特種儲能方艙電池系統(tǒng)低溫快速預(yù)熱研究
作者：譚偉 馬克 徐偉晶 米林 陳楷翼
單位：重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院
引用： 譚偉,馬克, 徐偉晶, 等. 特種儲能方艙電池系統(tǒng)低溫快速預(yù)熱研究[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(11): 3369-3378.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0471
摘 要 針對高原高寒環(huán)境無外界供能條件下，特種儲能方艙電池系統(tǒng)冷啟動困難，啟動時(shí)間長，供電性能衰減嚴(yán)重導(dǎo)致的應(yīng)急支援保障能力下降問題，進(jìn)行特種儲能方艙低溫快速預(yù)熱自啟動方法研究。通過分析儲能方艙電池系統(tǒng)容量需求、溫度邊界條件與低溫啟動時(shí)間需求，計(jì)算儲能電池組和低溫啟動電池組的容量配比；建立電池組三維產(chǎn)熱模型，采用數(shù)值模擬方法，確定熱管最佳布置方式。通過正交試驗(yàn)法探究預(yù)熱結(jié)構(gòu)中各因素對電池系統(tǒng)升溫性能的影響，并進(jìn)行參數(shù)選優(yōu)。設(shè)計(jì)了采用閉環(huán)液體預(yù)熱耦合加熱管的預(yù)熱系統(tǒng)并建立仿真分析模型，對熱管對流換熱下的電池系統(tǒng)升溫性能進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：在-20 ℃的環(huán)境溫度下，儲能方艙電池系統(tǒng)可在10 min內(nèi)快速預(yù)熱至5 ℃以上的正常工作溫度，滿足應(yīng)急支援保障需求。
關(guān)鍵詞 儲能方艙；鋰離子電池；低溫預(yù)熱；閉環(huán)熱耦合
特種儲能方艙作為一種靈活性高的鋰離子電池儲能裝置，可為野外軍事訓(xùn)練、應(yīng)急支援、科考勘探、通信維修等場合提供穩(wěn)定的供電保障。但在高原高寒環(huán)境下，無外界保溫加熱能源供應(yīng)，儲能電池系統(tǒng)受低溫環(huán)境影響，冷啟動時(shí)間長，供電性能衰減，導(dǎo)致應(yīng)急支援保障能力嚴(yán)重下降。因此，設(shè)計(jì)特種儲能方艙高效快速的冷啟動方案與預(yù)熱系統(tǒng)具有重要意義。
低溫環(huán)境下，鋰離子電池的峰值功率和可用電量大幅度下降。Herreyre等為解決電解質(zhì)溶液導(dǎo)電性較差的問題，引入乙酸乙酯和丁酸甲酯保證鋰離子電池的低溫性能，研究表明鋰離子電池在低溫環(huán)境下性能衰減的主要原因是電極擴(kuò)散減弱，并排除電極表面性能變差的可能性。阮海軍采用敏感性分析方法確定電化學(xué)模型的高敏感參數(shù)，通過對不同模型參數(shù)的電池充放電情況進(jìn)行量化分析，最終確定造成鋰離子電池低溫可用容量衰減的主要因素為較低的固相擴(kuò)散系數(shù)。上述研究表明，要使低溫環(huán)境下鋰離子電池系統(tǒng)供電性能得到提升，必須進(jìn)行電池系統(tǒng)的預(yù)熱，使電池系統(tǒng)工作在合適的溫度區(qū)間。
