液冷散熱式預制艙儲能系統冷卻液回路設計

黃興華，范元亮，吳 涵，陳金玉，連慶文

(國網福建省電力有限公司電力科學研究院，福建福州 350007)

儲能預制艙空間密閉，隨著系統容量提高，電池密集程度越來越高，對散熱的要求不斷提升[1]。傳統風冷方式散熱速度和散熱效率不高，且難以維持電池溫度均勻性[2]。在其他散熱方式中，液冷的散熱速度和散熱效率較高，易于保證電池溫度均勻性，其成本介于空氣冷卻和相變冷卻/熱管冷卻之間，技術經濟優勢凸顯了出來[3-4]。在儲能領域，液冷技術正開始推廣。

冷卻液回路包括液冷板與液冷管路。現有研究提出了許多液冷板結構型式，但結構復雜難以實用化；并且側重于仿真研究，缺乏工程實用的設計方法。文獻[5-6]以仿真入手，研究了進水口寬度、流道數量等參數不同組合的效果，參數的計算方法未進行研究。液冷管路設計在現有研究中較少涉及，但值得重視，因為在預制艙電池密集堆疊的環境下，液冷管路的合理設計對冷卻液分配和最終散熱效果具有重要影響。

針對冷卻液回路設計問題，本文提出了具有工程普適性的液冷板結構，給出其參數的計算原則與方法；提出液冷管路并聯排布方式，給出了管路的變徑設計思路與方法。依托1 MW/2 MWh 實際儲能工程，給出了冷卻液回路設計實際案例，分析了其現場運行效果，為液冷式預制艙儲能系統設計提供借鑒。

1 預制艙儲能系統冷卻液回路

液冷式預制艙儲能系統冷卻液回路如圖1 所示。冷卻液通過液冷機組水泵加壓進入液冷管路，流至電池包內液冷板，與電池熱交換，再通過液冷管路回流至液冷機組。液冷機組將熱量排出預制艙。

圖1 液冷式預制艙儲能系統冷卻液回路

2 液冷板設計

液冷板設計與電池包結構有關。對于當前常用的含3 至4 排電芯的電池包，本文提出一種通用的液冷板結構，給出其相關參數的計算方法。

2.1 流道形狀設計

從工程實用角度出發，液冷板結構設計需考慮的因素包括：(1)為節約空間，便于冷卻液回路安裝與檢修，液冷板進液與出液口宜安裝在電池包同一面；(2)從制造復雜度考慮，液冷板宜布置在電池包底面；(3)為減小流阻，流道宜采用弧形并減少拐彎。

考慮上述因素，本文提出一種U 形流道結構，如圖2 所示，包含1 個進液口和出液口，2 條邊流道與2條中間流道。為保證電芯換熱量相同，對于3 排電芯，中間流道寬度為邊流道一半，兩條中間流道與一排電芯換熱；對于4 排電芯，中間流道寬度與邊流道相同，每條流道與一排電芯換熱。

圖2 液冷板結構示意圖

2.2 流道寬度設計

流道寬度設計從電池換熱的需求入手。電池的換熱需求包括散熱與制熱需求。散熱需求為設計的最大充放電倍率下電池的發熱功率，可由電池測試得到。制熱需求在電池運行于低溫環境下才會存在，電池在低溫靜置后可能需要經過加熱才能達到可工作狀態，所需的加熱功率即為制熱需求。制熱需求也可由電池測試得到。

取散熱與制熱需求的較大值作為電池換熱需求。冷卻液與液冷板發生對流換熱，熱對流換熱公式為：

式中：Pcell為單電池換熱需求；h為液冷板與冷卻液的傳熱系數；ΔTdiff為冷卻液與液冷板壁面溫差；A為換熱面面積。

在確定ΔTdiff時，冷卻液溫度取制冷或制熱時控制的液溫，液冷板壁面溫度取電池的目標溫度。式(1)保證了電池達到目標溫度時，制冷或制熱功率等于換熱需求。在電池尚未達到目標溫度時，由于電池溫度偏離目標溫度，實際制冷或制熱功率大于換熱需求，從而可以快速制冷或制熱。

