海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计.pdf
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1、第 12 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.12 No.9Sept.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计李岳峰1,2,韦银涛1,2,彭宪州1,2,项峰1,2,王杭烽1,2,孙勇1,2,徐卫潘1,2,黄文强1,2(1浙江运达风电股份有限公司,浙江 杭州 310012;2浙江省风力发电技术重点实验室,浙江 杭州 310000)摘要:自然条件恶劣的高海拔地区对储能设备的环境适应性提出了严峻的挑战。而作为储能设备核心的锂电池包,因其在工作过程中会大量产热导致温升、温差过高,因
2、此需要实施严格的热管理方案。显然,海拔高度的变化将直接对锂电池包的散热性能产生影响。因此,为了评估储能锂电池包在不同海拔工况下的热特性,本工作以某强制风冷系统为研究对象,首先阐述了海拔高度变化对于电池系统参数的具体影响,接着通过数值模拟探究了海拔高度从04000 m变化对于电池温度特性的影响,最后针对高海拔工况提出散热结构的优化方案。结果表明:海拔高度变化主要是通过改变空气参数及风扇特性从而影响风冷系统的热特性;随着海拔高度的提升,电芯温升和温差均有不同程度增加;且当海拔高度高于1000 m后,温升增加率较高;在高海拔工况下,通过增加进风口面积和提升风扇转速的优化方案可以有效降低系统电池的温升
3、和温差。本工作为今后储能电池系统在高海拔的工程应用提供详细的温度数据、规律及优化参考。关键词:储能锂电池;热特性;海拔高度;优化设计doi:10.19799/ki.2095-4239.2023.0365 中图分类号:TM 912 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)09-2954-08Thermal simulation analysis and optimal design for the influence of altitude on the forced air cooling system for energy storage lithium-ion batter
4、y packLI Yuefeng1,2,Wei Yintao1,2,PENG Xianzhou1,2,XIANG Feng1,2,WANG Hangfeng1,2,SUN Yong1,2,XU Weipan1,2,HUANG Wenqiang1,2(1Zhejiang Windey Co.,Ltd.,Hangzhou 310012,Zhejiang,China;2Key Laboratory of Wind Power Technology of Zhejiang Province,Hangzhou 310000,Zhejiang,China)Abstract:The environmenta
5、l adaptability of energy storage equipment is severely hampered by high altitude and harsh natural circumstances.Lithium battery packs,as the core of energy storage equipment,require stringent thermal management due to high-temperature rise and temperature differences caused by large amounts of heat
6、 generation during operation.It is obvious that changes in altitude directly influence the thermal characteristics of the lithium battery pack.In evaluating the thermal characteristics of the energy storage lithium-ion battery under different altitude conditions by adopting a forced air cooling syst
7、em,this research elucidated 储能测试与评价收稿日期:2023-05-29;修改稿日期:2023-06-09。基金项目:浙江省科学技术厅项目(2023C01123)。第一作者及通讯联系人:李岳峰(1995),男,博士,高级工程师,研究方向为储能、发电机热管理及涡轮叶片主动热防护技术,E-mail:。引用本文:李岳峰,韦银涛,彭宪州,等.海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计J.储能科学与技术,2023,12(9):2954-2961.Citation:LI Yuefeng,Wei Yintao,PENG Xianzhou,et al.Therma
8、l simulation analysis and optimal design for the influence of altitude on the forced air cooling system for energy storage lithium-ion battery packJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(9):2954-2961.第 9 期李岳峰等:海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计the specific effects of altitude on the battery syst