目前，關(guān)于儲能方艙的預(yù)熱系統(tǒng)研究較少，一般借鑒車輛動力電池的預(yù)熱技術(shù)，主要為外部預(yù)熱方案。外部加熱方法根據(jù)預(yù)熱介質(zhì)的不同分為空氣預(yù)熱、液體預(yù)熱、固體預(yù)熱?？諝忸A(yù)熱的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單容易實(shí)現(xiàn)，但會造成單體電池之間的溫度不均勻性，同時(shí)在低溫環(huán)境下，空氣預(yù)熱會和外界有較大的對流換熱，能效較低。液體預(yù)熱則是利用水、丙二醇、氟化液等流動介質(zhì)直接或者間接為電池加熱，預(yù)熱效果快速高效。王發(fā)成等針對動力電池組設(shè)計(jì)了一種空氣自加熱裝置，對比研究該裝置在吹氣模式、吸氣模式和吹吸氣混合模式的加熱性能，結(jié)果表明吸氣加熱模式能實(shí)現(xiàn)大溫差換熱，換熱效率最高，加熱效果最佳。栗曉杰研究了電池系統(tǒng)在低溫下采用液熱和加熱膜的加熱性能，結(jié)果表明不同加熱方式下電池系統(tǒng)的充電容量和能量接近，但采用液熱耦合加熱膜加熱方式的溫升速率約等于液熱和加熱膜加熱兩種方式分別加熱的溫升速率之和。Lei等對35 Ah大功率鋰離子電池進(jìn)行低溫充放電特性實(shí)驗(yàn)，提出寬線金屬膜加熱電池的方法。研究表明，使用寬線金屬膜加熱可以顯著改善電池組性能，加熱后的電池組可實(shí)現(xiàn)大電流充放電，功率接近80%。盡管上述預(yù)熱方法對電池系統(tǒng)的性能提升明顯，但預(yù)熱過程較長，一般需要20 min時(shí)間，存在著較長的能源供應(yīng)空窗期，無法滿足特種應(yīng)用場景下的快速供能需求。同時(shí)，特種儲能方艙一般作為獨(dú)立的供電設(shè)施，還存在無外部預(yù)熱能源供應(yīng)問題。
針對上述問題，本文提出一種低溫電池與儲能電池組合配比方案，并設(shè)計(jì)快速高效的預(yù)熱系統(tǒng)，可有效縮短特種儲能方艙預(yù)熱啟動時(shí)間，降低預(yù)熱能耗，拓展特種儲能方艙的使用場景范圍，提升應(yīng)急支援電源體系和軍民機(jī)動供電保障能力。
1 特種儲能方艙低溫自預(yù)熱策略設(shè)計(jì)
1.1 鋰離子電池選型與性能分析
在儲能鋰離子電池類型中，三元鋰電池的儲能能量密度高，但低溫性能差，鈦酸鋰電池低溫性能優(yōu)越，但能量密度低。為使特種儲能方艙同時(shí)滿足高能量密度和高低溫性能需求，方艙電池系統(tǒng)采用三元鋰電池儲能電池組和鈦酸鋰低溫加熱輔助電池組的組合形式。
1.1.1 三元鋰電池
某型號三元鋰電池的放電實(shí)驗(yàn)特性曲線如圖1所示。
圖1 不同倍率下三元鋰電池環(huán)境溫度影響容量衰減曲線
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在25 ℃的環(huán)境溫度下，不同倍率下放電容量變化不大，三元鋰電池在0.2 C、0.3 C、0.5 C、0.7 C、1 C放電倍率下的保持率分別為100.1%、99.8%、98%、97.6%、97%。在-20 ℃低溫環(huán)境下，三元鋰電池進(jìn)行1 C倍率放電時(shí)，由于端電壓在放電的瞬間掉到保護(hù)電壓，因此無法放出電量。在同樣的放電倍率，不同的環(huán)境溫度下，容量保持率分別為79%、74%、60%、43%、0%。三元鋰電池的能量密度較高，但是低溫性能較差。
1.1.2 鈦酸鋰電池
某型號鈦酸鋰電池的放電實(shí)驗(yàn)特性曲線如圖2所示。
圖2 不同倍率下鈦酸鋰電池環(huán)境溫度影響容量衰減曲線
