儲能鋰電池包強制風(fēng)冷系統(tǒng)散熱設(shè)計及熱仿真分析

李岳峰, 黃文強, 王杭烽, 彭憲州, 項峰, 徐衛(wèi)潘

(1. 浙江運達風(fēng)電股份有限公司, 杭州 310012; 2. 浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點實驗室, 杭州 310000)

近年來,世界各國都致力于可再生能源發(fā)電的開發(fā)和利用。可再生能源發(fā)電通過可再生的自然資源進行循環(huán)電力生產(chǎn),具有清潔、高效、長久的巨大優(yōu)勢。然而,由于可再生能源發(fā)電的波動性、間歇性和不可準確預(yù)測性,給現(xiàn)有電力系統(tǒng)運行帶來了巨大挑戰(zhàn)[1]。大規(guī)模儲能可有效消納可再生能源發(fā)電,從而在很大程度上提高入網(wǎng)效率,改善電力的削峰填谷和供需矛盾[2]。目前,電化學(xué)儲能模式占據(jù)了儲能市場的主導(dǎo)地位。同時,電池技術(shù)作為電化學(xué)儲能的核心,已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展。其中,鋰離子動力電池由于具有高電壓、低自放電率、高比能量、高循環(huán)性能和無污染等優(yōu)點[3],越來越多具有更高能量密度的鋰電池逐漸被廣泛應(yīng)用[4]。高能量密度的鋰離子電池需要執(zhí)行嚴格的熱管理,這是因為其在充放電過程會產(chǎn)生大量熱量并使自身溫度升高[5],嚴重時極可能造成整個系統(tǒng)熱失控[6-7];同時,這也會加速電池老化,縮短使用壽命[8]。當(dāng)前,電池系統(tǒng)主流的熱管理方式有兩種,即風(fēng)冷和液冷。盡管液冷系統(tǒng)具備載熱量大、換熱效率高的先天優(yōu)勢,但風(fēng)冷系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、安全性高等因素,在實際工程應(yīng)用中更為廣泛。

多年來,國內(nèi)外科研人員針對電池風(fēng)冷熱管理開展了大量的研究工作。其中,關(guān)于電池自然風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究已經(jīng)取得了豐碩的成果。許爽等[9]針對不同風(fēng)孔尺寸及環(huán)境溫度下自然風(fēng)冷散熱的鋰離子電池進行了數(shù)值模擬,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)孔大小與出口大小相近,且環(huán)境溫度越低時,電池散熱性能越好;劉顯茜等[10]設(shè)計并建立了進、出風(fēng)口同向布置的鋰離子電池組自然風(fēng)冷散熱模型,并對電池組溫升、溫差進行了仿真預(yù)測。他們發(fā)現(xiàn)減小充放電倍率或增大表面對流換熱系數(shù)可有效改善電池組溫度均勻性。利用相同的散熱模型,李淼林等[11]針對進風(fēng)角度、出風(fēng)角度和電池間距進行了基于正交試驗的多目標優(yōu)化,并得出局部最優(yōu)方案;田晟等[12]建立了自然散熱條件下快充鋰離子電池?zé)崮Ｐ?通過仿真得到了不同環(huán)溫下電池的溫度分布,并在此基礎(chǔ)上進一步分析電池的熱應(yīng)力分布;楊凱杰等[13]針對某型集裝箱電池模塊設(shè)計了進、出風(fēng)口異向布置的自然風(fēng)冷散熱模型并對其熱性能進行了分析,發(fā)現(xiàn)增加導(dǎo)流板寬度和布置角度可以降低電池散熱面的最高溫度和平均溫度;趙韓等[14]建立了鋰離子電池組自然風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的三維仿真模型,并提出了雙出口散熱通道的改進方案,結(jié)果表明電池組散熱效果明顯提高;張鑫等[15]研究了方形動力鋰電池“列”和“行”兩種排列方式對散熱的影響,結(jié)果顯示行排列最高溫度比列排列高,因此風(fēng)冷流場設(shè)計建議以列方式為宜;李君等[16]采用紅外熱成像技術(shù)對鋰電池的熱特性進行了分析,他們通過實驗確定了自然風(fēng)冷散熱下電池的最佳工作溫度是20～25 ℃;Fan等[17]探究了電池間隙對于自然風(fēng)冷系統(tǒng)的影響,研究發(fā)現(xiàn)隨著電池間隙的增大,盡管電池表面最高溫升提高,但其溫度分布更加均勻;黃錫偉等[18]對比了自然冷卻時不同放電倍率下電池組的散熱情況,研究發(fā)現(xiàn)自然冷卻在電池高放電倍率工作時不再適用;Mahamud等[19]提出了一種采用循環(huán)氣流冷卻的電池?zé)峁芾硇路椒?數(shù)值結(jié)果顯示該方法可以減少4 ℃左右的電芯間溫差。

