摘 要 液流電池圖形用戶界面（graphic user interface， GUI）整合了電池堆內(nèi)部電流分布、流體阻力、穩(wěn)態(tài)自然對流散熱、結(jié)構(gòu)封裝壓力和螺柱選型?；緷M足研發(fā)人員獨(dú)立進(jìn)行多學(xué)科計(jì)算的要求，能初步評估一款電池堆的性能。多分堆構(gòu)型液流電池堆的等效電路圖采用網(wǎng)格法進(jìn)行簡化，并結(jié)合基爾霍夫電壓定律求解恒流運(yùn)行時(shí)的循環(huán)電流，并進(jìn)一步計(jì)算出堆內(nèi)逐節(jié)電池的實(shí)際通過電流、板框流道內(nèi)的旁路電流，以及堆內(nèi)主通道內(nèi)匯總的旁路電流。電池堆流體阻力受板框流道設(shè)計(jì)、外接管路、電極參數(shù)和液位落差影響。矩形流道的達(dá)西摩擦系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算，可將湍流阻力計(jì)算誤差控制到10%，層流阻力計(jì)算誤差極低，局部阻力系數(shù)采用達(dá)西3K參數(shù)式估算。電極流阻受電解液流經(jīng)長度、電極滲透率和電解液黏度的影響。由于滲透率公式的計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)驗(yàn)測量值較大，所以界面設(shè)定為實(shí)測值輸入。電池堆按照有保溫和無保溫考慮在集裝箱內(nèi)的自然對流穩(wěn)態(tài)散熱，需要的輸入?yún)?shù)包括電池堆的幾何尺寸、保溫層厚度、環(huán)境溫度和堆內(nèi)溫度。封裝力計(jì)算所用的單電池結(jié)構(gòu)是板框配合內(nèi)嵌蓋板的形式。力主要用于找平板材翹曲、將密封墊壓入密封槽、抵消內(nèi)部液體壓力和材料熱膨脹，再以此進(jìn)行螺柱選型。
關(guān)鍵詞 液流電池；仿真；電流；流體；熱；力
新型儲能設(shè)施作為電力系統(tǒng)的補(bǔ)充設(shè)備，更是清潔能源有效利用的關(guān)鍵一環(huán)。主要的技術(shù)路線包括電化學(xué)儲能(鋰電池、鉛酸、鉛炭、全釩、鐵鉻、鋅鐵等)、電磁儲能(電容、超導(dǎo)等)和物理儲能(抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪儲能等)。截至2022年底，抽水蓄能和鋰電儲能占累計(jì)裝機(jī)容量的97.5%，中美歐占全球投運(yùn)容量的80%。“十四五”期間，中國計(jì)劃建設(shè)的非抽水蓄能的新型儲能設(shè)施為64 GW。2022年，儲能進(jìn)入發(fā)展的快車道，特別是液流電池同比增長近338%。依靠數(shù)值仿真和有限元軟件等工具，以及工程化項(xiàng)目的驗(yàn)證，液流電池的降本與產(chǎn)品迭代正在加快。中外公開的論文及文獻(xiàn)涉及了液流電池的數(shù)值仿真及建模，內(nèi)容涵蓋流量與系統(tǒng)控制，電池結(jié)構(gòu)的緊湊化設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化，電極性質(zhì)參數(shù)對電池性能的影響，以及電池堆的流道設(shè)計(jì)與旁路電流的平衡等。以上論文偏向控制、材料和反應(yīng)機(jī)理的研究，而電池本體設(shè)計(jì)需要統(tǒng)籌考慮電性能、流體阻力、密封和熱管理等方面。上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于MATLAB Simulink，建立的全釩液流電池模型包含了電化學(xué)模型、流阻計(jì)算模型和系統(tǒng)熱力學(xué)模型。