儲(chǔ)能系統(tǒng)鋰電池 pack 熱設(shè)計(jì)的仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究
采用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)既可以保證上網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，又可以補(bǔ)償有功功率，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。儲(chǔ)能電池體系主要有鈉硫電池、液流電池、鋰電池、超級(jí)電容器、鉛酸電池以及飛輪儲(chǔ)能、蓄水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等。
鋰電池憑借其較高的能量效率、較長(zhǎng)的循環(huán)壽命、合適的響應(yīng)時(shí)間以及較成熟的規(guī)模化市場(chǎng)，在電力調(diào)頻中展示了很好的應(yīng)用前景。目前，鋰蓄電池已朝著大功率、高比能量和高循環(huán)壽命方向迅速發(fā)展，大型鋰電池模塊已經(jīng)作為儲(chǔ)能電池進(jìn)入了電力儲(chǔ)能系統(tǒng)。
為開發(fā)滿足國(guó)際技術(shù)要求兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，本文以26650電池為研究對(duì)象，針對(duì)100kW·h/480V儲(chǔ)能電池子系統(tǒng)進(jìn)行模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。
根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電池子系統(tǒng)模塊溫度一致性、電壓電流一致性、機(jī)械可靠性、裝配工藝性以及模塊標(biāo)準(zhǔn)化要求，運(yùn)用CFD流體傳熱計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真模擬和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)電池模塊、集流板以及電池機(jī)柜的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析研究。
研究表明：合理的電池間隙不僅讓冷卻風(fēng)與每個(gè)電池進(jìn)行充分熱交換，還能改善風(fēng)冷通道、減少模塊體積；增加斜板設(shè)計(jì)可以使模塊內(nèi)部各電池組冷卻均勻，有效解決電池因熱累積帶來(lái)的溫升過高問題；集流板優(yōu)化設(shè)計(jì)可以改善電池單體外連接件電阻的一致性，從而改善充放電電流和電壓的一致性。
1電池選型和模塊集成
1.1電池選型
大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅對(duì)電池?cái)?shù)量的需求量非常大，還要求批量電池具有非常嚴(yán)格的一致性。根據(jù)對(duì)各類電池（圓柱電池、軟包電池和方形電池等）設(shè)計(jì)條件、制造工藝和質(zhì)量控制等技術(shù)水準(zhǔn)的調(diào)研。
本文選用工藝成熟穩(wěn)定、成品率高、可靠性高、一致性好、成本低、循環(huán)壽命長(zhǎng)和傳熱面積大的磷酸鐵鋰體系26650圓柱電池，如圖1所示，電池性能參數(shù)如表1所示。
該電池機(jī)械可靠性高、裝配工藝靈活、運(yùn)輸安全，樣品如圖1（a）所示。金屬殼體導(dǎo)熱效果好，有利于熱均衡設(shè)計(jì)；為防止電池短路，保證電池的安全性，電池兩端易短路區(qū)均被套管覆蓋；熱塑橡皮套管內(nèi)徑26mm，外徑為27mm。電池模型如圖1（b）所示。
1.2模塊集成
電池模塊由蓋板、集流板和鎳片等主要部件組合而成。蓋板采用厚度2mm、槽深9mm的絕緣塑料材料，槽中有固定電池的小圓柱，如圖2（a）所示。通過調(diào)整圓柱間距可以控制電池單體之間的距離。
為節(jié)省空間，電池成組采用交叉排列，中間散熱區(qū)域形成等距強(qiáng)迫對(duì)流風(fēng)道，為下文不同間距成組方式散熱能力的研究提供基礎(chǔ)。