雖然自然風(fēng)冷散熱具有原理簡單、操作便捷、成本較低的特點[20],但受限于自然送風(fēng)的不可控性,往往冷卻效果較差,無法滿足工程中嚴格的溫升、溫差標準。強制風(fēng)冷由于人為干預(yù)送風(fēng)配風(fēng)[21],利用風(fēng)扇或者空氣泵來促進空氣流動,形成強制對流來強化傳熱[22],冷卻效果得到了極大的改善,因此在實際工程應(yīng)用中顯示了極大的潛力。祝德春等[23]設(shè)計了一種“后端流入,前端流出”的強制風(fēng)冷系統(tǒng),并通過仿真獲得了較佳的電池單體間距值。呂超等[8]設(shè)計了一種鋰離子電池包強制風(fēng)冷系統(tǒng),即通過風(fēng)扇和擋板輸送和調(diào)整氣流,并通過兩側(cè)長條孔和背部圓孔出風(fēng),仿真結(jié)果顯示該強制風(fēng)冷結(jié)構(gòu)能夠大幅度提高電池系統(tǒng)的散熱性能。姚鳳翔等[24]設(shè)計了一種“底部中心安裝風(fēng)扇,頂部設(shè)通風(fēng)孔”的強制風(fēng)冷散熱系統(tǒng),研究發(fā)現(xiàn)相比于自然風(fēng)冷系統(tǒng),該強制風(fēng)冷系統(tǒng)有效降低了電池包整體溫度,但電池包溫度分布的均勻性仍有待優(yōu)化改善。

綜合文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn):電池自然風(fēng)冷散熱技術(shù)已相對成熟,但其仍具有一定的應(yīng)用局限性;強制風(fēng)冷散熱技術(shù)由于可以有效彌補上述缺陷,因此展現(xiàn)了極大的應(yīng)用潛力。然而從目前來看,關(guān)于強制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的相關(guān)研究仍然十分匱乏;且強制風(fēng)冷系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計和布置方案寥寥可數(shù),亟須創(chuàng)新;同時,系統(tǒng)中諸如電池溫度均勻性等問題尚待優(yōu)化解決。針對這些缺陷,現(xiàn)提出并設(shè)計一種“側(cè)向間隙進風(fēng),前端出風(fēng)”的新型電池強制風(fēng)冷散熱系統(tǒng),并基于計算流體動力學(xué)技術(shù)研究進口速度、高度和溫度對于該強制風(fēng)冷系統(tǒng)散熱性能的影響。以期為電池?zé)嵩O(shè)計工作者提供一種全新的強制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計思路,同時也可以為實際工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

選取某儲能型電芯作為研究基礎(chǔ)單元。整個電池包由22個上述電芯單體組成,并采用2×11的順序排成左右對稱的兩列,電芯前后上下均設(shè)有固定端板,如圖1(a)所示。

圖1 電芯、進風(fēng)口及內(nèi)部風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic of lithium-ions battery pack, inlet and internal air passage

電池強制風(fēng)冷系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計為在電芯兩側(cè)間隙外設(shè)置矩形送風(fēng)口,如圖1(a)所示。送風(fēng)口寬高基準尺寸為8.8 mm×85 mm,兩側(cè)共有20個。在異列電芯間設(shè)置內(nèi)部風(fēng)道結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示。內(nèi)風(fēng)道側(cè)邊與電芯相鄰,前端與風(fēng)扇相鄰,用于匯集來自間隙的風(fēng)量并排至風(fēng)扇。在內(nèi)風(fēng)道前側(cè)設(shè)置風(fēng)扇,及時排出電芯產(chǎn)熱。

1.2 計算模型和邊界條件

如圖2所示,計算域主要由電芯域(固體)、空氣域(流體)和風(fēng)扇域(流體)組成。

圖2 計算域示意圖Fig.2 The schematic of computational domain

空氣域的長寬高尺寸為1 380 mm×500 mm×320 mm。圖2中綠色箭頭清晰地表示了電芯散熱模式,即來自送風(fēng)口的冷氣流入間隙帶走電芯熱量并逐漸匯集到內(nèi)風(fēng)道中,最終由風(fēng)扇排出。