美國麻省理工團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一款一維線性代數(shù)的GUI界面軟件，應(yīng)用于一種刻流道雙極板的全釩單電池的數(shù)值仿真。計(jì)算包括旁路電流和流體阻力，并仿真了反應(yīng)機(jī)理，模擬出電池的充放電性能曲線?；诮档蛥⑴c設(shè)計(jì)人員的技術(shù)門檻，快速獲得概念設(shè)計(jì)電池的部分性質(zhì)參數(shù)，開發(fā)了這款界面運(yùn)行的軟件。內(nèi)部四個(gè)主頁面分別計(jì)算電池堆內(nèi)的電流分布、流體阻力、集裝箱內(nèi)的穩(wěn)態(tài)散熱，以及電池結(jié)構(gòu)的密封壓力和螺桿選型。
1 電池堆旁路電流
液流電池堆板框的流道內(nèi)和外接管路內(nèi)的電解液是導(dǎo)體，堆內(nèi)電極區(qū)反應(yīng)產(chǎn)生的電流可以通過板框表面的流道和外接管路流失，最終以熱的形式擴(kuò)散進(jìn)環(huán)境，降低電池堆的庫侖效率。因此，需要計(jì)算板框流道和電池外接管路的電阻。
通過減小流道截面積和增加流道的長度能增加電阻，降低旁路電流，但會增加流阻。另一種方式是在滿足電池電壓的前提下，將大電池堆拆分成電池節(jié)數(shù)較少的分堆，再將分堆的電路串聯(lián)，同步調(diào)整出入液管道尺寸，液路總管將電解液輸送進(jìn)被分隔板隔開的分堆控制電流損失。將電池堆液路等效成電路圖進(jìn)行分析的研究較為廣泛，例如在MATLAB Simulink界面拖拽電阻、導(dǎo)線、電壓源、電流源、安培表等模塊建立等效電路圖。若電池堆的電池單元不多，逐個(gè)修正模塊參數(shù)和拖拽較為便捷。運(yùn)行輸出的線圖的橫坐標(biāo)為運(yùn)行時(shí)間，縱坐標(biāo)為安培數(shù)。此方式僅體現(xiàn)出電池堆內(nèi)有旁路電流的累積，不體現(xiàn)每節(jié)電池的實(shí)際情況。
當(dāng)需要計(jì)算的電池單元數(shù)持續(xù)增加，流道和外接管路的尺寸進(jìn)行迭代優(yōu)化時(shí)，模塊化編程的效率低下和失效體現(xiàn)在：①重復(fù)修正嵌入模塊的內(nèi)置參數(shù)，并機(jī)械性地復(fù)制粘貼出所需模塊；②反復(fù)拖住導(dǎo)線，并連接大量模塊形成電路；③運(yùn)行出的線圖數(shù)據(jù)需要從Simulink界面導(dǎo)出成Excel形式，再導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由于電流數(shù)值不對應(yīng)電池節(jié)，并不能分析出堆內(nèi)實(shí)際的電流分布和趨勢線；④電路計(jì)算原理未知；⑤Simulink運(yùn)算時(shí)間較長。
1.1 電流損失計(jì)算原理
KVL結(jié)合網(wǎng)格法分析電路的計(jì)算方法，通用于單堆和多分堆構(gòu)型的電池。相較于節(jié)點(diǎn)法可以大幅減小線性方程的數(shù)量，避開KAL參與等式配平，減少未知電流的求解個(gè)數(shù)。
通過以上計(jì)算，可以獲得等效電路圖中圖片~圖片的循環(huán)電流。循環(huán)電流由于流動方向的不同，經(jīng)過加減后得到每個(gè)電阻的實(shí)際通過電流。電池堆內(nèi)，通過圖片的電流是每節(jié)電池的實(shí)際通過電流。通過圖片的電流是每片板框流道內(nèi)的旁路電流。匯總后通過圖片的電流是逐節(jié)電池旁路電流在公共通道內(nèi)的積累。