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鈦酸鋰電池在25 ℃環(huán)境溫度下，不同的放電倍率對放電容量的影響較小。同時(shí)鈦酸鋰電池由于其正負(fù)極材料對低溫的耐受性，在-20 ℃的環(huán)境溫度下，其放電容量依然維持在90%以上。鈦酸鋰電池的低溫性能較好，但是能量密度較低。
1.2 電池系統(tǒng)自預(yù)熱與供能策略設(shè)計(jì)
為了滿足持續(xù)性供電和電池性能可靠性，結(jié)合實(shí)際應(yīng)急支援保障條件下的供能需求，將儲能電池組的預(yù)熱時(shí)間設(shè)定為10 min。在前10 min內(nèi)，由于儲能電池組無法低溫放電，處于供能空窗期，此時(shí)由低溫性能好的鈦酸鋰電池組供能，同時(shí)鈦酸鋰電池組在10 min內(nèi)將儲能電池組預(yù)熱至正常工作溫度；10 min后，儲能電池組預(yù)熱達(dá)到目標(biāo)溫度，控制將儲能電池組能量導(dǎo)至輸出端進(jìn)行供電，持續(xù)對外供能，鈦酸鋰電池組將輔助適應(yīng)負(fù)載側(cè)的功能變化，如圖3所示。
圖3 供能策略和預(yù)熱策略
1.3 儲能電池組預(yù)熱目標(biāo)溫度分析
根據(jù)儲能方艙的使用工況，設(shè)計(jì)了環(huán)境溫度在25 ℃、5 ℃、0 ℃和-20 ℃時(shí)的循環(huán)充放電對比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
圖4 三元鋰電池循環(huán)測試容量保持曲線
分析圖4可知，在25 ℃的30次測試中，18650B三元鋰電池的放電容量稍微有所波動，但一直維持在標(biāo)定容量的附近，沒有任何衰減的跡象。在5 ℃的30次測試中，其放電容量有輕微下降，第30次的放電容量為3098 mAh，對比第1次的放電容量降低了37 mAh，容量衰減1.2%。在-20 ℃的30次測試中，電池的放電容量有明顯下降，第30次的放電容量為1640 mAh，對比第1次的放電容量降低了402 Ah，容量衰減19.7%。-20 ℃時(shí)，電池容量從2042 mAh衰減至1640 mAh僅僅使用了30次，而本批次電池的使用壽命為600～1000次，顯而易見，低溫下充放電對電池的循環(huán)使用壽命影響巨大。當(dāng)溫度為0 ℃時(shí)，18650B三元鋰電池容量曲線在前20次測試過程中，容量呈現(xiàn)出整體緩慢下降的趨勢。但后續(xù)放電容量呈現(xiàn)振蕩變化，主要原因是該恒溫箱的實(shí)際誤差在1 ℃左右，當(dāng)測試溫度設(shè)置為0 ℃時(shí)，其內(nèi)腔實(shí)際溫度在-1 ℃到1 ℃來回變化，而該批次的電池對于0 ℃左右的溫度變化較為敏感，因此出現(xiàn)上述情況。
通過在不同溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，將三元鋰電池儲能組的預(yù)熱目標(biāo)溫度設(shè)定為5 ℃，即可保證儲能方艙對外供能需求。
2 儲能方艙電池系統(tǒng)容量配置與拓?fù)湓O(shè)計(jì)
2.1 儲能電池組容量配置與拓?fù)湓O(shè)計(jì)
研究容量配置時(shí)，應(yīng)該先確定儲能方艙的各項(xiàng)性能要求。本工作研究的儲能方艙的性能需求如表1所示。
表1 儲能方艙性能參數(shù)
因負(fù)載側(cè)持續(xù)輸出要求為200 kWh，查電芯參數(shù)表，得知該型三元鋰電池屬于具有代表性的典型電芯，其最大持續(xù)放電倍率為1 C，理論電池系統(tǒng)總?cè)萘孔钚∨渲弥禐?