計算邊界條件如表1所示。

表1 計算邊界條件Table 1 Computational boundary conditions

風(fēng)扇的風(fēng)壓-風(fēng)量(P-Q)曲線如圖3所示。

圖3 風(fēng)扇P-Q曲線圖Fig.3 P-Q curve of the fan

電芯視為發(fā)熱熱源,其單位體積產(chǎn)熱率為5 251 W/m3。采用流固耦合換熱壁面邊界處理條件。空氣密度采用Boussinesq假設(shè)。考慮電芯固體內(nèi)部導(dǎo)熱的各向異性,電芯熱物性參數(shù)歸納于表2中。

表2 電芯熱物性參數(shù)Table 2 Thermal properties of cells

采用某商業(yè)軟件進行仿真計算,湍流模型選用Realizablek-ε模型。為確保數(shù)值求解收斂,將能量方程殘差收斂標準設(shè)定低于為1.0×10-7,連續(xù)性、湍流及動量方程殘差則低于1.0×10-5;同時,確保進出口流量差異低于0.5%,監(jiān)測點溫度變化小于0.01 K。采用Coupled算法,同時將二階迎風(fēng)格式應(yīng)用于方程各項的離散。

1.3 網(wǎng)格劃分和無關(guān)性驗證

使用商業(yè)軟件ANSYS Fluent Meshing分別對流體區(qū)域和固體區(qū)域的網(wǎng)格進行劃分,生成多面體網(wǎng)格如圖4所示。其中,邊界層網(wǎng)格共設(shè)置12層,伸展率設(shè)為1.1,第一層網(wǎng)格高度為0.05 mm。

圖4 計算網(wǎng)格示意圖Fig.4 The schematic of computational mesh

表3列出了用于數(shù)值結(jié)果網(wǎng)格無關(guān)性測試的3組網(wǎng)格方案及預(yù)測結(jié)果。3組方案的網(wǎng)格數(shù)量差異主要位于電芯附近空氣域的加密程度。通過對某電芯單體表面平均溫度的預(yù)測發(fā)現(xiàn),網(wǎng)格方案#2和#3預(yù)測結(jié)果相似,而#1與其差距較大。因此,綜合考慮計算準確性和成本,最終確定網(wǎng)格方案#2用于后續(xù)計算,其網(wǎng)格總數(shù)約為1 024萬。

表3 網(wǎng)格無關(guān)性測試方案及預(yù)測結(jié)果Table 3 The scheme of mesh independence test and corresponding prediction results

1.4 實驗驗證

為驗證仿真結(jié)果的準確性,制作了該強制風(fēng)冷系統(tǒng)下的電池樣品,并對其進行了與仿真工況相對應(yīng)的電池充放電實驗。實驗樣品及溫感線布置情況如圖5所示。

圖5 實驗電池包樣品圖Fig.5 Experimental lithium-ions battery

利用熱電偶監(jiān)測了各電池頂部、側(cè)壁關(guān)鍵點處的溫度變化情況。表4記錄了實驗中溫感點充放電過程中出現(xiàn)的最高溫升和溫差數(shù)據(jù),并與仿真結(jié)果進行對比。通過對比發(fā)現(xiàn),仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)匹配良好,誤差在可接受的范圍之內(nèi)。這表明本文模型和計算方法是可行的,熱仿真結(jié)果可以認為是較為準確的。

表4 實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對比Table 4 Comparison of experimental and simulation results

2 結(jié)果與討論

2.1 不同進口速度下的散熱情況

首先探究在該強制風(fēng)冷系統(tǒng)下,不同進口風(fēng)速對于系統(tǒng)散熱的影響。其中,進口速度分別設(shè)定為2、3、4和5 m/s,入口溫度設(shè)置為25℃。為便于描述,將最前端電芯至最后端電芯依次編號為①～,如圖6(a)所示。

1～8表示8個溫度監(jiān)測點圖6 不同進口速度下電芯表面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of the cell surface under different inlet velocity

圖6展示了不同進口風(fēng)速下電芯表面的溫度分布。可以看出,隨著進口風(fēng)速的增加,電芯表面整體溫度呈現(xiàn)下降的趨勢,散熱效果逐漸提升;電芯溫度最高的位置出現(xiàn)在①和處,這意味著最前端和最后端電芯是電池系統(tǒng)中的溫度敏感區(qū)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的具體原因?qū)⒃诤竺嬖敿氂懻?相比于①和,電芯②～⑩表面溫度相對較低,同時溫度分布更加均勻。