圖2用于對比在相同的管路與流道設(shè)計(jì)條件下，將一個(gè)整電池堆分隔出不同數(shù)量的分堆可以有效控制堆內(nèi)的旁路電流。假設(shè)一個(gè)有120節(jié)電池的電池堆被分隔板均分成2、3、4、6個(gè)分電池堆，每個(gè)分電池堆有獨(dú)立的出入液接管，但從總管進(jìn)行電解液的分配和回流。按照仿真設(shè)定的參數(shù)觀察，四種方案旁路電流值從大到小依次是2分堆、6分堆、3分堆和4分堆。圖2數(shù)值計(jì)算的旁路電流分布證明，并非液流電池的分堆數(shù)越多，漏失的電量就越少。綜合考慮裝配難度和原料成本，3分堆最優(yōu)。
1.2 電流損失計(jì)算示例
圖3所示的是電池堆機(jī)械設(shè)計(jì)因素造成的旁路電流的計(jì)算界面。運(yùn)行前需要填寫的輸入?yún)?shù)存在默認(rèn)值，不修改按照表1中的默認(rèn)值運(yùn)行。需要設(shè)定的參數(shù)如下：①選擇電解液體系，自動確認(rèn)系統(tǒng)默認(rèn)的電池標(biāo)準(zhǔn)電勢和充放電區(qū)間；②電解液條件；③恒流充放電的電流密度；④電極的寬度和長度；⑤電池堆的分堆個(gè)數(shù)和每個(gè)分堆內(nèi)的電池節(jié)數(shù)。
電池堆內(nèi)的旁路電流由液流框表面流道和電池堆的外接管路共同控制，在電池堆板框和管路設(shè)計(jì)欄中，需要輸入流道和管路的幾何尺寸。順著電解液流動方向的電極邊長為長度方向。運(yùn)算輸出的參數(shù)包含：電池堆需要的恒流充放電電流的大小、電池堆的額定功率、恒流充放電時(shí)共享通道內(nèi)匯集的最大漏電量、相對應(yīng)的庫侖效率損失率、損失的功率、電池流道框表面流道和電池堆管路在選擇的電解液電導(dǎo)率下的電阻值，以及電池單元的電阻值。
電池堆內(nèi)電流分布計(jì)算的邏輯概述如下：輸入計(jì)算參數(shù)，確定電解液的種類、電流密度、電極尺寸、電池堆分堆個(gè)數(shù)和電池節(jié)數(shù)、板框表面主要流道尺寸和主要管路的尺寸。根據(jù)網(wǎng)格法和KVL公式分析電池堆的等效電路圖，并建立相應(yīng)的計(jì)算矩陣函數(shù)，運(yùn)算出充電時(shí)刻和放電時(shí)刻每個(gè)電池單元的網(wǎng)格電流。再根據(jù)網(wǎng)格電流的走向進(jìn)行加減，求解出每節(jié)電池的實(shí)際通過電流、板框表面限流通道內(nèi)的電流、電池堆內(nèi)逐節(jié)電池共享通道內(nèi)積攢的漏電流。
圖4中逐節(jié)電池的電流數(shù)值和電池堆內(nèi)電流的分布圖均根據(jù)表1的輸入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算。電池堆在200 mA/cm2恒流充電條件下，電池堆的接入電流為500 A，電池堆的額定功率為55.2 kW。電池堆是4分堆，共享通道內(nèi)的最大積攢漏電在充電時(shí)是4.466 A，放電時(shí)是4.301 A。機(jī)械設(shè)計(jì)造成的堆體庫侖損失約1.213%，功率損失是669.6 W。液流電池每片板框限流通道的電阻是370.4 Ω，共享通道是0.02646 Ω。電池堆每段出入液管電阻是13.1 Ω，匯總管段的電阻是1.842 Ω。每節(jié)電池的材料內(nèi)阻約0.5 mΩ。
2 電池堆流體阻力
液流電池堆板框的流道和外接管路，既是控制堆內(nèi)電流損失的電阻，又是電解液進(jìn)行液路循環(huán)并參與化學(xué)反應(yīng)的通道。流體阻力與流動速度呈平方關(guān)系，泵的損耗降低系統(tǒng)效率。因此，流道設(shè)計(jì)基于低流體阻力和高電阻效應(yīng)，兩者負(fù)相關(guān)，需要通過計(jì)算找到泵損和庫侖損失的平衡點(diǎn)。電極是流體阻力的主要來源，影響因子是電極的滲透率和單位流量。通過軟件計(jì)算，可以獲得在設(shè)定參數(shù)條件下電極、流道、外接管路和堆體靜壓力的流阻值，以及各因素占比。