為了便于焊接，還需在蓋板安裝電池的位置處開孔，空徑一般12mm左右。圖2（b）為模塊鎳片、銅板連接關(guān)系，每列電池用一根厚度0.1mm的鎳片連接，鎳片安裝在電池與集流板之間。為了便于極耳和數(shù)據(jù)采集線的安裝，電池兩端的鎳片長(zhǎng)度不相等。
集流板設(shè)計(jì)主要是為了保證電池模塊中各電池單體的外連接電阻的一致性，且與電池單體的連接穩(wěn)固；為減少電流通過集流板產(chǎn)生的焦耳熱，還要保證較小的歐姆電阻，如圖3所示，圖3（a）為集流板的雙側(cè)開耳設(shè)計(jì)方案，而圖3（b）為集流板的單側(cè)開耳設(shè)計(jì)方案。
電池模塊左右對(duì)稱，組成模塊時(shí)，只需一側(cè)安裝檢測(cè)電壓的連接線以及電連接器。極耳兩側(cè)安裝極耳罩，蓋板開孔安裝螺栓，保證電池組的緊固。電池組由底部進(jìn)風(fēng)強(qiáng)迫冷卻。上部出風(fēng)散熱。極耳處安裝電連接片。
極柱頂部設(shè)計(jì)成的沉孔，通過插入螺釘?shù)姆绞?，方便電池組之間的電連接。在集流板兩側(cè)分別安裝極柱，極柱與集流銅板通過螺釘多點(diǎn)相連，極柱位置靠近每一側(cè)的蓋板。電池模塊按照6×8交叉排列方式共48個(gè)電池并聯(lián)組成，如圖4所示。
2實(shí)驗(yàn)設(shè)備和設(shè)計(jì)
2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備
電池模塊發(fā)熱測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，動(dòng)力電池充放電設(shè)備的主機(jī)和巡檢儀如圖5所示，還有與之配套的測(cè)試軟件。測(cè)試設(shè)備為湖北德普電氣股份有限公司生產(chǎn)的德普100V/150A4通道，型號(hào)BTS2000。
為驗(yàn)證模擬方案的正確性，對(duì)該方案進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。將電池兩端貼上膠帶使電池中段保持有間距，用鎳板將24個(gè)單電池并聯(lián)起來(lái)，電池殼上分別貼上溫度傳感器，用風(fēng)扇對(duì)電池組進(jìn)行冷卻，并在不同倍率下進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)。
3結(jié)果與分析
3.1電池間距對(duì)模塊溫度分布的影響
圖7為不同電池模塊間距時(shí)電池模塊溫度場(chǎng)分布情況。當(dāng)間距為2mm時(shí)，電池溫度最高為32.6℃，最大溫差11.6℃；隨著間距增大，最高溫度和溫差都會(huì)有顯著降低；雖然更大的間距，電池組溫度會(huì)更低，但效果有限，且會(huì)大大增加模塊尺寸。
本文模塊間距選用4mm，表4為工況測(cè)試數(shù)據(jù)。電池間距為4mm時(shí)，電池模塊最高溫度和模塊溫差最低。繼續(xù)增大電池間距，對(duì)降低電池模塊最高溫度的能力開始下降，電池模塊的溫差也開始增大。
直到電池間距增大為7mm時(shí)，電池模塊的散熱狀態(tài)勉強(qiáng)接近間距4mm時(shí)的電池模塊。因此對(duì)于本文研究的電池模塊，電池間距選擇4mm的設(shè)計(jì)參數(shù)可以讓模塊的散熱狀態(tài)達(dá)到較優(yōu)的狀態(tài)。
3.2充放電倍率對(duì)模塊溫度分布的影響
表5為不同充放電倍率溫度測(cè)試結(jié)果，1C充放電時(shí)電池最大溫升為4.6℃，最大溫差2.6℃。而2C充放電時(shí)電池最大溫升為7.2℃，最大溫差6℃。
對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用電池單體內(nèi)部多并聯(lián)接方式降低充放電倍率，可以降低電池的充放電倍率，從而不僅可以提高電池的使用容量和電壓，還能提高電池的循環(huán)壽命。
3.3集流板設(shè)計(jì)對(duì)熱電一致性的影響
如圖8為集流板的厚度、長(zhǎng)度對(duì)其發(fā)熱功率的影響，集流板長(zhǎng)度小于30cm時(shí)，其發(fā)熱功率差異性較??；而厚度對(duì)發(fā)熱則有成倍的影響。為了減少集流板的發(fā)熱率選用0.2mm厚較好。