為了深入探究電芯的溫度波動情況,圖7定量展示了電芯表面8個監(jiān)測點處的溫升情況,其中虛線表示不同風(fēng)速下的平均溫升。8個監(jiān)測點的具體位置如圖6(a)所示。可以看出,最高溫升總是出現(xiàn)在監(jiān)測點1和8,這兩個監(jiān)測點正好位于最前端和最后端電芯表面;隨著監(jiān)測點位置向中心轉(zhuǎn)移,溫升呈現(xiàn)下降的趨勢,溫升在監(jiān)測點4、5和6的位置達到最低;隨著風(fēng)速的增加,監(jiān)測點平均溫升逐漸下降,這意味著電芯整體的散熱效果增加。同時,當(dāng)速度每提升1 m/s時,平均溫升分別下降了21.8%、17.5%和16.25%,進口風(fēng)速對于溫升的削弱效果逐漸減弱。

圖8展示了不同進口風(fēng)速下電芯表面最大溫差變化情況。

圖8 不同進口速度下電芯間最大溫差對比Fig.8 Maximum temperature difference among the cells under different inlet velocity

可以看出,隨著風(fēng)速增加,電芯表面溫差顯著降低,這意味著電芯表面的溫度分布更加均勻;當(dāng)速度每提升1 m/s時,電芯間最大溫差分別下降了5.88%、35.42%和16.25%,進口風(fēng)速對于溫差的削弱效果先增強后降低。

圖9 截面z=-0.11 m溫度及流線分布Fig.9 Temperature distribution with streamlines at z=-0.11 m

可以看出,電芯②～⑩由于雙間隙側(cè)向進風(fēng)的優(yōu)勢,在側(cè)邊通道內(nèi)形成了大量的循環(huán)渦(如圖9中紅色虛線框中所示)。這些循環(huán)渦促進了冷氣的前后循環(huán),因此與電芯表面對流換熱效果增強。而電芯①和由于單側(cè)間隙進風(fēng),循環(huán)渦沒有形成或強度較低,冷風(fēng)與電芯表面對流換熱強度下降,因此導(dǎo)致端側(cè)電芯溫度偏高,散熱效果較差。當(dāng)風(fēng)速為2 m/s時,電芯①的外側(cè)無循環(huán)渦出現(xiàn),冷氣循環(huán)不足導(dǎo)致該區(qū)域溫度較高,如圖9(a)中橢圓黑色虛線框所示。該高溫區(qū)域進而影響了電芯散熱,因此電芯①溫度偏高;隨著風(fēng)速提升至3 m/s,循環(huán)渦出現(xiàn)并促進了冷氣循環(huán),因此電芯①外側(cè)區(qū)域溫度降低,電芯溫度隨之下降,如圖9(b)所示;隨著風(fēng)速進一步提升至4～5 m/s,循環(huán)渦向前端靠近并逐漸側(cè)移至電芯①大面,如圖9(c)和圖9(d)所示。伴隨著更多的冷氣轉(zhuǎn)移至此處,冷氣與電芯對流換熱面積顯著增加,因此電芯①溫度大幅度降低。對于電芯,決定其散熱效果的主要是位于內(nèi)風(fēng)道末端的內(nèi)循環(huán)渦對,如黑色虛線方框所示。該循環(huán)渦對緊緊貼附于電芯內(nèi)側(cè)表面,促進了冷氣內(nèi)循環(huán)及其與電芯表面的對流換熱。隨著風(fēng)速的增加,可以看到內(nèi)循環(huán)渦對強度逐漸提升,并逐漸擴散至電芯⑩內(nèi)側(cè),因此電芯溫度顯著降低,散熱效果提升。

2.2 不同進口高度下的散熱情況

在原設(shè)計基準進風(fēng)口尺寸(85 mm×8.5 mm)的基礎(chǔ)上,對進風(fēng)口高度進行調(diào)整,進風(fēng)口寬度保持不變,詳細尺寸參數(shù)見表5。速度保持為5 m/s,溫度設(shè)定為25 ℃。

表5 不同進口面積的幾何尺寸Table 5 Geometric parameters of different inlet area

圖10展示了不同進口高度下電芯表面的溫度分布。

圖10 不同進口高度下電芯表面溫度分布Fig.10 Temperature distribution of the cell surface under different inlet height

