溫度低于cellb區域內的電池模組整體溫度。冷卻氣流被風機泵入艙體后,首先與cellf區域的電池模組接觸,此時的冷卻氣流速度和溫度幾乎沒有損失,因此冷卻氣流能很快地帶走cellf區域電池模組產生的熱量,cellf區域內的電池最低溫度達到34.4 ℃。

然而,冷卻氣流對cellf區域電池模組進行散熱的同時,也將熱量帶到了cellb區域。由于傳熱的內在動力是因為物體之間存在溫差。此時的冷卻空氣的溫度和電池模組之間的溫差明顯小于初始的冷卻空氣的溫度和電池模組之間的溫差。因此cellb區域的電池模組的換熱效率較差,而電池模組cellb4距離進風口最遠散熱效果最差,其熱量堆積問題也最嚴重,此區域內的最高溫度達到了47.9 ℃。

圖14 電池溫度云圖

從電池溫度云圖來看,方艙內的整體電池溫度均處于電池的合理的工作溫度范圍內,確保了方艙在極端工況下放電作業的可靠性。

為進一步查看單體電池的散熱效果,選取cellf1-1內的battery131和cellb4-3中的battery1095進行比較,其溫度分布如圖15—16所示。

圖15 battery131溫度云圖

圖16 battery1095溫度云圖

從單體電池的溫度分布看,battery131和battery1095均呈現出兩端溫度低,中間溫度高的趨勢。其單體電池的溫差達到了4 ℃左右。結合對電池模組內部流場分析,可以發現,雖然電池殼體開有貫穿式通風槽,方便冷卻氣流從通風槽流入、流出。冷卻氣流可以通過電池的四周吸收熱量。從云圖可以看出,冷卻效果并不理想。一方面,這是由于電池自身的結構所造成的。在圓柱形電池中,軸向導熱系數大,周向導熱系數小。在電池模組中,電池的頂部和底部都與金屬殼體接觸,金屬導熱性好且軸向導熱系數大,電池的熱量被傳導至金屬殼體,增大了與空氣對流散熱的接觸面積。造成了兩端溫度低,中間溫度高的現象。另一方面,由于貫穿式通風槽面積有限,冷卻氣流進氣量小;電池之間的間隙小,冷卻氣流流動阻力大,換熱效率低,熱量堆積。

壓力分布如圖17所示,本文顯示的壓力均為絕對壓力,工作環境為一個大氣壓。由于冷卻氣流被風機從方艙左側泵入艙體后,高速高壓氣流首先沖擊在cellf區域的電池模組,少數氣流穿過模組殼體預留的通風槽,穿越模組內部電池,再直接沖擊在cellb區域的電池組上表面,流動受到阻礙。整體云圖的壓差在220 Pa。

圖17 zx截面壓力云圖

4 結論

通過對該特種儲能電池方艙空調強制風冷動力電池系統進行極端工況的仿真分析與實驗對比,得出以下結論:

1) 由于電池周向導熱性較差,單純的用冷卻氣流對于電池的四周散熱,效果并不理想。然而充分發揮電池軸向導熱性較大的優勢,將電池的熱量傳導到導熱板,再用冷卻氣流進行對流換熱,效果較為理想。

2) 方艙內部電池模組通過對流換熱和殼體表面散熱可使電池模組具有較好的均溫性,因此可以作為發熱體進行方艙系統的熱仿真計算。采用此方法,可以減少基于單體電池有限元計算工作量,大大提升仿真分析效率。

3) 方艙因紅外隱身而設計的朝向地面的熱出風口對艙內熱量的耗散存在一定影響,比傳統的下進上出的強制風冷方式壓降略大。

4) 在高溫環境下,必須通過空調系統進行艙內電池系統降溫,但降溫消耗的能耗較大。同時,電池的工作溫度與充放電功率存在高度的正相關性,因此,合理控制外部負載,可以在極端環境下有效保證方艙系統的時效性和安全性。