2.1 流阻計(jì)算原理
2.1.1 矩形流道阻力
若公式(10)計(jì)算出的矩形流道內(nèi)的雷諾數(shù)小于2300，則板框流道內(nèi)的電解液處于層流狀態(tài)，主流阻力降的計(jì)算結(jié)果很準(zhǔn)確。若雷諾數(shù)是大于4000的湍流，計(jì)算誤差約10%。由于線性方程計(jì)算精度低，無法考慮板框流道內(nèi)更多的細(xì)節(jié)影響，統(tǒng)一將計(jì)算值擴(kuò)大10% 。
2.1.2 局部阻力降
2.1.3 電極阻力降
2.2 流阻計(jì)算示例
圖5所示的是電池堆流道設(shè)計(jì)造成的流體阻力計(jì)算界面。運(yùn)行前需要填寫的輸入?yún)?shù)存在默認(rèn)值，不修改按照默認(rèn)值運(yùn)行，參見表2中的數(shù)值。電極尺寸與厚度、單位面積流量和與之相乘的流量系數(shù)，決定每節(jié)電池的額定流量。電極阻力的影響因子是電極滲透率和電解液溫度，這是因?yàn)殡娊庖旱酿ざ扰c運(yùn)行溫度相關(guān)。雖然存在電極滲透率的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，但計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量值有較大偏差。所以，界面內(nèi)需要人工輸入實(shí)際測量的滲透率，取消了計(jì)算式需要代入的碳絲直徑和卡曼-柯茲尼常數(shù)。
電池堆內(nèi)流體阻力的計(jì)算邏輯概述如下：輸入計(jì)算參數(shù)，確定電極孔隙率、滲透率、外形尺寸。確定板框表面流道的一系列尺寸、電池堆分堆個(gè)數(shù)和電池節(jié)數(shù)。電極阻力降計(jì)算通過電極孔隙率和滲透率公式結(jié)合流量進(jìn)行求解；液流框表面限流通道截面積為矩形，根據(jù)矩形流道的經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合達(dá)西定律、電池節(jié)流量，求解出主阻力降；液流框表面限流通道的局部阻力降求解代入“3K”法中的常數(shù)、電池節(jié)流量，求解出局部阻力降；電池堆出入液管路的流體阻力計(jì)算流程與限流通道相同，但根據(jù)圓管公式求解主阻力降、局部阻力降；求解電池堆進(jìn)出入管高度差造成的靜態(tài)壓強(qiáng)；繪制餅圖，體現(xiàn)電池堆內(nèi)不同流體阻力貢獻(xiàn)的占比。
圖6是電池堆內(nèi)流體阻力的貢獻(xiàn)占比，源自圖5界面，根據(jù)表2的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行的結(jié)果。其中電極占比59%，板框流道占比34%，電池堆出入液管占比6%，出入液管間高度差造成的靜壓占比1%。根據(jù)表2的輸入?yún)?shù)計(jì)算，每節(jié)電池的流量是4 L/min，每個(gè)堆正極或者負(fù)極的總流量需求是400 L/min。電極內(nèi)的平均流速是2.268 cm/s，板框流道內(nèi)的平均流速為1.6667 m/s，電池堆出入液管內(nèi)的平均流速為2.358 m/s。電池堆總的流體阻力是125.8 kPa。其中，電極的阻力降是74.07 kPa，流道總阻力降42.35 kPa，出入液管總阻力降7.814 kPa，靜壓是1.57 kPa。
3 電池堆散熱
