谭 伟,徐伟晶,米 林,沈卫东

(1.重庆理工大学 车辆工程学院, 重庆 400054;2.重庆理工大学 电气与电子工程学院, 重庆 400054)

0 引言

近年来,移动储能电池方舱因具有噪音小、电能质量好、组网拓展性能好、污染小、响应速度快等优点,逐步取代以柴油发电机为主的移动电源方舱。在应急保障供电、配网不停电作业、配网临时增容及重要负荷保供电等应用场景得到广泛应用。

特种储能方舱是在移动储能电池方舱基础上,结合红外隐蔽性设计需求开发的移动储能电池方舱,其结构特点是散热出口朝向地面,这与冷热空气自然流动方向上存在矛盾,因此,有必要分析特种储能方舱内部的温度场和压力场,探明特种储能方舱风冷散热结构的散热效果,保证特种储能方舱电池系统温度保持在合理的工作范围内。

当前锂离子电池正在向高能量密度、高功率密度方向发展,与此同时,电池体积增大、产热功率增加,电池表面温度不均匀性更加显著,对于风冷方式,风冷效果的优化主要从冷却介质参数、结构参数及控制策略方面进行[1]。徐晓斌等[2]提出了一种基于套筒式热扩散板结构的新型风冷电池热管理系统,通过数值仿真研究了电池模组的风冷性能,优化电池模组的最高温度和最大温差分别降低16.12%和48.48%。吕超等[3]基于电化学-热耦合模型借助ANSYS Fluent平台对储能系统中的锂离子电池包进行仿真分析与结构优化,表明对强制风冷系统的结构优化能够大幅度提高系统的散热性能。时天禄等[4]建立了18650型LiFePO4单体电池产热模型以及电池组散热模型,分析了排布方式、电池间距等电池模块几何参数以及径向导热系数等热物性参数对电池模块散热特性的影响。任诗皓等[5]采用数值模拟的方法对锂离子电池组的风冷散热过程进行研究,利用努塞尔数Nu、阻力系数f以及JF因子来表征风冷过程中的传热、流动及其综合性能,分析了空气进口速度、进口温度以及出风口位置等参数对电池组散热效果的影响。方凯等[6]针对动力电池组在夏季高温时电池间温差过大的问题,对结构内流道的尺寸、出风口的尺寸、不同出风口开闭时与电池组温度场之间的关系进行了研究,研究表明流道形状可以较好地改善电池组内的温度不一致性。陈坤等[7]运用红外成像技术与非接触式可视化观测方法,进行了相同环境温度下不同放电倍率的热特性试验,并进行试验结果分析,表明设计电池组或电池包散热方案可提高电池系统的高效性和安全性[8]。

上述研究对不同结构的风冷散热电池系统进行温度场研究,但未涉及不同进出风口的位置以及红外隐身性能需求,研究结果不适用于特种储能方舱电池系统散热结构。本文针对上述问题,以特种储能方舱电池系统为研究对象,利用构建电池模组生热模型,采用计算流体力学的方法,对特种储能方舱的空调强制风冷散热进行数值模拟,计算出在极限工况下充放电结束节点的温度和压力,并得到特种储能方舱内部的温度场和压力场,从而探明特种储能方舱风冷散热结构的散热效果。

1 电池模组生热机理模型与验证

1.1 18650锂离子电池生热机理

为解决特种储能方舱的电池模组互换性和快速组装性,一般采用48节容量为3 200 mAh的18650电池组成模组,然后利用模组组成特种储能方舱电池系统,如图1所示。

图1 特种储能方舱电池模组

一般情况下,单体电池总发热量可表示为欧姆热和极化热之和[7]。表达式如下:

Qj=I2Re

(1)

Qp=I2Rp

(2)

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

(3)

式中:Qj表示焦耳热;Qp为电池极化热;I为工作电流;Rj为欧姆内阻;Rp表示极化内阻;Q为单体电池总发热量。

同时,求解电池热模型需要计算电池的生热速率,生热速率决定电池生热快慢,是电池热分析的基础[9]。电池生热速率计算公式如下:

(4)

式中:I为电池工作电流;T为电池温度;U和U0分别为电池的开路电压和工作电压,表示电池开路电压随温度的变化关系。

电池开路电压和工作电压的差值是由欧姆内阻引起的,表示电池反应产生的焦耳热部分;所以U0-U可以由电流I和电池总电阻R的乘积来代替,内阻值可通过HPPC实验测得[10]。

1.2 电池模组放电生热仿真计算

利用Fluent Meshing软件对电池模组网格划分,采用六面体网格,整个模型最小网格尺寸设置为2 mm,最大网格尺寸为8 mm,最终体网格总数量为26万左右,体网格剖面如图2所示。

利用Fluent仿真分析电池模组以1C、2C、3C倍率放电时的生热情况,采用自然冷却,忽略辐射传热,只考虑电池内部传热和表面对流换热,在自然对流散热时表面对流换热系数一般为3～5 W/m3[11],由于本文研究的电池包放置在储能方舱中,空气流动性差,仿真时换热系数设置为 3 W/m3。

