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本文亮點：1、對實際調(diào)峰工況下的電池進(jìn)行液冷研究；2、采用調(diào)節(jié)冷卻液流向和增大流量的方式優(yōu)化液冷，提高冷卻的均溫性并設(shè)置最優(yōu)流量區(qū)間；3、采用最大溫度與平均溫度的差值來評判均溫性是否提高
摘 要 調(diào)峰是電池儲能電站重要運(yùn)行的工況，電池冷卻對儲能電站電池安全運(yùn)行至關(guān)重要，本文對磷酸鐵鋰電池組在調(diào)峰工況下的液冷技術(shù)進(jìn)行研究。首先對磷酸鐵鋰電池組在實際調(diào)峰工況下的產(chǎn)熱以及電池的液冷冷卻進(jìn)行研究，建立磷酸鐵鋰電池組在調(diào)峰工況下的產(chǎn)熱模型以及液冷冷卻模型，其次對磷酸鐵鋰電池組在調(diào)峰工況下的液冷模型進(jìn)行優(yōu)化，通過有限元仿真分析，最后，采用調(diào)節(jié)冷卻液流向以及合理調(diào)節(jié)流量等方式對液冷冷卻進(jìn)行優(yōu)化。仿真與實驗結(jié)果表明：合理設(shè)置不同冷卻管冷卻液流向可有效提高液冷散熱的均溫性，通過仿真溫度云圖的對比并創(chuàng)新地采用圖片 (最大溫度與平均溫度的差值)來體現(xiàn)不同方案均溫性的優(yōu)劣；增大流量雖然有助于降溫，但液冷倍率達(dá)到2.0以上時，冷卻效果增加有限，但能耗大大增加，通過仿真結(jié)果提出最佳的流量范圍為1.5~2.0。本文所提方案均已通過實驗驗證，并在儲能電站電池冷卻進(jìn)行實際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 鋰離子電池；調(diào)峰；液冷；有限元仿真
隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略和以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)不斷推進(jìn)，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源接入給電網(wǎng)帶來了巨大的壓力，電化學(xué)儲能是緩解電力-電量平衡矛盾的重要措施。鋰離子電池具有比能量/密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，成為電網(wǎng)儲能電站的首選。當(dāng)前，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)處于飛速發(fā)展階段，據(jù)國家工信部報告，2022年全國鋰離子電池產(chǎn)量超過750 GWh，同比增長130%。然而，作為一種極其復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，鋰離子電池仍然面臨著顯著的安全問題[6]，特別是近年來因鋰離子電池故障而引發(fā)的起火事件頻頻發(fā)生。缺乏良好的冷卻設(shè)施是導(dǎo)致電池起火事故的主要原因之一，因此，本文對電網(wǎng)調(diào)峰模式下電站儲能電池液冷冷卻進(jìn)行研究，并對目前儲能電站冷卻方式進(jìn)行優(yōu)化。
目前，儲能電站液冷散熱通過較強(qiáng)的熱交換對電池進(jìn)行快速降溫，是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點。Bernardi等學(xué)者基于能量守恒的基本原理，對電池進(jìn)行熱力學(xué)計算，得到了目前廣泛應(yīng)用的電池模型。