液流電池加熱器能耗是系統(tǒng)功率損耗的另一主要來源。電池的熱管理系統(tǒng)關(guān)系到加熱器、泵、儲罐和電池堆。加熱器維持儲罐內(nèi)的電解液溫度，儲罐和系統(tǒng)的管路布置涉及散熱和保溫計(jì)算。電池堆本體既涉及散熱和保溫，又涉及充放電過程中的反應(yīng)熱計(jì)算。反應(yīng)熱產(chǎn)生量與參與電化學(xué)反應(yīng)的離子濃度、堆內(nèi)電解液體積和泵的功率相關(guān)。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件時(shí)泵勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)控加熱器讓堆內(nèi)的溫度基本恒定。電池堆的外形尺寸、外表面的保溫層厚度及其傳熱系數(shù)決定了電池堆在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的散熱量。液流電池堆一般放置在廠房或者集裝箱內(nèi)運(yùn)行。由于堆體表面溫度高于環(huán)境，邊界層散熱由溫差造成的浮力驅(qū)動，熱力運(yùn)動方向與重力方向相反。運(yùn)行程序?qū)㈦姵囟洋w簡化成四類表面：端板面、上表面、下表面和側(cè)面，并覆蓋保溫層。自然對流散熱進(jìn)行以下假設(shè)：①電池堆處于穩(wěn)態(tài)；②材料性質(zhì)參數(shù)為常數(shù)；③忽略不同材料交界面的接觸熱阻；④等效的熱學(xué)模型僅從表面散熱，材料厚度方向無熱量散失。通過程序可以計(jì)算出電池堆在不同環(huán)境溫度和堆內(nèi)溫度的條件下，堆體無保溫和有保溫時(shí)的散熱量。
3.1 散熱計(jì)算原理
因?yàn)樽匀粚α魇歉×︱?qū)動，散失方向與重力相反。水平平面和豎直平面的散熱被分成兩類模型，而水平平面散熱被進(jìn)一步分解成四種情況：①物體下表面溫度高，環(huán)境溫度低(Case A)；②物體上表面溫度低，環(huán)境溫度高(Case B)；③物體上表面溫度高，環(huán)境溫度低(Case C)；④物體下表面溫度低，環(huán)境溫度高(Case D)。豎直平面無論表面溫度高于或低于環(huán)境溫度，均采用一種模型。
3.1.1 水平平面
水平平面熱量散失模型應(yīng)用于電池堆的上下表面的計(jì)算。由于電池堆表面溫度高于環(huán)境，上表面按照Case C模型計(jì)算，下表面按照Case A模型計(jì)算。在運(yùn)用公式(23)計(jì)算瑞麗數(shù)時(shí)，需要代入的特征長度用公式(25)計(jì)算，含義如同流體中的水利直徑，即整個(gè)矩形面為熱量散失的通路，其中常數(shù)p代表散熱表面周長。為進(jìn)一步確定自然對流的導(dǎo)熱系數(shù)，需要根據(jù)瑞麗數(shù)判斷是哪一種水平散熱，參見公式(26)~(28)努塞爾數(shù)的計(jì)算。
3.1.2 豎直平面
豎直平面熱量散失的計(jì)算流程與水平平面相同，但特征長度的定義是沿著熱量散失方向的矩形表面的邊長。電池堆側(cè)面和端板面的特征長度為矩形面的短邊長。因?yàn)殡姵囟驯砻鏈囟雀h(huán)境相差不大，不會出現(xiàn)湍流一類的高強(qiáng)度對流，層流熱傳導(dǎo)用公式(29)計(jì)算得更準(zhǔn)確。
3.1.3 表面溫度迭代計(jì)算
計(jì)算平均自然對流系數(shù)圖片，需要代入努塞爾數(shù)圖片和干燥空氣的導(dǎo)熱系數(shù)圖片。熱量從堆內(nèi)散失到空氣的過程遵循能量守恒，即堆內(nèi)導(dǎo)熱出的熱量跟表面通過對流和熱輻射散失的總和相同。
按照圖7中的流程計(jì)算，若通過表面散失量與材料導(dǎo)熱量之差低于容差，初始設(shè)定的表面溫度降低圖片，重復(fù)之前的運(yùn)行進(jìn)行一次迭代計(jì)算。若表面散失量與材料導(dǎo)熱量之差高于容差，初始設(shè)定的表面溫度增加圖片，重復(fù)之前的運(yùn)行進(jìn)行一次迭代計(jì)算。直至導(dǎo)入材料的熱量與散失熱量達(dá)到平衡，終止迭代，輸出此面的表面溫度、熱輻射量及傳熱量。
3.2 散熱計(jì)算示例