9、em parameters,investigated the influence of altitude(04000 m)on the temperature characteristics of the battery,and then proposed an optimum scheme for the heat-dissipating structures at high altitude condition.The results showed that a change in altitude influences the thermal characteristics of the
10、 forced air cooling system by altering air parameters and fan characteristics.The temperature rise and difference of cells increase in varying degrees with altitude,and the rate of temperature increaseis relatively high after 1000 m.Under high altitude conditions,optimization of increasing the inlet
11、 area and fan speed decreases the temperature rise and difference for the system battery.This researchprovides detailed temperature regular and optimization references for future engineering applications of energy storage battery systems under high altitude conditions.Keywords:energy storage lithium
12、-ions battery;thermal characteristics;altitude;optimal design近年来,在“碳达峰,碳中和”战略的推动下,大规模储能需求逐渐增加。2022年7月,国家发改委公开表示“大力推进以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点大型风电光伏基地建设”,这也对配建高效储能提出了更高的要求。沙漠、戈壁和荒漠主要位于我国西北部,这些地区往往自然条件恶劣,海拔较高,对储能设备的环境适应性提出了严峻的挑战。作为储能设备核心的锂电池,需要执行严格的热管理,这是因为其在充放电过程中会大量产热导致温升、温差过高,严重时极可能造成整个系统热失控1,2。锂电池主要通过与周围空气的对
13、流换热散热,而随着海拔高度的提升,空气性质(如密度、压强等)会发生显著改变,空气性质变化将会对电池温升、温差产生影响。因此,探究海拔高度变化对电池热特性的影响是十分必要的。然而当前,海拔高度变化对于系统散热影响的研究绝大多数限于计算机、散热器等设备3-9。不同海拔对于锂电池热特性影响的研究少之又少。仅刘磊等10通过实验手段研究了海拔高度分别为0 m和4000 m时风冷电池包的热特性。通过对比发现:随着海拔高度的上升,电池温升增大,温度均匀性下降。但该研究并未给出定量的温升和温差变化情况,同时由于海拔工况较少,因此无法总结出一定的温度变化规律。针对上述情况,本工作选取了某强制风冷电池包系统作为研
14、究对象,首先详细阐述了海拔变化对于该系统性质的影响,接着通过数值仿真定量探究了海拔高度从04000 m变化对于电池温升、温差的影响情况,最后针对高海拔工况提出有效的散热结构优化方案。本工作旨在为今后储能电池系统在高海拔的工程应用提供一定的温度数据、规律及优化参考。1 理论分析1.1物理模型本工作选取自研储能锂电池包强制风冷散热系统作为主要研究对象,系统结构及工作原理如图1所示。整个电池包共由22个电芯组成,排成对称两列。在该系统同排相邻电芯间隙外侧设置若干矩形送风口,用于输送来自外界的冷气;异排电芯间设有内部风道结构,电芯最前端设置排气风扇,用于及时汇集并排出电芯产热。1.2海拔高度变化对风冷
15、系统空气性质的影响1.2.1大气压强随着海拔高度的增加,地球万有引力减小。因此在高海拔处,压力产生的效果被削弱,大气压强呈下降趋势,风冷系统的空气压强减小。海拔高度图1储能锂电池包强制风冷散热系统结构示意图Fig.1The schematic of forced air cooling system for energy storage lithium-ions battery pack29552023 年第 12 卷储能科学与技术和大气压强的关系可用公式(1)表示:P(H)=P01-(2.25577)(10-5)H 5.2599(1)式中,P表示大气压强;P0表示海平面大气压强;H表示海拔高
16、度。1.2.2空气密度随着海拔高度的增加,空气中分子的分布随着其势能的增加而衰减,导致风冷系统空气密度呈下降趋势。不同海拔高度的空气密度可用公式(2)计算:(H)=P(H)RdaT 1+1.608w(H)1+w(H)(2)式中,表示系统空气密度;H表示海拔高度;P表示大气压强;w表示空气湿度;Rda表示气体常数。1.2.3环境温度海拔高度与环境温度的关系通常用公式(3)表示:T(H)=15-0.005H(3)式中,T表示环境温度;H表示海拔高度。显然,随着海拔高度的增加,空气温度呈下降趋势。因此对于本工作的强制风冷散热系统来说,工作时需提前将周围环境温度提升至电池正常工作的温度范围内。1.2.