流道寬度D由換熱面面積A與電芯厚度W計算得到：

2.3 流道高度設計

在冷卻液流量確定的情況下，液冷板高度不是唯一確定值。液冷板高度的選擇需考慮如下因素：(1)電池包空間的限制；(2)寬度在大于2.2 節設計值的基礎上，可以結合高度一起調整。流量一定時，寬度與高度影響截面大小，從而影響冷卻液流速，流速越大，冷卻液回路總流阻(進出口壓力差)越大。這將決定液冷機組水泵選型。

通常液冷板高度取10 mm 內可滿足要求。實際應用中，可初步確定流道高度，在系統其余參數也確定后，通過冷卻液回路仿真，檢驗系統流阻和流量，流阻和流量滿足即確定冷板高度。

3 液冷管路設計

3.1 管路排布方式設計

儲能預制艙含多個電池簇，電池簇含多個電池包。為使電池包冷卻液流量均勻，本文提出并聯式液冷管路排布方案，即電池簇管路并聯，單電池簇內各電池包管路也并聯，如圖3 所示。

圖3 液冷管路并聯結構

3.2 管路流量設計

管路流量是管徑設計的基礎。最小流量通過設計的冷卻液允許溫升來確定：

式中：Ppack為電池包換熱需求；k為電池包內電池數；c為冷卻液比熱容；ρ 為冷卻液密度；Qpack為電池包支管路最小流量要求；ΔTrise為設計的冷卻液允許溫升。

假定電池簇內有m個電池包，一套液冷系統含n個電池簇，則主管路流量要求Qmain、從上至下第i段(i=1,2,…，m)電池簇支管路流量要求Qcluster_i為：

3.3 節流孔孔徑設計

為了保證各電池包流量均衡，避免下層電池包流量不足，本文采用變徑管路設計。為減少設計制造成本，管路一般采用標準化管路，變徑的思路在于采用節流三通，即圖4 所示的不同層次電池包三通采用不同的內徑。三通內徑按如下方法確定。

圖4 節流三通設計方案

均衡流量的本質是使冷卻液到達不同電池包的壓力損失相同。冷卻液流過管路產生的壓力損失包括沿程損失、截面縮小損失和擴大損失。對于不同層次電池包而言，沿程損失的差異為冷卻液在垂直方向上的路程差異；截面縮小和擴大損失為流經三通的損失，既存在于垂直方向，也存在于水平方向。

沿程損失ΔPλ為：

式中：λ為沿程阻力系數；l為液體流過的行程；d為管道內徑；v為對應管路流速；Q為對應管路流量；S為截面積。

式(5)中λ與雷諾數Re有關：

雷諾數為：

式中：μ為液體粘度。

流經三通產生的截面縮小損失ΔPξ1阻力系數ξ1與擴大損失ΔPξ2阻力系數ξ2為：

式中：S1為初始截面積；S2為出口截面積。

則ΔPξ1和ΔPξ2的表達式為：

在一個含m個電池包的電池簇內，要保證冷卻液到達頂層與底層電池包的流速損失相同，需考慮到：(1)在垂直方向上，冷卻液到達底部電池包比頂部電池包多經過m－1 段電池簇支管路，即有m－1 段沿程損失，代入式(5)可計算各段l沿程損失并累加得總損失ΔPλ_sum；(2)在垂直方向上，比頂部電池包多流經m－1 個三通，即m－1 個截面縮小和擴大，通過式(9)可得垂直方向上的截面縮小損失ΔPξ1_sum_vert和擴大損失ΔPξ2_sum_vert；(3)在水平方向上，三通入口與水平方向出口、水平方向出口與電池包支管路截面差異產生縮小和擴大損失，通過式(9)可得水平方向上的縮小損失和擴大損失，對于頂部電池包為ΔPξ1_top_horiz和ΔPξ2_top_horiz，對于底部電池包為ΔPξ1_bttm_horiz和ΔPξ2_bttm_horiz。

為使冷卻液流入頂部和底部電池包的壓力損失相同，須有：

式(10)中的變量為管路與三通內徑。由于采用標準管路，管路內徑可先確定，因此式(10)的變量為三通內徑。進一步的，為避免三通尺寸過多，三通垂直方向出入口內徑可保持一致，則式(10)的變量僅為頂部與底部三通的水平方向出口內徑。在設計頂部與底部三通的水平方向出口內徑后，其他層級電池包對應的三通水平方向出口內徑，從上往下遞增。