圖8所示的是電池堆穩(wěn)態(tài)自然對流散熱的計(jì)算界面。運(yùn)行前需要填寫的輸入?yún)?shù)存在默認(rèn)值，不修改按照默認(rèn)值運(yùn)行。需要設(shè)定參數(shù)包括電池節(jié)數(shù)、絕緣板片數(shù)。電池堆的高度與寬度、端板的高度與寬度，如界面中的電池堆示意圖所示，并且標(biāo)明了電池體各面的位置。電池堆本體的保溫性由內(nèi)部液體距離堆體表面的距離決定。因此，還需要輸入電池堆側(cè)面的壁厚、頂面/底面壁厚，以及兩端絕緣板的厚度。程序默認(rèn)堆體的兩個(gè)側(cè)面、頂面和底面覆蓋保溫層的厚度相同，兩個(gè)端板面的保溫層厚度相同，均要在參數(shù)設(shè)定頁面內(nèi)輸入厚度值。程序默認(rèn)絕緣板的導(dǎo)熱系數(shù)為聚丙烯、電池堆端板導(dǎo)熱系數(shù)為鋼、保溫層導(dǎo)熱系數(shù)為聚氨酯。程序默認(rèn)集裝箱內(nèi)干燥空氣的溫度區(qū)間為2~52 ℃，并規(guī)定了相關(guān)空氣計(jì)算的參數(shù)值。程序默認(rèn)電池堆表面溫度為10 ℃。
運(yùn)算輸出被分進(jìn)四個(gè)頁面，按照電池堆的側(cè)面、正面、頂面、底面體現(xiàn)。每個(gè)界面內(nèi)求解出了表面在無保溫和有保溫兩種條件下，材料的熱阻值、熱輻射散熱量、傳熱散熱量和表面溫度?？偵崃康睦奂咏Y(jié)果分成無保溫、全保溫、除底面外的五面保溫，進(jìn)行情況輸出。
圖9是電池堆六個(gè)面在有保溫和無保溫條件下的散熱量，源自圖8根據(jù)表4的輸入?yún)?shù)進(jìn)行運(yùn)算，電池堆在10 ℃的集裝箱內(nèi)，堆內(nèi)溫度穩(wěn)定在40 ℃。如圖9所示，兩個(gè)側(cè)面無保溫的散熱量為106.5 W，兩個(gè)端板面的散熱量為234.1 W，堆體上表面的散熱量為142.2 W，堆體下表面的散熱量為105.3 W，無保溫電池堆的總散熱量是588.2 W。假設(shè)端板面覆蓋的聚氨酯厚30 mm，電池堆其余表面覆蓋的聚氨酯厚20 mm，全保溫的散熱量是83.67 W。一般電池堆的底面無保溫，此時(shí)總散熱量為168.3 W。
按照四種表面分類。電池堆側(cè)面無保溫時(shí)，材料熱阻是0.3796 K/W，熱輻射量13.87 W，傳熱量39.39 W，表面溫度19.8℃。使用20 mm厚聚氨酯進(jìn)行保溫，含保溫層的材料熱阻約3.48 K/W，熱輻射量2.228 W，傳熱量6.015 W，保溫層表面溫度11.75 ℃。
電池堆端板無保溫時(shí)，材料熱阻是0.1772 K/W，熱輻射量27.67 W，傳熱量89.41 W，表面溫度19.25 ℃。使用20 mm厚聚氨酯進(jìn)行保溫，含保溫層的材料熱阻約2.101 K/W，熱輻射量3.86 W，傳熱量9.665 W，保溫層表面溫度11.3 ℃。
電池堆上表面無保溫時(shí)，材料熱阻是0.1518 K/W，熱輻射量29.15 W，傳熱量113.1 W，表面溫度18.35 ℃。使用20 mm厚聚氨酯進(jìn)行保溫，含保溫層的材料熱阻約1.392 K/W，熱輻射量3.833 W，傳熱量16.64 W，保溫層表面溫度11.25 ℃。
電池堆下表面無保溫時(shí)，材料熱阻是0.1518 K/W，熱輻射量50.41 W，傳熱量54.9 W，表面溫度24 ℃。使用20 mm厚聚氨酯進(jìn)行保溫，含保溫層的材料熱阻約1.392 K/W，熱輻射量8.755 W，傳熱量10.9 W，保溫層表面溫度12.75 ℃。
4 電池堆封裝壓力與螺桿選型