在電池液冷方面，孫廣強(qiáng)等學(xué)者設(shè)計了一種冷卻固定一體化冷板，采用數(shù)值模擬方法探究了冷卻液入口流量、環(huán)境溫度和冷卻固定孔深度等參數(shù)對一體化冷板冷卻性能的影響，并與蜂窩狀冷板進(jìn)行了性能比較。元佳宇等學(xué)者設(shè)計了具有單向流通結(jié)構(gòu)和雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)的蛇形管路電池組熱管理系統(tǒng)。Mousavi Sepehrd等學(xué)者提出了一種結(jié)合相變材料(PCM)和液體冷卻的新型混合冷卻系統(tǒng)，以實現(xiàn)方形電池包的高性能和安全性。但是，當(dāng)前文獻(xiàn)對實際電池參與調(diào)峰的產(chǎn)熱情況研究較少，特別是對設(shè)置不同冷卻管冷卻液流向模式、最優(yōu)流量調(diào)節(jié)策略等均缺少研究。
在電池參與調(diào)峰方面，譚增強(qiáng)等學(xué)者分析了煤電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻技術(shù)的現(xiàn)狀，對調(diào)峰下電池產(chǎn)熱進(jìn)行了分析。Xue等學(xué)者開發(fā)分析了一種基于熱泵-有機(jī)朗肯循環(huán)(HP-ORC)的新型調(diào)峰的儲能系統(tǒng)，并通過溫度對電池產(chǎn)熱進(jìn)行了分析。林海等學(xué)者對儲能調(diào)峰電力系統(tǒng)優(yōu)化做了研究，研究了調(diào)峰的儲能電池的產(chǎn)熱模型。文獻(xiàn)[12-14]都是考慮了儲能電池參與調(diào)峰調(diào)頻實際工況時的產(chǎn)熱，提出了調(diào)峰模式下電池的產(chǎn)熱模型，但由于受文章篇幅限制，缺乏對于如何進(jìn)行冷卻來控制溫度的考慮。
因此，本文對實際調(diào)峰工況下電池的產(chǎn)熱方式進(jìn)行研究，對產(chǎn)熱的模型進(jìn)行液冷冷卻仿真分析，通過建立電池組冷卻結(jié)構(gòu)模型，對其進(jìn)行分析并提出優(yōu)化方案，提出冷卻液交叉式流入策略以及流量調(diào)節(jié)策略。本文研究對調(diào)峰工況下提高電池組的使用性能和壽命具有重要的現(xiàn)實意義。
1 電池?zé)崽匦约耙豪錈醾鲗?dǎo)分析
熱特性研究是冷卻技術(shù)研究的基礎(chǔ)，本節(jié)首先對調(diào)峰工況下的儲能電池產(chǎn)熱特性進(jìn)行分析。
電池應(yīng)用于電網(wǎng)高峰運(yùn)行時，進(jìn)行多次充放電，電池內(nèi)部會發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生熱量。磷酸鐵電池的放熱主要包括反應(yīng)熱、焦耳熱、極化熱以及副反應(yīng)熱，產(chǎn)熱的表達(dá)式為：
2 儲能電池產(chǎn)熱和散熱仿真分析
以磷酸鐵鋰電池為研究對象，其正極材料為磷酸鐵鋰，負(fù)極材料為石墨。磷酸鐵鋰電池儲能技術(shù)在新能源高效消納、電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，與三元鋰電池相比，磷酸鐵鋰較好的安全性使其在儲能領(lǐng)域更具有應(yīng)用前景。