4 工程設計實例

4.1 儲能系統主要參數

本文以某海島微電網1 MW/2 MWh 預制艙儲能系統為例。該儲能系統結構如圖5 所示，電池艙主要參數如下：電池額定容量為280 Ah，額定電壓3.2 V，最大充放電倍率0.5C，電池長、寬、高分別為174、68、207 mm；單電池包含3 排共33 個電池，電池包長、寬、高分別為1 060、640、230 mm；單電池簇含7個電池包。該系統共有10 個電池簇，在熱管理上劃分為2 個子系統，每個子系統含5 個電池簇，液冷回路獨立設置。

圖5 某海島1 MW/2 MWh預制艙儲能系統

4.2 初步設計

4.2.1 液冷板

在評估電池換熱的需求時，本工程所用電芯在設計的最大充放電倍率0.5C下的發熱功率為12 W。由于工程運行的環境溫度不低于0 ℃，根據所用電芯特性，在不低于0 ℃條件下可進行0.5C充放電，對制熱量要求很低，因此換熱需求Pcell為12 W。

利用式(1)和式(2)求取流道寬度。傳熱系數h為670 W/(m2·K)；制冷時冷卻液控制的目標溫度為18 ℃，電池的目標溫度為25 ℃，因此ΔTdiff=7 ℃；電芯厚度W為68 mm。計算得到流道寬度最小值D為38 mm。

在考慮流道高度時，電池包高度對流道高度有一定的限制作用。注意到電芯長度為174 mm，比流道寬度D的初設值大很多，說明流道寬度的可調整裕度大。因此高度的設計值確定為3 mm，后續將通過調整寬度D來改變截面大小，從而調整系統總流阻。

4.2.2 液冷管路

首先計算管路流量。冷卻液水乙二醇的比熱容c為3.3 kJ/(kg·℃)，密度ρ為1 071 kg/m3；冷卻液允許溫升ΔTrise取2 ℃。計算得到電池包支管路流量要求Qpack為3.4 L/min，通過式(4)可計算電池簇和主管路的流量要求。主管路流量要求為至少120 L/min。

在計算節流三通孔徑時，管路采用標準管路，主管路、電池簇支管路、電池包支管路內徑分別選取為32、16、12 mm，三通垂直方向出入口內徑選取為14 mm；水乙二醇粘度μ 為0.003 94 Pa·s，每段電池簇支管路長度l為280 mm。通過式(5)～式(10)計算，當底部三通水平方向出口內徑選取為10 mm，計算得到頂部三通水平方向出口內徑為5.6 mm。因此，三通水平方向出口內徑應從5.6 mm 到10 mm 遞增。

4.3 優化與校驗

本工程電池溫差的目標是不超過5 ℃。在4.2節初步設計結果的基礎上進行優化與校驗。首先，液冷板流道高度不調整，通過調整寬度調節流阻。其次，雖然節流三通孔徑理論上應從上到下嚴格遞增，但為了避免孔徑類型過多給制造和選型帶來困難，在優化與校驗中，電池簇上層3 個三通水平出口孔徑將選擇一種參數，下層4 個三通水平出口孔徑選擇一種參數。這樣能夠兼顧流量均衡與制造難度。最后需通過仿真校驗電池溫差目標得到滿足。

通過仿真，當下層4 個三通水平方向出口孔徑選擇10 mm，上層3 個三通水平方向出口孔徑選擇6～7 mm 時，各電池包流量的差異變化不大；選取6～7 mm范圍之外的參數時，各電池包流量的差異有所增加。因此上層3 個三通水平方向出口孔徑最終選擇為7 mm。

在確定流道高度、節流三通孔徑的基礎上，對不同管路流量、液冷板流道寬度進行仿真，分析電池溫差與進出液口壓差。部分結果如表1 所示，可得到如下結論：

表1 選取不同參數的設計結果

(1)流量120 L/min、流道寬度66 mm 可以將溫差控制在目標5 ℃臨界，增大流量能減小溫差；

(2)適當增加液冷板流道寬度增加了換熱面積，能減小電池溫差、減小流阻；

(3)當流量從200 L/min 提高至250 L/min，進出液口壓差將增加。當流量增大到一定程度時，減小電池溫差的效果已經不明顯。對于液冷板流道寬度66 mm 而言，流量250 與200 L/min 的條件下，電池溫差基本相同。