根據(jù)公式編程計(jì)算可知，當(dāng)集流板一側(cè)開耳，靠近極耳處的電池與遠(yuǎn)離極耳處的電池焦耳熱相差1.6W，這會(huì)使電池易失去一致性，導(dǎo)致熱失衡。集流板采用兩側(cè)開耳的設(shè)計(jì)方案，可以提高電池單體外連接電阻一致性，從而保證充放電過程中的電流、電壓和發(fā)熱的一致性。
3.4風(fēng)扇風(fēng)量對(duì)模塊散熱特性的影響
為探究冷卻方式對(duì)模塊溫度分布的影響，通過控制風(fēng)扇風(fēng)量來(lái)模擬各種冷卻工況下的散熱情況。當(dāng)風(fēng)扇輸入功率為0W時(shí)，電池模塊采用的是自然散熱方式；當(dāng)風(fēng)扇輸入功率為全負(fù)荷12W時(shí)，電池模塊采用的是強(qiáng)制對(duì)流散熱。風(fēng)扇功率為0、2、4、8和12W時(shí)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)量分別為0、82、165、323和487L/min。
表6為風(fēng)扇在不同功率下的溫度測(cè)試結(jié)果，隨著風(fēng)扇功率的加大，最高溫度和最大溫差都顯著降低。當(dāng)風(fēng)扇功率超過4W，進(jìn)一步增大風(fēng)扇功率對(duì)改善電池散熱影響有限。
在儲(chǔ)能系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)中，對(duì)風(fēng)扇風(fēng)量的優(yōu)化選型不僅可以獲得較好的散熱效果，還能降低系統(tǒng)能耗。一味地增大風(fēng)扇功率，對(duì)進(jìn)一步改善電池散熱效果影響有限，還會(huì)增大風(fēng)扇的系統(tǒng)能耗。對(duì)于本文研究的電池模塊，采用功率4W、風(fēng)量165L/min的風(fēng)扇，既能滿足模塊的散熱要求，又能節(jié)約系統(tǒng)的電功耗。
4.結(jié)論
(1）對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，為了滿足系統(tǒng)溫差不超過5℃的技術(shù)要求，模組的充放電倍率最好不超過1C。采用電池單體內(nèi)部多并聯(lián)接方式增大容量，可以達(dá)到降低電池的充放電倍率的目的。
低倍率、大容量的模組設(shè)計(jì)不僅可以提高電池的使用容量和電壓，還能提高電池的循環(huán)壽命。
（2）通過模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)電池間隙，使冷卻風(fēng)能有效接觸每個(gè)電池進(jìn)行熱交換，提高換熱效率。對(duì)于本文研究的電池模塊，電池間距選擇4mm時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)可以使模塊的散熱狀態(tài)達(dá)到較優(yōu)的狀態(tài)。
集流板長(zhǎng)度超過300mm、厚度小于0.1mm時(shí)發(fā)熱較為明顯。板集流板雙側(cè)出耳的設(shè)計(jì)不僅能改善銅板發(fā)熱的一致性，還能提高電池單體外連接件電阻的一致性。
（3）在儲(chǔ)能系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)中，對(duì)風(fēng)扇風(fēng)量的優(yōu)化選型不僅可以獲得較好的散熱效果，還能降低系統(tǒng)能耗。一味增大風(fēng)扇功率，對(duì)進(jìn)一步改善電池散熱效果影響有限，還會(huì)增大風(fēng)扇系統(tǒng)能耗。
對(duì)于本文研究的電池模塊，采用功率4W、風(fēng)量165L/min的風(fēng)扇，既能滿足模塊的散熱要求，又能節(jié)約系統(tǒng)的電功耗。
參考資料：用于儲(chǔ)能系統(tǒng)鋰電池 pack 熱設(shè)計(jì)的仿真 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究；作者:張 研，曹永娣 ；黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院
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