采用Comsol進(jìn)行冷卻研究，Comsol是一款大型的高級數(shù)值仿真軟件。廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計算，模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過程。Comsol是以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程(單場)或偏微分方程組(多場)來實現(xiàn)真實物理現(xiàn)象的仿真，本文根據(jù)儲能電池的實際調(diào)峰工況搭建模型，并進(jìn)行仿真計算分析，分別在調(diào)峰工況下對底部液冷和側(cè)邊液冷進(jìn)行分析并得出相關(guān)結(jié)論。
2.1 仿真邊界條件
用Comsol軟件對電池冷卻進(jìn)行仿真分析時對儲能電池冷卻系統(tǒng)作出以下幾點假設(shè)：①固液之間無相對滑動；②忽略流體慣性力以及邊界壓力差為0；③忽略冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變形；④在考慮電池產(chǎn)熱時只考慮占比最大的焦耳熱，忽略其他三種熱。
在瞬態(tài)求解計算時采用湍流模型進(jìn)行計算，周邊的冷卻管內(nèi)為流體區(qū)域，電池設(shè)為固體區(qū)域，流體固體的接觸面為流固耦合的傳熱邊界，環(huán)境溫度為25 ℃。
如表1所示為本文仿真分析所用電池的實際參數(shù)，以電池工作電壓為2.7~3.8 V，單體電量220 Ah，充電最大電流為110 A，電池簇為8塊電池串聯(lián)，電池與電池之間有6 mm的間距。仿真電池的數(shù)據(jù)與實際電池數(shù)據(jù)相一致。
表1 仿真與實測用電池簇參數(shù)
2.2 仿真中實際調(diào)峰工況
25 ℃時電池調(diào)峰工況110 A恒充恒放曲線如圖1所示。將實際工況的電流作為仿真輸入，后續(xù)對仿真中的電池進(jìn)行溫度的分析。
圖1 現(xiàn)場工況下的電流曲線
2.3 仿真研究
2.3.1 調(diào)峰工況仿真產(chǎn)熱研究
電池仿真產(chǎn)熱幾何模型如圖2所示。
圖2 電池產(chǎn)熱幾何模型圖
仿真前要先進(jìn)行網(wǎng)格剖分，采用自由四面體網(wǎng)格對電池極柱進(jìn)行網(wǎng)格剖分，采用自由三角形網(wǎng)格對電池表面進(jìn)行剖分，仿真軟件自動構(gòu)建網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖2所示。
將實際調(diào)峰工況下的電流數(shù)據(jù)輸入到仿真模型當(dāng)中，電池在調(diào)峰工況下110 A恒充恒放時電池產(chǎn)熱的結(jié)果如圖3所示。熱仿真步驟如下：①將實際調(diào)峰工況波形作為模型輸入，以公式(7)傳熱方程來實現(xiàn)電池傳熱，電導(dǎo)率理論選擇電流接口；②塞貝克系數(shù)理論研究選擇電流、固體傳熱以及電化學(xué)熱進(jìn)行多物理量耦合；③網(wǎng)格剖分后進(jìn)行仿真計算。
圖3 電池產(chǎn)熱模型溫度分布圖
電池最高溫度可以達(dá)到36.8 ℃，長時間工作在此溫度下對電池壽命有較大影響，因此需要對電池進(jìn)行冷卻。系統(tǒng)采用底部液冷和側(cè)邊液冷的方式，液冷板結(jié)構(gòu)如圖4所示，下面基于此分別觀察電池組在不同液冷方式下溫度下降的程度以及整體均溫性的效果。
圖4 液冷板結(jié)構(gòu)圖
2.3.2 液冷冷卻位置
磷酸鐵鋰電池組目前主流的冷卻方案為底部冷卻和側(cè)面冷卻，在0.5 C的平均充電倍率下對電池組進(jìn)行液冷冷卻仿真(冷卻液的基準(zhǔn)流量為10 L/min，對應(yīng)的入口處冷卻液流速為0.1 m/s)，在調(diào)峰工況下液冷仿真的溫度分布如圖5(a)、5(b)所示，為便于下面對比分析，本文稱之為冷卻方案一與冷卻方案二。
