基于數字孿生的鋰離子儲能電站環境控制方法

林 達，張雪松，汪湘晉

(國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州 310014)

0 引言

隨著新型電力系統的快速建設，高比例可再生能源的隨機性和波動性給電網的穩定運行和靈活調節帶來了新的挑戰。儲能電力系統作為一種可靈活調度的資源，對于新型電力系統的建設和發展具有重要意義，但儲能電站的安全性成為制約其快速發展的關鍵瓶頸之一[1-3]。

鋰離子電池因其高能量/功率密度、低自放電率、長壽命等優點被認為是儲能電站的首選。鋰離子電池儲能在電化學儲能中的占比最高，然而熱影響導致的鋰離子電池性能衰退和安全問題阻礙了其進一步推廣應用。鋰離子電池的最佳工作溫度為20～35 ℃，過高或過低的溫度都會降低電池壽命，影響電池的安全性，甚至造成永久性的損壞[4-6]。

鋰離子電池的安全問題歸根到底是熱失控，而引起熱失控的因素眾多，主要可分為機械濫用(擠壓、針刺)、電濫用(過充、過放、外短路)和熱濫用(局部過熱)。合理的鋰離子儲能電站環境控制可有效解決或抑制因溫度引發的熱失控等問題。根據散熱工質的不同，鋰離子儲能電站熱管理方式可分為風冷、液冷、相變材料散熱以及熱管散熱等。風冷方式利用自然風或風機自帶的散熱器為電池降溫，結構簡單、便于維護，目前在儲能電站中的應用最廣泛。然而不同的風機轉速和環境溫度下，儲能模組內的電池溫度差異較大，對電池的一致性和安全性影響較大[7]。

因此，從鋰離子儲能電站產熱基本理論出發，建立儲能電站集總熱模型以及電池艙熱流耦合模型，并提出基于數字孿生的儲能電站電-熱-流一體化環境控制策略，以實現儲能電站的智慧熱管理，降低鋰離子電池熱失控的風險，保障儲能電站高效安全運行。

1 鋰離子儲能電站熱流耦合模型

1.1 集總熱模型

鋰離子電池的工作過程中產生的熱量由反應熱、焦耳熱、極化熱和副反應熱四部分組成。

1) 反應熱。反應熱是鋰離子電池在充放電過程中，鋰離子嵌入和脫出電極時發生化學反應所產生的熱量，即可逆熵熱，其計算公式如下。

其中：iL為電池工作電流，T為溫度，EOCV為開路電壓，T為熵系數，兩者為荷電狀態(SOC)的函數。

2) 焦耳熱。焦耳熱是電流流經電池時電池歐姆內阻產生的熱量。焦耳熱是電池充放電過程中產生熱量的主要部分，即不可逆熱，其計算公式如下。

其中：Ri為電池歐姆內阻，包括導熱極耳、集流體、活性物質間的接觸電阻、電極內阻和電解液內阻。

3) 極化熱。電流流經鋰離子電池時，電池會因負載電流的通過而出現電極電位偏離平衡電極電位的現象，在此過程中產生的熱量即為極化熱，計算過程中可以忽略。

4) 副反應熱。副反應熱包括電池的電解液分解、自放電、過充過放等過程中產生的熱量，正常工作范圍內的副反應熱也可以忽略不計。

綜上，鋰離子電池的總產熱量可通過Q=Qr+QI進行計算。

基于熱路模型理論，分別使用電容和電阻描述熱容和熱阻，將熱源視為電路中的直流源，而溫度則等效為該點的電勢。采用熵熱系數用于計算電池的化學反應產熱，通過歷史數據生成電池荷電狀態(SOC)-開路電壓(OCV)函數曲線并根據開路電壓估計出電池的當前荷電狀態，進一步使用安時積分法計算出電池的當前容量，根據公式計算出產熱，最終根據電池比熱容等參數計算出電池溫度。