在仿真计算时,模组初始温度设置为25 ℃,求解设为瞬态,开启能量方程,计算步长设为1 s,每步最大迭代次数设为20。在仿真软件中选取,靠近模组的中心部位的4节电池记录温升,利用温度传感器监测4节电池的最高温度。最后以1C、2C、3C倍率进行放电模拟,获得电池模组温度分布云图,如图3—5所示,结果如表1—2所示。

图3 1C电模组温度云图

图4 2C放电模组温度云图

图5 3C放电模组温度云图

表1 1C-3C放电倍率下电池生热速率

表2 不同放电倍率下电池模组温度特性

通过温度分布云图以及统计数据可知,在1C、2C、3C放电时,电池的最高温度出现在模组的中心区域,从中间4节电池向外延伸,模组温度逐渐降低。但温度相差不大,在3C放电时,模组的中心和边缘温差最大为2.8 ℃,因此,理论上可以用模组温度特性取代单体电池温度特性,降低特种储能方舱电池系统的有限元计算工作量[12]。

1.3 电池模组放电生热试验测试

利用恒温恒湿环境箱(温度调节范围:-50～120 ℃)、温度测试仪(测温度范围:-50～300 ℃;测量精确度:±1.5%;响应时间≤0.2 s)、新威电池检测设备、数据采集仪,搭建电池实验平台,通过实验测量内阻;测试电池模组的温升曲线。恒温箱和新威电池检测设备如图6—7所示。

图6 恒温箱 图7 新威电池检测设备

对电池模组进行不同放电倍率下的温升实验,记录实验过程中电池的温度变化,最后取3个点的最高温度为电池的实际温升进行分析,得到电池实验温升和仿真温升曲线,如图8—10所示。

图8 1C放电温升仿真与试验曲线

图9 2C放电温升仿真与试验曲线

图10 3C放电温升仿真与试验曲线

从图8—10可得,仿真和实验温升数据的最大误差出现在1C放电截止时间处,主要原因是电池进入低电量下限时,实际温升会发生非线性变化,但此时电池放电结束,不会导致时间继续延长后误差继续增大,也不会影响理论模型精度。通过对比分析放电倍率为1C、2C、3C时的仿真和实验温升曲线可知,两者温升曲线整体吻合度高,上升趋势一致,综合误差<3%。因此,采用模组生热特性进行特种储能方舱电池系统的温度仿真计算是可行的。

2 储能方舱模型建模与边界条件设定

2.1 储能方舱模型建模

图11为储能方舱的视图。特种储能方舱的主要结构有壳体、内部24个电池模组以及外挂空调方舱舱体为“三明治”结构,中间为真空绝热板,其导热系数为0.002 W/(m·K)因此在仿真计算过程中,可以不考虑电池方舱舱体的热交换问题,仅考虑内部的空气域和电池模组[13]。在方舱中,空调进风口处于方舱正面区域,空调出风口位于方舱背面下端。气流从上端进风口进入,从底部出风口流出,流出方向朝向地面,可以有效地满足红外隐蔽性的设计需求。

图11 储能方舱热仿真模型

气流带走电池热量的途径有2条:1)从电池模组箱体的通风槽处进入,流经电池四周进行对流换热;2)电池的轴向导热性较好,将自身热量传递到上下2层金属壳体和气流进行对流换热。

方舱内共有24个电池模组,分前后2排布置。单排电池模组以3×4的矩阵方式分布。前后2排模组上下错开一定距离。该方舱内靠近进风口的模组电池包定义为cellf,靠近出风口的模组电池包定义为cellb。以cellf为例,每一排电池从上向下定义为cellf1、cellf2、cellf3、cellf4从左向右定义为cellf1-1、cellf1-2…cellf4-3,如图12所示。对方舱内的电池模组支架等不影响散热的部分区域进行简化,可以有效降低仿真计算量。网格划分采用多面体网格,整个模型最小网格尺寸设置为2 mm,最大网格尺寸为20 mm,最终体网格总数量为649万左右,其中电池箱内流体的体网格数量为455万,电池模组体网格数量为194万,最差网格质量为0.4。

图12 模组命名示意图

2.2 储能方舱边界条件设定

特种储能方舱一般应用于野外高热、高海拔地区,属于极端环境,因此环境温度设为40 ℃。

储能方舱的流动边界条件设置为:入风口速度入口,单位时间内速度约为12 m/s,出风口压力出口,基准值为0 Pa。整个进风口的面积为40 cm×40 cm,与家用空调出风口面积相当。

储能方舱的热边界条件设置:湍流模型为K-Epsilon 模型,打开能量方程,采用瞬态计算,电池相关的热物性参数如表3所示[14]。

表3 单体电池热物性参数

参考汽车空调的计算工况[15],确定制冷剂为R134a,冷凝温度为50 ℃,蒸发温度为0 ℃。单位制冷量(q0=121.49 kJ/kg),制冷剂循环量为19.75,单位压缩功(w=46.85 kJ/kg),压缩机轴功率为0.95 kW,则空调机组功率为1.1 kW。

