中國儲能網(wǎng)訊：摘 要 對液冷儲能電池包進(jìn)行室溫環(huán)境下熱仿真分析，與相同工況下電池包熱測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，并結(jié)合實際工藝水平對熱仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以對標(biāo)測試結(jié)果，保證測點的仿真值與實驗值誤差在1 ℃之內(nèi)。利用相同熱仿真參數(shù)對高溫及低溫的極限環(huán)境工況對電池包進(jìn)行熱仿真計算，其中高溫工況電芯發(fā)熱狀態(tài)為放電末態(tài)，低溫工況為電芯靜置狀態(tài)。計算結(jié)果表明高溫工況下電芯平均溫度為39.2 ℃，最高溫度為41.2 ℃，低溫工況下電芯平均溫度為7.8 ℃，最低溫度為3.7 ℃，表明該型液冷電池包產(chǎn)品在極限環(huán)境下均可以讓電芯處在正常工作溫度區(qū)間。運用本文所述熱仿真方法可以較為全面地分析電池包在極限環(huán)境下電池包的熱狀態(tài)，在實驗成本較高或條件無法滿足的情況下評估儲能系統(tǒng)熱性能。
關(guān)鍵詞 液冷；鋰離子電池；充放電設(shè)備；熱特性
隨著國家對能源問題及環(huán)境問題的愈發(fā)重視，可再生能源和清潔能源得到了更好的發(fā)展，在國家能源結(jié)構(gòu)占比中越來越大。在此背景下，新型儲能電站得到大力推廣，其中以鋰離子電池儲能占主要地位，目前占比達(dá)90%以上。相較于其他形式儲能，鋰電池儲能具有成本低、效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝存儲方便等優(yōu)勢，但其安全性和使用壽命一直是業(yè)內(nèi)研究的重難點。由于鋰電池結(jié)構(gòu)和材料的特殊性，其對運行溫度有著較高的要求，溫度較高時會加快電芯內(nèi)部副反應(yīng)的產(chǎn)生，以至于誘發(fā)熱失控、熱蔓延等事故，低溫時電芯內(nèi)阻增加，鋰離子更易析出，會降低電池包使用壽命。
當(dāng)前在儲能領(lǐng)域，對于電池的熱管理系統(tǒng)，更多的是關(guān)注在室溫狀態(tài)下包內(nèi)電芯所處溫度狀態(tài)，劉周斌等利用數(shù)值模擬評估了室溫下儲能電池包不同冷卻方式和結(jié)構(gòu)對散熱性能的影響，并對冷卻流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，降低了電池包溫升和溫差。但實際上儲能電站在不同氣候區(qū)域都有應(yīng)用，例如新疆等地夏季氣溫可達(dá)50 ℃以上，而北方地區(qū)冬季最低溫度一般都在-20 ℃以下，這就要求儲能電站熱管理系統(tǒng)在寬溫場景下仍可保證其容量穩(wěn)定性和安全性，在這樣的環(huán)境工況下，電池包內(nèi)電芯是否仍可處在正常工作溫度下值得深入研究。李岳峰等研究了不同海拔高度下風(fēng)冷電池包的熱特性，結(jié)果表明，海拔高度的提升會導(dǎo)致電芯溫升和溫差不同程度地增加；劉磊等通過搭建低氣壓測試平臺，研究了風(fēng)冷電池包在不同海拔高度下的熱特性，結(jié)果表明電池包的散熱性能和熱穩(wěn)定性隨著海拔高度升高而降低。而對于目前廣泛應(yīng)用的液冷電池包在極端工況下的熱適應(yīng)性還少有研究。