1.2 熱流耦合模型

鋰離子儲能電站電池艙大多采用集裝箱式結構，艙內空氣的流動及對流換熱、電池的生熱—蓄熱—導熱—散熱、結構件的導熱等過程遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒三個基本的物理規律，即三大方程是流動和傳熱問題的基本數學描述，流體運行遵循的三大定理統稱Navier-Stokes 方程組，具體分析如下。

1.2.1 連續性方程

連續性方程是質量守恒方程在流體力學中的具體表述形式。對于固定位置的空間微元體，單位時間內微元體內質量的增加量等于同一時間段內進入微元體的質量與流出微元體質量之差，據此可以得到如下質量連續性方程。

該方程為可壓縮流體方程，密度ρ、速度u是方程中的兩個變量；若流體為不可壓縮流體，即流體密度不隨著流速、壓力等因素而改變，則方程可進一步簡化為。

1.2.2 動量守恒方程

動量守恒方程與連續性方程一起是艙內空氣流體流動的描述，空氣的流動情況決定了電池與周圍環境熱量傳遞的方式和速率，因此流場的準確預測是電池溫度準確計算的基礎。由動量守恒定律可知微元體在三個方向上的動量增加率等于微元體各自方向上力的疊加，動量守恒方程式如下。

該方程基于牛頓第二定律F合=m·a推導。方程左側為m·a的分解項，其中為時間項，為慣性項；方程右側為F合的分解項，其中為表面力(壓力和粘滯剪切應力)，F為體積力(如重力)。

1.2.3 能量守恒方程

能量守恒方程描述了流體流動過程中流體與流體之間、流體與固體及周圍環境之間能量的轉換關系，同時由于能量的變化也會影響到流體的運動狀態，在艙內高強度熱源產生的強烈熱羽流與空調送風混合影響了冷空氣快速均勻傳遞至電池表面。因此流體的流動與能量的同步求解十分必要。能量方程將流動與熱量傳遞相結合，能量方程表示如下。

同時，為了說明傳導及所有這些貢獻項，需要使用下方的瞬態傳熱方程以說明流體中的溫度場。

其中：PA為絕對壓力，αP為熱膨脹系數，為特征溫度差，k為導熱系數。

集裝箱式儲能電站等效電路模型[8]和熱流耦合模型之間相互影響，而熱力學模型與流體力學模型之間又互相耦合，因此，儲能電站在運行過程中存在著復雜的多物理場特性。

綜上，通過利用等效電路模型、集總熱模型和熱流耦合模型構建集裝箱式鋰離子儲能電站的數字孿生模型，實時更新電氣和熱力學模型的參數，可以更準確地模擬儲能電站的溫度分布、熱損耗以及電熱流耦合效應。

2 鋰離子儲能電站數字孿生模型建立

選取浙江某用戶側預裝式磷酸鐵鋰電池儲能電站0.5 MW/1 MWh (6 個電池簇，每簇238 個單體電池，單體電池容量280 Ah)作為研究對象進行分析。

根據設計圖紙，集裝箱式鋰離子儲能電站電池艙總體平面尺寸為9 200 mm×2 500 mm，包含了電池室和儲能變流室(PCS 室)兩個空間(見圖1)。由于研究以電池艙電池簇為主要對象開展，因此選取電池室為主體空間，分析集裝箱熱-流物理場主要結構，包括電池簇(編號1-1、1-2、1-3、2-1、2-2、2-3)、12.5 kW 柜式空調、電池艙壁、出風口等。

圖1 儲能電站集裝箱設備布置

在SOLIDWORKS 軟件中建立電池艙及主要部件的三維結構，具體參數如表1 所示。在COMSOL 軟件中導入SOLIDWORKS 建立的三維模型，對該模型進行新工作平面定義后，通過布爾操作與分割定義出“空氣域”“電芯域”“入風口面”“出風口面”等部分，最終形成幾何聯合體。

表1 電池艙及主要部件參數

由于部分參數需實時計算輸出，在建模過程中定義了初始參數，部分參數如表2 所示。

表2 部分參數

2.1 集總熱模型估計

根據單體電池的實驗數據，進行熱總成模型估計，結果如圖2 所示。據估計結果可知，熱路模型對恒流充放電和復雜多變的動態應力工況均具有良好的適應性，估計誤差小于1 K。結果表明該方法能夠準確估算電池的內部溫度，并具有良好的適應性與魯棒性。