圖10是通過電池堆簡化模型確定的封裝壓力和選型螺桿數(shù)量。運(yùn)行前需要填寫的輸入?yún)?shù)存在默認(rèn)值，不修改按照默認(rèn)值運(yùn)行。界面可以計(jì)算的單電池結(jié)構(gòu)是板框加內(nèi)嵌蓋板的形式，在三個(gè)分頁內(nèi)分別填入：電池各種材料的楊氏模量和密度、主要零件的表面積與厚度，以及材料熱膨脹系數(shù)和一些關(guān)鍵的計(jì)算參數(shù)，如板框片數(shù)、密封槽深度、液流框翹曲量、彈簧剛度、電池堆內(nèi)液體壓力、電極尺寸以及環(huán)境溫差。
根據(jù)等效剛度模型，計(jì)算出無螺桿電池堆的剛度與電池節(jié)數(shù)間的關(guān)系。根據(jù)密封墊凸出密封槽的量、找平板框翹曲兩項(xiàng)估算出的電池堆下壓量，結(jié)合電池堆的剛度系數(shù)，求解出電池堆的最小封裝壓力。由于熱脹冷縮，求解出抵消材料熱膨脹需要額外施加的力。根據(jù)堆內(nèi)液體壓力和電極表面積，求解出抵消液體壓強(qiáng)需要的力。總封裝壓力為螺桿預(yù)緊力的輸入?yún)?shù)，按照二選一選擇螺桿。一列是備選螺桿的型號和根數(shù)，另一列是使用螺桿的型號和根數(shù)。人工用扭矩扳手施力的最大誤差約25%。
根據(jù)材料強(qiáng)度和螺桿小徑，求解出螺桿的可承受的最大扭矩。由螺桿中經(jīng)、螺牙尺寸和接觸面摩擦力，計(jì)算出在總封裝壓力下的螺桿扭矩。需要判斷螺桿的安全扭矩和等效封裝力的實(shí)際扭矩的大小。若最大扭矩小于實(shí)際扭矩需求，說明需要增加螺桿數(shù)量或者選用更粗的螺桿。若最大扭矩大于實(shí)際扭矩需求，可以維持選型，或者減少螺桿個(gè)數(shù)或者選用更細(xì)的螺桿。運(yùn)算輸出數(shù)值是電池堆總的封裝壓力，并且細(xì)化出找平板框翹曲、壓平密封墊、抵消堆內(nèi)液體壓力、電池?zé)崦浝淇s各項(xiàng)需要的力值。
圖11表示電池堆封裝壓力各因素占比，源自圖10的輸入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算。堆體剛度是隨著電池節(jié)數(shù)的增加呈對函數(shù)遞減。電池總封裝壓力為23.11 T（1 T=10000 N）。其中，找平每片板框2 mm的翹曲需要13.62 T，占比59%。將2 mm厚密封墊壓入1.5 mm深密封槽需要3.614 T，占比16%。電池堆內(nèi)部的液體壓力預(yù)計(jì)200 kPa，需要4.077 T的力防止運(yùn)行過程中泄漏，占比18%。假設(shè)電池堆在集裝箱內(nèi)最大經(jīng)歷20℃的溫度變化，堆體需要施加1.802 T的力防止螺桿因?yàn)椴牧鲜湛s而松弛，占比8%。電池堆不含螺桿和緊固件的重量約525.6 kg。
圖12是電池堆螺桿選型計(jì)算，兩種備選螺桿是M10 x 1.5和M12 x 1.75，均使用16根，假設(shè)人工預(yù)緊的扭矩誤差為12%，等效出每根M12螺桿的預(yù)緊扭矩為37 Nm，材料安全上線約74 Nm，施力余量過多。可以維持桿數(shù)量，保證施力均勻的基礎(chǔ)上，選細(xì)一個(gè)型號。若選用M10螺桿需要進(jìn)行31 Nm的預(yù)緊，材料安全上限約42 Nm，滿足應(yīng)用條件。
5 結(jié) 論
液流電池堆的機(jī)械設(shè)計(jì)需要通盤考慮流道結(jié)構(gòu)、體積優(yōu)化、封裝壓力、保溫等方面。某一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)或者特征尺寸會影響多個(gè)指標(biāo)參數(shù)。創(chuàng)建GUI軟件的目的是讓研發(fā)人員快速獲得產(chǎn)品的部分性能進(jìn)行方案對比，加快設(shè)計(jì)迭代。將多學(xué)科物理模型和軟件代碼封裝成可視化界面，降低了電池設(shè)計(jì)工程師的技術(shù)準(zhǔn)入門檻，有利于研發(fā)人員獨(dú)立驗(yàn)證方案，并對液流電池建立全方位了解。