式中，P為負(fù)載側(cè)持續(xù)輸出功率，為200 kW；t為輸出持續(xù)時(shí)間；C為放電倍率；圖片為逆變效率，取0.95。
三元鋰電池在5 ℃左右，日常使用容量保持約為常溫25 ℃的90%～95%，因使用場景要求嚴(yán)苛，故取最低限值90%，同時(shí)對三元鋰電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，修正容量Q1為
5 ℃左右時(shí)，需要260 kWh的純逆變輸入容量，方可滿足200 kW×1 h的逆變輸出需求。同時(shí)為滿足戶外、救災(zāi)、搶修供電等應(yīng)急場景之需求，儲能方艙的可拆卸使用單元電壓需滿足家用電器的電壓要求，即大于或等于220 V。電池系統(tǒng)的儲存電量公式為
式中，u0為18650B三元鋰電池的電壓值，取3.7 V；A0為18650B三元鋰電池的容量，取3.4 Ah，n為串聯(lián)電池的節(jié)數(shù)；m為并聯(lián)電池的節(jié)數(shù)。最終確定的儲能方艙電池系統(tǒng)如表2所示。
表2 每層級電壓、容量、電量表
2.2 輔助電池組容量配置與拓?fù)湓O(shè)計(jì)
鈦酸鋰電池的整體對外輸出的功能需求主要有2個(gè)部分。第一部分為在前10 min，儲能電池組因低溫?zé)o法放電，留有供能空窗期，鈦酸鋰電池需要對儲能方艙負(fù)載側(cè)持續(xù)輸出功率；第二部分是前10 min內(nèi)，鈦酸鋰電池對三元鋰電池儲能系統(tǒng)的預(yù)熱能量的提供。
理論鈦酸鋰電池系統(tǒng)的總?cè)萘孔钚∨渲弥禐?
式中，P為負(fù)載側(cè)持輸出功率，為200 kW；t為輸出持續(xù)時(shí)間，為10 min；C為放電倍率；圖片為逆變效率，取0.95。鈦酸鋰電池在-20 ℃左右，日常使用容量保持約為常溫25 ℃的96.4%～98.6%，因使用場景要求嚴(yán)苛，故取低限值96.4%，同時(shí)對三元鋰電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，修正容量Q1為
-20 ℃左右時(shí)，需要6 kWh的純逆變輸入容量，方可在滿足10 min內(nèi)200 kW的逆變輸出需求。根據(jù)鈦酸鋰生產(chǎn)廠家的說明與實(shí)驗(yàn)論證，鈦酸鋰電池可以維持10 min以上的120 W最大對外持續(xù)放電。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖5所示。
圖5 鈦酸鋰電池循最大持續(xù)放電功率
從功率需求方面，鈦酸鋰電池的數(shù)量為
根據(jù)預(yù)熱能量需求：
式中，Qw為預(yù)熱總能量，Cb為18650B鋰電池的比熱容，mb為18650B鋰電池的總質(zhì)量，Tb為預(yù)熱終止溫度，E為對流換熱的損失能量，C1為其余材料的比熱容，m1為其余材料的總質(zhì)量，T1為其余材料的預(yù)熱終止溫度。最終求解獲得整體對電池標(biāo)準(zhǔn)包的預(yù)熱功率為2400 W。
綜上，一共需要2335塊鈦酸鋰電池才能滿足儲能方艙前10 min的負(fù)載側(cè)和預(yù)熱側(cè)的供能需求。
最終整體的儲能方艙的三維結(jié)構(gòu)如圖6所示，右側(cè)灰色的區(qū)域?yàn)閮δ茈姵亟M，左側(cè)的黃色區(qū)域?yàn)檩o助電池組。
圖6 儲能方艙三維結(jié)構(gòu)圖
3 預(yù)熱系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)仿真與影響因素分析
3.1 電池標(biāo)準(zhǔn)包預(yù)熱方案設(shè)計(jì)與仿真
由于電池模組與液熱板之間的換熱情況和標(biāo)準(zhǔn)包外殼表面的對流為主要換熱行為，其余組件與電池或者冷板之間的換熱行為可忽略。因此，本工作設(shè)計(jì)橫向雙蛇形流道液冷管道布局方案，如圖7和圖8所示。
圖7 橫向雙蛇形布局的電池標(biāo)準(zhǔn)包內(nèi)部圖