17、4空气黏度空气黏度大小与环境温度变化有关。随着海拔高度的增加,环境温度下降,分子运动削弱,因此系统空气黏度有所降低。空气黏度和环境温度的关系可用萨特兰公式表示:/0=()T T032()T0+BT+B(4)式中,表示空气黏度;T表示环境温度;B表示与气体种类有关的常数,空气气体常数B=110.4 K;下标0表示温度为15 时的基准工况。1.3海拔高度变化对风冷系统风扇的影响对于强制风冷散热系统,位于电芯最前端的排气风扇由于具有及时散出电芯热量的能力,因此其工作强度成为决定风冷系统散热水平的重要指标之一。而决定风扇性能的主要是静压-流量(P-Q)曲线,由参考文献11可知:风扇的P-Q曲线会随着海
18、拔高度的升高而变化。此外,据实测经验,随着海拔高度的变化,风扇转速也发生了一定程度的改变。因此,海拔高度的变化影响了风扇的散热性能。风扇法则(fan law):Q2=Q1(N2N1)(5)P2=P1(21)(N2N1)2(6)式中,Q表示流量;P表示大气压强;N表示风扇转速;下标1、2分别表示海拔高度变化前后工况。由此可见,P和Q主要由系统空气的密度及风扇转速决定。因此,海拔变化后风扇的P-Q曲线可由式(5)、式(6)重新评估。2 数值仿真2.1计算模型本工作计算域主要由电芯域、系统空气域及风扇域组成,如图2所示。图2也显示了强制风冷系统的散热模式,即冷气从侧边矩形进风口吹入同侧电芯间隙,在和
19、电芯表面对流换热后,产热汇入内风道,最终由风扇将高温空气抽出。2.2计算工况及边界条件通 过 数 值 仿 真 模 拟 了 海 拔 高 度 从 0 m 到4000 m变化时强制风冷散热系统内电池包的温度变化情况。根据1.2节公式推算出不同海拔高度下空气压强及密度情况。表1列出了待研究海拔工况及相对应的空气参数变化情况。对于系统风扇,由于在4000 m内风扇随海拔高度变化较小,因此忽略转速变化。由1.3节中公式,可认为流量Q不随海拔高度的变化而发生改变,同时根据空气密度变化推算静压P变化,从而得到不同海拔高度下P的变化情况。风扇不同海拔高度下的压强-速度(P-v)性能曲线如图3所示。表2中列出了主
20、要计算边界条件。表3列出了电芯热物性参数,考虑电芯内部导图2计算域示意图Fig.2The schematic of the computational domain2956第 9 期李岳峰等:海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计热的各向异性。2.3计算设置本工作选取某商业软件进行仿真。其中,湍流模型选取Realizable k-模型,空气密度采用boussinesq假设。残差收敛标准设置如下:连续性、动量及湍流方程残差低于1.010-5,能量方程残差低于1.010-7。在空气域内设置若干监测点,确保残差收敛时监测点温度达到稳定。将二阶迎风格式应用于各项方程离散,同时采用
21、Coupled 算法进行高精度稳态计算,调节各项松弛因子保证计算的稳定性和收敛性。2.4网格生成和无关性验证分别对流体区域和固体区域进行高精度多面体网格划分,得到网格如图4所示。对电芯附近的流体区域进行网格加密,同时在靠近壁面附近共划分12层边界层网格,其中第一层网格高度设置为0.05 mm,伸展率为1.1。为确保网格精度,需进行数值结果的网格无关性测试。表4列出了三组网格方案的网格数量及数值预测结果。显然,综合预测准确度及计算成本考虑,网格方案#2是最佳选择。因此,最终确定网格方案#2用于后续计算,网格总数约为1024万。2.5实验验证通过对电池包样品进行0.5 C倍率下的充放电实验对本节仿
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