圖5 25 ℃下調(diào)峰液冷溫度分布圖
冷卻方案一：冷卻液從圖所示的底部方向流入流出，經(jīng)過一定換熱，底部與產(chǎn)熱較多的極耳處存在一定的溫差。所以，整體溫控趨勢為下部溫度低上部溫度高，進(jìn)口溫度低出口溫度高。底部液冷可以將電池最高溫度控制在27.2 ℃以下，整體降溫達(dá)到了9.6 ℃，從降溫總量看，達(dá)到降溫的目的；但整體溫差為2.2 ℃，整體溫度分布不夠均勻。
冷卻方案二：冷卻液從圖5(b)示側(cè)邊方向流入流出(為了圖例更加清楚只畫出一側(cè)的冷卻液流向)，經(jīng)過一定換熱，可以看出，入口處換熱效果是優(yōu)于出口處的效果。主要的冷卻位置為兩側(cè)邊，與方案一對比，方案二無論是的降溫總量還是均均溫性均好于方案一。本文仿真的調(diào)峰工況下側(cè)邊液冷可將最高溫度控制在26.5 ℃以下，整體的溫差控制在1.5 ℃左右。
最高與最低溫度差不能說明電池整體均溫性的效果(一般最低溫度為冷卻液進(jìn)口溫度，人們關(guān)心的重點不是進(jìn)口最低溫度，而是電池的最高溫度)，為了對電池散熱均溫性進(jìn)行量化分析，定義圖片為電池的平均溫度與最高溫度的差值，作為電池均溫性是否提高的評判標(biāo)準(zhǔn)(電池平均溫度已在圖中用紅點標(biāo)出)。冷卻方案一的圖片為1.4 ℃，冷卻方案二的圖片為0.9 ℃。
2.4 液冷仿真優(yōu)化
2.4.1 調(diào)節(jié)冷卻液流入方向優(yōu)化液冷
本文中，冷卻方案一和二都將電池的溫度控制在28 ℃以下，此時，冷卻的均溫性對電池壽命影響更大，所以本文先采用調(diào)節(jié)冷卻液流向的方式優(yōu)化液冷散熱的均溫性。
對冷卻方案一，不但要考慮均溫性，還有考慮降溫效果，優(yōu)化結(jié)果如圖6所示(冷卻方案三)。冷卻方案三在底部液冷中交叉設(shè)置流入流出口，最高溫度控制在27.7 ℃以下，而圖片控制在0.7 ℃，方案三的均溫性相較于方案一提高較多，但降溫總量上表現(xiàn)較差，最高溫度相對原來方案一甚至略有上升。
圖6 底部液冷異側(cè)流入的溫度分布圖
交叉式流入的方式對提高均溫性的效果體現(xiàn)在電池的圖片中，由于方案三相較于方案一的圖片明顯下降，均溫性明顯提高。因此，選用方案一與方案三的溫度對比圖來驗證均溫性是否提高。如圖7所示為底部液冷冷卻方式在調(diào)整冷卻液流向前后的電池溫度曲線對比圖。
圖7 調(diào)整冷卻液流入方向前后的溫度曲線對比圖
圖7(a)為冷卻方案一的溫度曲線圖，圖7(b)為冷卻方案三的溫度曲線圖，藍(lán)色線表示電池組運(yùn)行時的最高溫度，紅色線表示電池運(yùn)行時的平均溫度，綠色線表示電池運(yùn)行時的最低溫度，從圖中可以看出，對于冷卻液交叉流入方式，雖然整體溫度都上升，但圖片從1.5 ℃降低到0.7 ℃(如圖中AB點的溫差與CD的點溫差)，溫差降低，均溫性提高。但降溫效果仍有不足，需要采取其他方式進(jìn)一步優(yōu)化方案一的降溫效果。
上述方案二在降溫效果方面已基本達(dá)到要求，但圖片仍較大，均溫性還有優(yōu)化的空間。首先對方案二進(jìn)行優(yōu)化，先取三種有代表性的流入方向來優(yōu)化冷卻。如圖8所示為側(cè)邊液冷改變流入方向的溫度分布圖(為圖例表達(dá)清楚只畫出了部分流入流出方向)。
圖8 側(cè)邊液冷改變流入方向的溫度分布圖
冷卻方案四如圖8(a)所示，冷卻液兩側(cè)流向相反，可以將最高溫度控制在26.7 ℃以下，同時也能提高整個電池組的均溫性，圖片為0.7 ℃。