圖8 橫向雙蛇形布局的流道
利用Fluent對該流道布置的液熱板預(yù)熱效果進(jìn)行仿真。在仿真過程中需要對仿真的邊界條件進(jìn)行設(shè)置：箱體的表面設(shè)置為對流散熱，對流散熱系數(shù)為5 W/(m2·K)，對流溫度為-20 ℃；冷板入口為速度型入口，速度分別設(shè)置為0.2 m/s、0.5 m/s、1 m/s，冷板出口為壓力型出口；環(huán)境溫度為-20 ℃。仿真結(jié)果如圖9～圖11所示。
圖9 流速為0.2 m/s橫向蛇形雙流道的仿真結(jié)果
圖10 流速為0.5 m/s橫向蛇形雙流道的仿真結(jié)果
圖11 流速為1 m/s橫向蛇形雙流道的仿真結(jié)果
上述仿真結(jié)果表明：采用橫向雙蛇形布置預(yù)熱的電池標(biāo)準(zhǔn)包，最高溫度都出現(xiàn)在靠近進(jìn)口端的單體電池的底部，而最低溫度出現(xiàn)在靠近出口端的單體電池的頂部。整體電池的溫均性隨著流速的提高而變換。
3.2 正交實(shí)驗(yàn)分析
由于影響電池預(yù)熱溫度和溫均性的因素很多，因此本工作基于橫向蛇形雙流道的液熱板布置方案，利用正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分析各因素對預(yù)熱效果和能耗的影響。在工程實(shí)踐中，液體的溫度是一個(gè)持續(xù)變化的過程，很難進(jìn)行定性分析。研究相關(guān)論文可知，液體的溫度對電芯的最高溫度和最低溫度影響較大，對壓降和溫差影響較小。因此，在分析預(yù)熱效果對于三因素(液體溫度、液體流速和管道寬度)的敏感度時(shí)，需要選取某一因素進(jìn)行變量控制，在設(shè)計(jì)相關(guān)正交試驗(yàn)時(shí)只以電芯溫差和壓降作為評價(jià)指標(biāo)。選擇L16(2413)的正交表，設(shè)計(jì)正交表頭如表3所示。
表3 正交因素水平表
根據(jù)表3所示的正交因素水平表，由于其并非是標(biāo)準(zhǔn)正交表，需要結(jié)合組合法和擬水平法對其進(jìn)行改造?？傆?jì)建立17次試驗(yàn)所對應(yīng)的仿真計(jì)算模型，選擇電池間最低溫度和流體壓降為評價(jià)指標(biāo)。利用Fluent軟件進(jìn)行仿真分析，其仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
表4 正交試驗(yàn)結(jié)果
通過對以上結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到如下結(jié)論：以壓力為對象，流速為高度顯著因素、管徑為顯著因素，溫度為不顯著因素；以最低溫度為目標(biāo)，液體溫度為顯著因素，其余為不顯著因素；而對于最大溫差，這3個(gè)因素在范圍內(nèi)均是不顯著因素。雖然液體溫度是最低溫度的顯著因素，但分析17組正交試驗(yàn)結(jié)果可知，增加入口液體溫度并不能徹底解決電芯最低溫度偏低的問題。
基于綜合平衡考慮，選擇0.5 m/s和30 mm管徑的方案。
4 電池標(biāo)準(zhǔn)包閉環(huán)液熱耦合加熱膜的預(yù)熱系統(tǒng)仿真與優(yōu)化
在實(shí)際工程低溫環(huán)境的應(yīng)用場景中，液體溫度應(yīng)該是與環(huán)境溫度一致。預(yù)熱過程實(shí)際是預(yù)熱元器件對液體進(jìn)行加熱，水泵開始轉(zhuǎn)動，預(yù)熱液體通過液熱板給電池預(yù)熱。同時(shí)，增加入口液體溫度并不能徹底解決電芯最低溫度偏低的問題。