針對上述情況，本文選取本公司某液冷電池包為研究對象，測試其在室溫環(huán)境下的溫升情況，然后在相同工況下對該型電池包做數(shù)值模擬熱仿真分析，調(diào)整其中的不可控參數(shù)以對標(biāo)實驗結(jié)果，使用相同的熱仿真參數(shù)及設(shè)置對電池包進(jìn)行高溫及低溫工況下的熱仿真分析，最后依據(jù)分析結(jié)果評估電池包在寬溫場景下的適應(yīng)性，并對熱管理系統(tǒng)提出了若干優(yōu)化建議。
1 研究對象及工況
本文研究對象為公司自研儲能電站3.72 MWh液冷儲能系統(tǒng)中單個電池包主體，含4×12=48個單體電芯，單個電芯容量280 Ah，冷卻方式為底部液冷，冷卻液進(jìn)出口分布在同側(cè)，液冷板上表面涂覆絕緣漆，然后與電芯之間以導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠黏接。電芯按正負(fù)極交錯排列，每個匯流排分別與電芯的正、負(fù)極焊接。根據(jù)熱管理系統(tǒng)設(shè)定，液冷板入口流量為5 L/min，入口溫度20 ℃，介質(zhì)為50%乙二醇水溶液。
圖1 儲能電池包模型
對于計算模型，與數(shù)值模擬熱仿真相關(guān)性較小的部件以及線束等進(jìn)行了省略，對端板、PC板等結(jié)構(gòu)件的圓角、窄縫作簡化處理。發(fā)熱該電池包充放電速率為0.5C，整個充放電過程中單個電芯發(fā)熱功率會隨著容量變化，由于實驗測得的溫度最高點通常在放電過程的最后半小時，本研究以放電過程最后半小時的平均發(fā)熱功率為準(zhǔn)，此狀態(tài)下單個電芯發(fā)熱功率約12 W，匯流排電流為140 A，表1列出了本研究的主要工況參數(shù)。
表1 工況參數(shù)
2 數(shù)值模擬及實驗
2.1 室溫工況熱仿真計算
在上述工況下將計算模型導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件進(jìn)行熱仿真計算，發(fā)熱源為電芯、匯流排和銅牌，其中電芯發(fā)熱功率按12 W計算，匯流排和銅排根據(jù)所提供電流大小進(jìn)行電熱仿真得出，單個匯流排發(fā)熱在0.4 W左右，單個銅排發(fā)熱功率在0.8～2.2 W，其余均為導(dǎo)熱部件，主要熱相關(guān)參數(shù)見表2。
表2 主要導(dǎo)熱部件熱相關(guān)參數(shù)
按所述工況及材料參數(shù)對電池包做熱仿真分析得到溫度分布云圖如圖2所示，環(huán)境溫度為常溫25 ℃。由圖可以看出，電池包后端兩個銅排溫度相對較高，這是由于這兩個銅排長度較長且厚度較前端銅排厚度小0.5 mm，導(dǎo)致電阻與其他過流部件相比較高，發(fā)熱較明顯。由于電池BMS熱管理系統(tǒng)的PTC溫感測點都位于匯流排上表面，故提取匯流排的表面溫度數(shù)據(jù)作為主要研究對象，結(jié)果顯示匯流排表面最高溫度為35.6 ℃，最低溫度為31.5 ℃。
圖2 常溫下電池包溫度分布
2.2 室溫工況溫升實驗
對電池包做溫升實驗，實驗室開啟空調(diào)保持25 ℃恒溫，溫度由電池包集成的BMS系統(tǒng)自動采集，匯流排表面間隔布置有16個溫感測點，每隔2～3個匯流排布置有一個測點，如圖3所示。液冷板進(jìn)出水口分別與水冷機(jī)出水口、回水口連接，水冷機(jī)出水溫度保持20 ℃恒溫。按照實際應(yīng)用場景要求，以0.5C充放電倍率進(jìn)行一個充放電循環(huán)，其中充電結(jié)束后靜置半小時再進(jìn)行放電，熱測試結(jié)果如圖4所示。
圖3 熱測試電池包樣品
圖4 熱測試溫度變化曲線