冷卻方案五如圖8(b)所示，每側(cè)8個冷液進(jìn)出口分為兩組，不但對側(cè)流向相反，而且上下兩組流向也相反。這種方案的仿真結(jié)果整體可以將最高溫度控制在26.6 ℃以下，通過這種優(yōu)化方式，可以做到降低溫度的同時也能提高電池整體的均溫性，圖片為0.5 ℃。
冷卻方案六如圖8(c)所示，將冷卻流入方式由多管同向流入改為每個相鄰管均反向流入，即冷卻液進(jìn)出口間隔設(shè)置流入與流出(交叉流入方式)。仿真結(jié)果表明，交叉流入方式，圖片為0.4 ℃，并且溫度云圖顯示整體溫度最均勻。
在方案四~方案六中，最高溫度與最低溫度之間的差值比方案二大，但圖片較小，電池溫度云圖的溫度分布更均勻，大部分電池均溫性上升，可能存在小部分電池均溫性較差，但整體均溫性仍然是提高的，可見文獻(xiàn)[17]。
2.4.2 增大流量優(yōu)化液冷
對于通過上述改變冷卻液流向的優(yōu)化方案，雖然溫差大大減小，均溫性得到明顯提升，但電池組降溫總量不明顯，甚至有的方案最高溫度還略有上升，此時對于電池壽命的主要影響因素變?yōu)殡姵氐淖罡邷囟?，因此，進(jìn)一步采用增大流量的方式優(yōu)化降溫效果。如圖9為通過增大入口處冷卻液流量來優(yōu)化液冷的溫度分布，將流入口的流量分別增大為原來流量的2倍和3倍，可以看到，增大入口處的流量對于控制溫度有顯著的作用(基準(zhǔn)流量時的電池溫度分布見圖5)，但是流量進(jìn)一步增大，對降溫的提升效果不明顯，并且在工程實際當(dāng)中，增大流量會增加冷卻成本，因此，采取合理的流量增大策略在工程應(yīng)用中至關(guān)重要。
圖9 液冷增大流量的溫度分布圖
增大冷卻液流量的倍率與電池最高溫度的關(guān)系如圖10所示，可以看出，底部液冷的冷卻液流量倍率增大到2.0左右時，側(cè)邊液冷的冷卻液流量倍率增大到1.5左右時，電池溫度變化減緩(低于仿真的測量分辨率)，這時進(jìn)一步增大流量溫度下降有限，但冷卻成本增加。實際工程中底部液冷可以將流入口的流量倍率控制在1.5~2.0倍，而側(cè)邊液冷可以將流入口倍率控制在1.5倍左右即可。
圖10 液冷倍率與最終溫度的關(guān)系曲線
2.4.3 液冷優(yōu)化結(jié)果
如表2所示，通過調(diào)整冷卻液流入方向和調(diào)節(jié)冷卻液流量兩種不同方法對液冷進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。調(diào)整冷卻液流入方向側(cè)重點是增強(qiáng)電池整體的均溫性，可以看到相較于方案一方案二，流入方向由同側(cè)流入改為異側(cè)交叉流入后圖片都有所下降，證明改變流入方向的優(yōu)化方式的有效性；增大冷卻液流量側(cè)重于電池的溫度控制，制定合理的流量調(diào)節(jié)策略可以實現(xiàn)降溫總量與經(jīng)濟(jì)性的雙效最優(yōu)。
表2 液冷優(yōu)化方式總結(jié)
因此，綜合考慮降溫效果與均溫性后，最終冷卻優(yōu)化方案為，側(cè)邊液冷采用方案五，并將流量倍率增加到1.5倍，底部液冷采用方案三，將流量倍率增加到2.0倍。最終的冷卻效果如圖11所示。
圖11 側(cè)邊液冷與底部液冷最終方案溫度分布圖
通過改變側(cè)邊液冷的冷卻液方向可以很好地提高電池冷卻的均溫性，同時，在該方案下[圖11(a)所示]，可以采用較低的冷卻液增大倍率即可達(dá)到較好地溫度控制效果，底部液冷最終方案[圖11(b)]通過改變冷卻液流向和流量倍率也可達(dá)到溫度控制的目的，實際工程中出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，可使用優(yōu)化后的底部液冷，對溫度較高的電池組使用側(cè)邊液冷，以達(dá)到冷卻效果與經(jīng)濟(jì)效益的綜合最優(yōu)。