為解決上述問題，本節(jié)設(shè)計(jì)閉環(huán)液熱耦合加熱膜預(yù)熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用UDF語言實(shí)現(xiàn)液體閉環(huán)預(yù)熱、加熱元器件對液體預(yù)熱、加熱膜對電池正極預(yù)熱3個(gè)部分。閉環(huán)預(yù)熱的實(shí)現(xiàn)過程是首先定位出口的ID，獲取出口處的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的面積和溫度值；然后計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)面積的加和以及所有節(jié)點(diǎn)的面積和溫度乘值的加和，獲得水口溫度的算術(shù)平均值；最后以分析時(shí)間步為基準(zhǔn)，將前一計(jì)算步的出口溫度的算術(shù)平均值賦值給下一計(jì)算步的入口。
進(jìn)水口的水溫應(yīng)該是出水口溫度的算術(shù)平均值，公式(9)如下所示。
式中，Tinlet為入口液體溫度，Ti為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值，ci為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的面積，其中i=1, 2…n。
本工作將PTC材料放置在進(jìn)水口側(cè)用于預(yù)熱進(jìn)水口的液體。同時(shí)在儲能電池的正極覆蓋一層厚度為0.25 mm的聚酰亞胺加熱膜。
最終，基于閉環(huán)液熱耦合加熱膜的標(biāo)準(zhǔn)包預(yù)熱系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)如圖12所示(箱體和電池模組上層絕緣層做了透明化處理)。
圖12 基于循環(huán)冷鏈和加熱膜的電池標(biāo)準(zhǔn)包
4.1 PTC恒定功率工作狀態(tài)下的仿真
利用Fluent軟件對標(biāo)準(zhǔn)包進(jìn)行仿真，將PTC視為體積熱源，其工作狀態(tài)為2340 W恒功率。在電池模組的上絕緣層設(shè)置薄殼傳熱，薄殼厚度為0.25 mm，功率為2.5 W/cm2。設(shè)置環(huán)境溫度為-20 ℃，加載UDF程序，設(shè)置仿真時(shí)間為600 s。仿真結(jié)果如圖13～圖15所示。
圖13 進(jìn)出口平均溫度曲線
圖14 標(biāo)準(zhǔn)包溫度云圖
圖15 單體電池溫度云圖
由圖13可知，出口的時(shí)間溫度曲線和進(jìn)口的時(shí)間溫度曲線完全吻合，這表示UDF中的將出口液體的面網(wǎng)格溫度的算術(shù)平均值賦給下一步的入口溫度的功能成功實(shí)現(xiàn)。由圖14可知，在PTC恒定功率預(yù)熱600 s后，整體電池的最低溫度在5.98 ℃，滿足預(yù)熱需求。但是由于PTC一直處于恒定功率工作狀態(tài)，液體處于持續(xù)加熱狀態(tài)，靠近入口的液體溫度一直持續(xù)升高，導(dǎo)致靠近入口區(qū)域的電池負(fù)極溫度較高，最高溫度達(dá)到18.8 ℃。液體經(jīng)過在液熱板內(nèi)的對流換熱，到出口處的液體溫度降低，因此出口側(cè)的電池平均溫度最低，最終導(dǎo)致整個(gè)電池標(biāo)準(zhǔn)包溫差較大，電池間的最高溫差達(dá)到12.82 ℃。如圖15所示，單體電池的正負(fù)極溫差達(dá)到9 ℃。較大的溫差不僅會引起電池的性能不一致性，還會造成較高的能量損失，該預(yù)熱結(jié)果能夠滿足系統(tǒng)需求，但造成電池的均溫性較差，因此需要對PTC工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。
4.2 PTC恒定功率轉(zhuǎn)恒溫工作狀態(tài)下的仿真
本節(jié)將首先設(shè)置PTC陶瓷加熱器為恒功率工作狀態(tài)，持續(xù)對液體進(jìn)行加熱，同時(shí)監(jiān)測液熱板進(jìn)口處的液體溫度。當(dāng)檢測到進(jìn)入液熱板的液體溫度為10 ℃時(shí)，此時(shí)PTC加熱器轉(zhuǎn)為恒溫工作狀態(tài)，將液熱板進(jìn)口處的液體溫度始終保持在10 ℃。整個(gè)預(yù)熱總時(shí)間依然為10 min。設(shè)置環(huán)境溫度為-20 ℃，利用Fluent軟件對電池標(biāo)準(zhǔn)包進(jìn)行仿真。結(jié)果如圖16～圖18所示。