綜上考慮，優化后的方案為上層3 個和下層4 個節流三通水平出口孔徑分別為7 和10 mm，液冷板流道寬度66 mm，液冷板流道高度3 mm，主管路流量選取200 L/min。

對優化后的方案進行仿真。由主管路流量值200 L/min，可折算出電池包支管路流量設計值為5.71 L/min。圖6 展示了電池包支管路流量，頂部與底部電池包支管路流量分別為6.18、4.72 L/min。流量均值為5.62 L/min，與設計值基本一致。由于兼顧實際孔徑選擇的便利性，上層流量有所偏高。本文進一步通過溫度場仿真驗證溫差控制效果。

圖6 管路流場仿真結果

針對流量最高和最低的電池包，進行電池包溫度仿真，電池工作于最大充放電倍率0.5C，賦予電芯內部極片發熱功率，電池長度方向間距4 mm，厚度方向間距1.8 mm。電池包內溫度如圖7 所示，兩個電池包內電池最大溫差分別為2.9 和3.0 ℃，兩電池包所有電池最大溫差為3.0 ℃，滿足不超過5 ℃的溫差目標。

圖7 電池包溫度場仿真結果

5 現場運行情況

對第4 節設計的海島1 MW/2 MWh 預制艙儲能工程實例開展現場運行分析。熱管理策略如圖8 所示，目標是將電池溫度控制在20～25 ℃區間，分為制冷和制熱模式。

圖8 熱管理策略

(1)制冷：當電池最高溫度Tcell_max＞30 ℃時，啟動制冷，下發液溫目標值Tset=18 ℃和回差ΔTmargin=3 ℃。制冷至Tcell_max降至25 ℃時結束。

(2)制熱：當電池最低溫度Tcell_mmin＜15 ℃時，啟動制熱，下發液溫目標值Tset=30 ℃和回差ΔTmargin=5 ℃。制熱至Tcell_min升至20 ℃時結束。

實際工程中在電池包內布置6 個溫度傳感器，如圖9 所示。溫度傳感器將數據上送電池管理系統。調取電池管理系統數據，分析電芯溫度、液冷機組的出水和進水口溫度。

圖9 電池包內溫度傳感器布置

5.1 制冷工況

對含系統完整充放電循環的某9 h 進行分析，充放電倍率為設計的最大充放電倍率0.5C。子系統1、2 的電流、荷電狀態(state of charge,SOC)、電芯溫度及液冷管路進出口液溫如圖10 所示。

圖10 制冷模式溫度曲線

從圖10 可以得出：

(1)大約在時間t=0.5 h，電芯最高溫度＞30 ℃，啟動制冷；大約在t=6 h，電芯最高溫度＜25 ℃，制冷結束。

(2)制冷過程中，管路進口液溫在15～22 ℃波動，電芯溫度維持在34 ℃以下。

(3)電芯最大溫差不超過3 ℃。

5.2 制熱工況

在某96 h 時段內，儲能系統靜置，但由于氣溫低，熱管理系統在此期間自動進入制熱模式。子系統1、2 的電流、SOC、電芯溫度及液冷管路進出口液溫如圖11 所示。

圖11 制熱模式溫度曲線

從圖11 可以得出：

(1)大約在時間t=72.68 h，子系統1 電芯最低溫度＜15 ℃，啟動制熱；大約在t=80 h，電芯最低溫度＞20 ℃，結束制熱。類似的，子系統2 啟動和停止制熱的時間大約在t=36.5 h 和t=43.9 h。

(2)加熱過程中，加熱速率穩定在約0.95 ℃/h，電芯溫度維持在14～22 ℃。

(3)電芯最大溫差不超過3 ℃。

6 結論

本文對液冷散熱式預制艙儲能系統冷卻液回路展開了設計。液冷板方面，提出一種可通用于常見的含3 至4 排電芯電池包的U 形流道結構，給出了流道寬度、高度參數的設計方法；液冷管路方面，為均衡各電池包流量，提出管路并聯式排布以及管路變徑的設計方案，闡述了液冷管路流量、節流三通尺寸的設計方法。

以某海島1 MW/2 MWh 預制艙儲能為例，開展工程設計實例分析。運用所提方法設計了冷卻液回路參數，通過仿真對參數進行了優化與校驗。

現場運行情況表明，設計方案能夠將電池溫度控制在20～25 ℃區間，電池溫差不超過3 ℃。