3 儲能電池實驗分析
3.1 實驗平臺
實驗平臺如圖12(a)所示，由上位機(jī)、具有雙通道的寧波拜特BT60V300AC2電池測試系統(tǒng)等組成，每個電池設(shè)置溫度傳感器。電池處于恒溫箱中，通過上位機(jī)設(shè)置每一工步具體參數(shù)，調(diào)節(jié)策略參照鎮(zhèn)江某儲能電站的電網(wǎng)調(diào)峰實際工況，包括調(diào)峰電流，靜置時間等，對儲能電池組產(chǎn)熱方式進(jìn)行實驗驗證，最終利用上位機(jī)監(jiān)控電池溫度、電流電壓等參數(shù)。
圖12 實驗平臺
液冷散熱實驗系統(tǒng)如圖12(b)所示，每一個單元格內(nèi)對電池進(jìn)行底部液冷，通過溫度傳感器記錄溫度變化，傳遞到上位機(jī)讀取溫度讀數(shù)。
3.2 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比
電池在模擬電網(wǎng)調(diào)峰模式下產(chǎn)熱狀態(tài)的溫度仿真與實驗對比曲線如圖13所示。由圖13可以看出仿真溫度與實際溫度的差值都在1 ℃之內(nèi)，達(dá)到誤差標(biāo)準(zhǔn)，實驗驗證了仿真模型的正確性。由于現(xiàn)場溫度傳感器安裝位置在電池的極耳處，也就是發(fā)熱最嚴(yán)重的地方，所以產(chǎn)生溫度會比仿真溫度略高。
圖13 電池產(chǎn)熱的溫度實驗與仿真對比曲線
電池在模擬電網(wǎng)調(diào)峰模式下底部液冷(方案一)的溫度仿真與實驗對比曲線如圖14所示。圖14的工況相較于圖13略有改變，充放電中間添加了1 h的靜置時間(停止充放電1 h)，圖14的波動是因為這種工況下，充放電結(jié)束后會靜置1 h，此時，液冷單元仍在工作，溫度會下降，而靜置結(jié)束后，電池組重新開始充放電，溫度又會再次上升，所以溫度存在一定波動。通過實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比，電池最終冷卻溫度為27.2 ℃與實驗數(shù)據(jù)27 ℃差值在1 ℃之內(nèi)，可以驗證電池底部液冷散熱仿真模型的準(zhǔn)確性。
圖14 電池底部液冷的溫度實驗與仿真對比曲線
4 結(jié) 論
本文對儲能電站電池組在實際調(diào)峰工況環(huán)境下產(chǎn)熱與冷卻進(jìn)行仿真與實驗分析研究，得出以下三點結(jié)論：
（1）建立了儲能電池在實際調(diào)峰工況下的產(chǎn)熱模型，采用仿真溫度與實驗溫度對比的方式驗證了產(chǎn)熱模型的正確性。仿真與實測結(jié)果表明，25 ℃的室溫中，儲能電池的最高溫度達(dá)到36.8 ℃。
（2）對液冷優(yōu)化方面，采用了調(diào)節(jié)冷卻液流向和增大流量的方式來優(yōu)化液冷冷卻的效果：冷卻液交叉流入方式可以一定程度上提高冷卻的均溫性；增大流量對降溫有較好的效果，但增大到一定倍率后降溫效果不明顯。一般流量增大倍率在1.5~2.0之間為冷卻效果與經(jīng)濟(jì)性均較好，工程實際中可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行參考，選擇合適的方式進(jìn)行液冷優(yōu)化。
（3）儲能電池調(diào)峰工況下底部液冷方式，降溫效果雖可達(dá)到要求，但是整體溫差較大；側(cè)邊液冷方式不僅降溫效果好，均溫性也達(dá)到要求，但成本較高。實際工程一般情況下可使用優(yōu)化后的底部液冷，對溫度較高的電池組使用側(cè)邊液冷，以達(dá)到冷卻效果與經(jīng)濟(jì)效益的綜合最優(yōu)。