圖16 進(jìn)出口液體溫度曲線
圖17 0～450 s電池標(biāo)準(zhǔn)包溫度云圖
圖18 450～600 s電池標(biāo)準(zhǔn)包溫度云圖
由仿真結(jié)果可知，在0～450 s內(nèi)，PTC陶瓷加熱器處于恒定功率區(qū)間，液體溫度從-20 ℃一直上升至10 ℃。在閉環(huán)循環(huán)冷鏈的作用下，PTC進(jìn)水口的液體溫度和出水口的液體溫度幾乎完全重合。從451 s開始到600 s結(jié)束，PTC處于恒溫工作狀態(tài)，保證進(jìn)口的液體溫度一直維持在10 ℃。將PTC設(shè)置為恒溫狀態(tài)預(yù)熱150 s后，電池的最低溫度達(dá)到5.4 ℃，電池的最高溫度出現(xiàn)在最靠近液熱板入口的電池正負(fù)極區(qū)域，最高溫度為9.9 ℃。電池之間的最大溫差僅為4.5 ℃。PTC恒功率轉(zhuǎn)恒溫的預(yù)熱方案不僅能滿足整體的電池預(yù)熱需求，還能將電池之間的溫差控制在5 ℃以內(nèi)，保證電池溫度的一致性。同時(shí)，將電池的最高溫度控制在10 ℃以內(nèi)，減少預(yù)熱系統(tǒng)的能量損失。
4.3 電池簇預(yù)熱仿真分析
儲能方艙中儲能電池系統(tǒng)的幾何模型龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。若將整個(gè)儲能電池系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真，存在計(jì)算量大，求解時(shí)間長的問題。而儲能電池系統(tǒng)是由7簇電池簇并聯(lián)構(gòu)成，且電池簇的額定電壓為220 V，滿足電壓使用需求。因此電池簇具有典型的代表性，故本工作將只進(jìn)行電池簇的熱仿真分析。電池簇幾何模型見圖19。
圖19 電池簇幾何模型
結(jié)合前述PTC恒定功率轉(zhuǎn)恒溫的預(yù)熱策略，在預(yù)熱10 min后得到圖20所示的溫度云圖。
圖20 電池簇溫度云圖
由圖20所示的仿真結(jié)果可知，整個(gè)4層單體電池的最低溫度為5.14 ℃，最高溫度為9.6 ℃，整體最大溫差控制在4.46 ℃。電池簇的整體溫度分布為從進(jìn)口側(cè)向出口側(cè)降低。預(yù)熱效果較差的為最底層的電池包，這是由于進(jìn)水主管路的流向設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的，因此最低的溫度出現(xiàn)在底層電池包的靠近出口側(cè)的電池中段部分。
5 結(jié)論
本工作針對特種儲能方艙在低溫環(huán)境下電池性能衰減和難以對負(fù)載不間斷供電的問題，對儲能方艙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、容量配置以及預(yù)熱策略進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下。
（1）提出三元鋰電池儲能電池組和鈦酸鋰低溫加熱輔助電池組的組合形式，并為其設(shè)計(jì)了預(yù)熱策略和加熱策略，能夠有效解決特種儲能方艙在預(yù)熱過程中供能空窗期的問題。
（2）通過電池低溫性能實(shí)驗(yàn)可知，在低溫環(huán)境下，儲能電池的容量衰減嚴(yán)重，1 C放電容量保持率為0%，放電輔助電池性能受低溫影響較小，容量保持率在90%以上。
（3）針對提出的新型儲能架構(gòu)，設(shè)計(jì)了閉環(huán)液熱耦合加熱膜預(yù)熱系統(tǒng)，并通過Fluent仿真驗(yàn)證其預(yù)熱效果，結(jié)果表明預(yù)熱系統(tǒng)能夠在10 min內(nèi)將儲能電池從-20 ℃預(yù)熱到5 ℃以上，且整體最大溫差控制在4.46 ℃。