圖2 集總熱模型估計

2.2 歷史工況熱流模型模擬結果

選取2022-11-11—2022-11-20 的運行數據，以其中某段充放電工況的數據作為輸入，進行熱-流一體化模擬。根據采集到的歷史工況數據，仿真出對應的電-熱-流耦合物理場，其中最主要的輸入參數包括單體的產熱功率與初始溫度值，輸出結果為溫度場與流體場。圖3 為根據2022-11-11 儲能系統實地采集數據仿真出的結果，平均產熱功率為20.0 W 段時，最低溫度298.98 K，最高溫度308.41 K，平均溫度303.76 K；平均產熱功率為42.7 W 段時，最低溫度298.25 K，最高溫度316.22 K，平均溫度308.07 K。

2.3 未來工況熱流模型推演

通過實驗數據進行參數辨識得到的恒功率運行不同荷電狀態狀態下的電池開路電壓、電池歐姆內阻等參數，計算出未來100 s 時間內工作端電壓，以該預測結果的端電壓進一步計算出電池的產熱功率，并以此為輸入進行未來工況的推演，如圖4、5 所示。

圖4 電池開路電壓預測結果

圖5 未來工況推演結果

3 基于數字孿生的儲能電站環境控制

傳統的熱管理系統均以粗放、批量化熱處理為主，而在儲能電池實際工作過程中，電池熱負荷隨著工作特性的變化而變化，且同一狀態下各電池間的散熱量也呈現出較大的不一致性。因此，根據每一個電池模塊在不同工況下的熱負荷需求來精準地設計電池冷卻系統迫在眉睫，解決上述問題的有效途徑為基于電-熱-流一體化數字孿生技術(電池的電動力學及流體的流動和傳熱機制相耦合)而提出的集裝箱儲能系統一體化的環境控制策略。

選擇充電工況下不同平均產熱功率電池艙的歷史數據，根據統計結果可知：當產熱功率增加時，最高溫度與平均溫度均上升，其中最高溫度在產熱功率大約20 W 時上升速率激增(見圖6)，需要在產熱功率大于20 W 時，加大散熱系統的工作強度。

圖6 充電工況下不同平均產熱功率電池艙的歷史數據統計

針對電池艙溫度場與流體速度場推演結果，可預測電池艙內部空氣域不同位置溫度分布不均勻情況，根據此信息及時改變空調的掃風方向，調整流體場流速分布，創造更優的風冷散熱條件，進而緩解局部區域熱量集中問題。

圖7 模擬仿真顯示空調風向為向上45°時，區域1 空氣流速較快，散熱條件較好；區域2 空氣流速較慢，存在局部熱量集中問題。在調整空調掃風情況之后(水平向內部掃風)，整個電池艙的溫度場分布相對均勻，沒有明顯的局部熱量集中現象（見圖8）。

圖7 空調向上45°掃風模擬結果

圖8 空調水平向內部掃風模擬結果

利用該電站數字孿生模型對電池溫度一致性進行模擬分析。改變空調出風口的風速方向，在同一工況(平均產熱功率20 W)、參數一致的情況下，模擬結果顯示隨著角度的變化，電池散熱面的最高溫度和平均溫度都發生了改變；而出風方向為+45°時，電池間溫差較小，有利于保證溫度的一致性。

4 結束語

針對集裝箱式鋰離子儲能電站的環境控制問題，建立了儲能電池的集總熱模型以及熱流耦合模型，并依托COMSOL 軟件建立了某鋰離子儲能電站的數字孿生模型，準確實現了電池艙內溫度與流場的歷史工況模擬，最后提出了基于數字孿生模型以及未來工況推演的環境控制策略。通過結果分析，所提的環境控制策略可顯著提升集裝箱內電池溫度的一致性，為儲能電站高效運行、安全維護、決策支持提供了支撐。