空调制冷效果边界件由1 kg的空气根据空调 1.1 kW的制冷功率计算得出。

3 特种储能方舱仿真计算结果与分析

由于电池的合理工作范围处于10～50 ℃[16],结合前文中对于电池模组的仿真和实验对比,总结电池在40 ℃的环境温度下,放电时均需要进行风冷散热。本文设定极限工况,仿真验证电池方舱的高温大倍率放电的使用能力。极限工况为:环境温度40 ℃,电池3C放电,空调处于持续工作状态。

在Fluent仿真过程中,监测所有电池的温度,选择报告迭代计算中的每一步中电池的最高温度,结果显示,在3C放电过程中,电池的最高温度为47.9 ℃,如图13所示。

图13 电池最高温度监测曲线

极端工况放电过程中,风机将空调产生冷却气流从方舱右端的进风口泵入方舱内部,冷却气流自左向右流动。经过24个电池模组,最终从出风口向地表方向流出,完成一个制冷循环过程。在此循环过程中,模组中的电池单体四周与冷却气流进行对流换热达到降低温度的目的,电池顶部和底部的热量传导到模组壳体,壳体和冷却气流进行对流换热。并且吸收电池模组热量的热空气随着循环流动的冷却气流带至方舱的出风口,热量最终由空调换热器带出方舱。

如图14所示,cellf区域的电池模组的整体温度低于cellb区域内的电池模组整体温度。冷却气流被风机泵入舱体后,首先与cellf区域的电池模组接触,此时的冷却气流速度和温度几乎没有损失,因此冷却气流能很快地带走cellf区域电池模组产生的热量,cellf区域内的电池最低温度达到34.4 ℃。

然而,冷却气流对cellf区域电池模组进行散热的同时,也将热量带到了cellb区域。由于传热的内在动力是因为物体之间存在温差。此时的冷却空气的温度和电池模组之间的温差明显小于初始的冷却空气的温度和电池模组之间的温差。因此cellb区域的电池模组的换热效率较差,而电池模组cellb4距离进风口最远散热效果最差,其热量堆积问题也最严重,此区域内的最高温度达到了47.9 ℃。

图14 电池温度云图

从电池温度云图来看,方舱内的整体电池温度均处于电池的合理的工作温度范围内,确保了方舱在极端工况下放电作业的可靠性。

为进一步查看单体电池的散热效果,选取cellf1-1内的battery131和cellb4-3中的battery1095进行比较,其温度分布如图15—16所示。

图15 battery131温度云图

图16 battery1095温度云图

从单体电池的温度分布看,battery131和battery1095均呈现出两端温度低,中间温度高的趋势。其单体电池的温差达到了4 ℃左右。结合对电池模组内部流场分析,可以发现,虽然电池壳体开有贯穿式通风槽,方便冷却气流从通风槽流入、流出。冷却气流可以通过电池的四周吸收热量。从云图可以看出,冷却效果并不理想。一方面,这是由于电池自身的结构所造成的。在圆柱形电池中,轴向导热系数大,周向导热系数小。在电池模组中,电池的顶部和底部都与金属壳体接触,金属导热性好且轴向导热系数大,电池的热量被传导至金属壳体,增大了与空气对流散热的接触面积。造成了两端温度低,中间温度高的现象。另一方面,由于贯穿式通风槽面积有限,冷却气流进气量小;电池之间的间隙小,冷却气流流动阻力大,换热效率低,热量堆积。

压力分布如图17所示,本文显示的压力均为绝对压力,工作环境为一个大气压。由于冷却气流被风机从方舱左侧泵入舱体后,高速高压气流首先冲击在cellf区域的电池模组,少数气流穿过模组壳体预留的通风槽,穿越模组内部电池,再直接冲击在cellb区域的电池组上表面,流动受到阻碍。整体云图的压差在220 Pa。

图17 zx截面压力云图

4 结论

通过对该特种储能电池方舱空调强制风冷动力电池系统进行极端工况的仿真分析与实验对比,得出以下结论:

1) 由于电池周向导热性较差,单纯的用冷却气流对于电池的四周散热,效果并不理想。然而充分发挥电池轴向导热性较大的优势,将电池的热量传导到导热板,再用冷却气流进行对流换热,效果较为理想。

2) 方舱内部电池模组通过对流换热和壳体表面散热可使电池模组具有较好的均温性,因此可以作为发热体进行方舱系统的热仿真计算。采用此方法,可以减少基于单体电池有限元计算工作量,大大提升仿真分析效率。

3) 方舱因红外隐身而设计的朝向地面的热出风口对舱内热量的耗散存在一定影响,比传统的下进上出的强制风冷方式压降略大。

4) 在高温环境下,必须通过空调系统进行舱内电池系统降温,但降温消耗的能耗较大。同时,电池的工作温度与充放电功率存在高度的正相关性,因此,合理控制外部负载,可以在极端环境下有效保证方舱系统的时效性和安全性。