可以看出,隨著進口高度的增加,電芯表面整體溫度略微下降,散熱效果提升;進口高度變化對于電芯②～⑩的溫度影響較大,而對于電芯①和的影響相對較小;進口高度的增加使得電芯表面溫度的均勻性顯著提升。例如,工況3時,電芯③～⑨頂部溫度幾乎相同,表面溫度分布十分均勻。這是因為進口高度的增加提升了垂直送風(fēng)范圍,因此送風(fēng)均勻性及換熱強度有所提升。

圖11定量展示了電芯表面8個監(jiān)測點處的溫升及平均溫升情況。可以發(fā)現(xiàn),在不同進口高度下,監(jiān)測點1和8仍是溫升最高的點;但相比于風(fēng)速影響,進口高度變化對于點1和8的影響更小;隨著進口高度的增加,監(jiān)測點平均溫升呈現(xiàn)下降的趨勢,電芯散熱效果增強。工況1～工況3的平均溫升分別下降了9.46%和2.99%,進口高度增加對于溫升的削弱效果逐漸減弱。

圖11 不同進口高度下電芯表面監(jiān)測點溫升對比Fig.11 Comparison of temperature rise of the cell monitors under different inlet height

圖12展示了不同進口高度下電芯表面最大溫差變化情況。可以看出,隨著進口高度的增加,電芯表面溫差略微降低,電芯表面溫度分布更均勻;工況1～工況3,電芯間最大溫差分別下降了11.54%、8.70%,進口高度增加對于溫差的削弱效果逐漸減弱。

圖12 不同進口高度下電芯間最大溫差對比Fig.12 Maximum temperature difference among the cells under different inlet height

2.3 不同進口溫度下的散熱情況

最后探究在該強制風(fēng)冷系統(tǒng)下,不同進口溫度對于散熱的影響。其中,進口溫度分別設(shè)定為15、20、25、30 ℃。入口速度固定為5 m/s,進風(fēng)口設(shè)定為基準進風(fēng)口尺寸。

圖13展示了不同進風(fēng)溫度下電芯表面溫差分布。由于初始進風(fēng)溫度不同,為便于比較,故采取溫差圖進行對比。可以看出,電芯表面整體溫差分布情況幾乎一致。

上述結(jié)論在圖14的監(jiān)測點溫升對比中得到進一步的證明。可以看到,由于只有部分監(jiān)測點溫度略有差異且差異很小,因此可以認為監(jiān)測點的溫升基本一致,同時平均溫升也均為6.7 ℃。

圖14 不同進口溫度下電芯表面監(jiān)測點溫升對比Fig.14 Comparison of temperature rise of the cell monitors under different inlet temperature

圖15展示了不同進口溫度下的最大溫差分布,可以看到不同進口溫度間的溫差僅相差0.1℃,因此也可以認為溫差基本一致。以上結(jié)論證明進口溫度的變化基本不會對電芯溫升和溫差產(chǎn)生影響,因此所提的強制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)對于進口氣體的溫度變化并不敏感。

圖15 不同進口溫度下電芯間最大溫差對比Fig.15 Maximum temperature difference among the cells under different inlet temperature

3 結(jié)論

設(shè)計了一種新型儲能鋰電池包強制風(fēng)冷散熱系統(tǒng),通過實驗測量驗證了數(shù)值仿真的準確性,接著深入探究了不同入口速度、高度及溫度下該強制風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的散熱性能。結(jié)果如下。

(1)在該強制風(fēng)冷系統(tǒng)下,電池溫度敏感區(qū)位于最前端和最后端電芯處。而循環(huán)渦的產(chǎn)生有助于改善該處溫升過高的情況;相比于端側(cè)電芯,位于中部的電芯表面溫度相對較低,且溫度分布更加均勻。

(2)進口速度的提升大幅度降低了電芯表面整體溫升和溫差。當(dāng)速度每提升1 m/s時,平均溫升分別下降了21.8%、17.5%和16.25%,風(fēng)速提升對于溫升的削弱效果逐漸減弱;電芯表面最大溫差降低率分別為5.88%、35.42%和16.25%,風(fēng)速提升對于溫差的削弱效果先增強后降低。

(3)進口高度的增加略微降低了電芯表面整體溫升和溫差。工況1～工況3,平均溫升分別下降了9.46%和2.99%,最大溫差分別下降了11.54%、8.70%,高度增加對于溫升和溫差的削弱效果逐漸減弱。

(4)進口溫度的變化不會對電芯的溫升和溫差產(chǎn)生影響,因此強制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)對于進口氣體的溫度變化不敏感。