提取各個測點放電進(jìn)程的最后半小時的平均溫度與3D穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗證，見表3，除了T1與T16外，仿真值比實驗值高出1 ℃左右，其中最大誤差在T13測點，仿真值比實驗值低了1.24 ℃。T1與T16為總正與總負(fù)的銅排連接處，由于螺栓預(yù)緊力和絕緣膠套方面的關(guān)系，發(fā)熱量計算相比于實際值略小，導(dǎo)致仿真得出的溫度數(shù)據(jù)略低于實驗值?？傮w來看，可認(rèn)為按此方法和參數(shù)得出的熱仿真數(shù)據(jù)較為可靠。
表3 熱測試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對比
2.3 極限工況熱仿真分析
依據(jù)實測數(shù)據(jù)，如新疆、廣州等地夏季集裝箱內(nèi)最高環(huán)境溫度可達(dá)40 ℃左右，而北方地區(qū)冬季箱內(nèi)最低環(huán)境溫度會降至-20 ℃。本研究取最高溫度45 ℃，最低溫度-20 ℃為極限工況的環(huán)境溫度對電池包進(jìn)行熱仿真分析，其中高溫工況下電芯發(fā)熱量與前述室溫下所取相同，為放電進(jìn)程最后半小時的發(fā)熱狀態(tài)，低溫工況下電芯保持靜置狀態(tài)，發(fā)熱功率為0，仿真結(jié)果分別如圖5、圖6所示。
圖5 環(huán)境溫度45 ℃下電池包溫度分布
圖6 環(huán)境溫度-20 ℃下電池包溫度分布
本研究主要評估電池包的熱管理能力，故在此極限工況下主要提取電芯自身溫度為主要考察點，以研究極限工況下電芯的安全性和壽命受到溫度方面影響的程度。據(jù)已有研究表明，磷酸鐵鋰電池正常工作溫度在0～45 ℃，在此溫度范圍內(nèi)電池壽命及安全性受溫度影響較小。表3分別為極限高溫、低溫工況下電芯的最高溫度、最低溫度和平均溫度，可以看出，在45 ℃和-20 ℃的極限環(huán)境溫度下，電池包內(nèi)電芯的溫度仍可保持在正常工作溫度范圍內(nèi)。
表3 極限工況下電芯溫度(℃)
另外，從長期運行的角度來看，在某些地區(qū)極限工況的持續(xù)時間較長，冬季低溫氣溫甚至比-20 ℃更低的情況下，如果按現(xiàn)有底部液冷產(chǎn)品的熱管理能力來評估，還是無法很好地保證電池長期運行帶來的容量衰減率和安全性，因此后續(xù)還需要在熱管理策略及結(jié)構(gòu)設(shè)計中進(jìn)一步優(yōu)化，比如調(diào)整冷卻液進(jìn)口溫度、改變液冷板設(shè)計、選用導(dǎo)熱性更好的導(dǎo)熱材料等，可以在目前的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高電池包的熱適應(yīng)性。
3 結(jié) 論
為評估電池包在極限環(huán)境工況下的熱適應(yīng)性，本研究在對標(biāo)了室溫下熱測試與熱仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，分別對電池包進(jìn)行環(huán)境溫度45 ℃和-20 ℃下的熱仿真分析模擬，研究結(jié)果表明：
（1）環(huán)境溫度45 ℃工況下，電池包內(nèi)電芯最高溫度達(dá)到41.2 ℃，平均溫度為39.2 ℃，尚在磷酸鐵鋰電池正常運行溫度范圍內(nèi)，但對安全性及壽命有一定影響；
（2）環(huán)境溫度-20 ℃工況下，電芯最低溫為3.7 ℃，平均溫度為7.8 ℃，處于電池最佳運行溫度范圍；
（3）考慮到儲能電池包更長期安全地運行，還需要從結(jié)構(gòu)、熱管理、材料等方面進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計以適用更嚴(yán)苛的市場需求。
