張曉波，張海龍，于海波，劉國(guó)偉

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)(2.常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025)

光儲(chǔ)微電網(wǎng)是提高光伏消納水平和解決無(wú)電地區(qū)供電問(wèn)題的重要手段。一個(gè)合理的儲(chǔ)能艙結(jié)構(gòu)能提高艙內(nèi)電子設(shè)備抗振動(dòng)、耐高溫等惡劣環(huán)境條件的能力，提高微電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。而對(duì)于儲(chǔ)能艙而言，還有一個(gè)特殊的配置，即艙內(nèi)放置有大量的蓄電池，這些蓄電池在戶(hù)外高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果沒(méi)有一個(gè)合理的通風(fēng)散熱的方案將熱量排出，將可能導(dǎo)致電池發(fā)生短路、泄放和爆炸等安全事故。因此，在總體設(shè)計(jì)的方案階段，利用icepak軟件仿真模擬出儲(chǔ)能艙的熱環(huán)境，用仿真結(jié)果指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使得相關(guān)指標(biāo)滿(mǎn)足要求，對(duì)保證儲(chǔ)能艙整體功效具有重大意義。

在方艙的仿真分析方面，趙洪陽(yáng)[1]利用icepak對(duì)電子方艙系統(tǒng)內(nèi)熱環(huán)境建模仿真，指導(dǎo)方艙總體布局設(shè)計(jì)；席廣輝等[2]以某雷達(dá)電子設(shè)備方艙為例，介紹了雷達(dá)方艙設(shè)備熱耗散的計(jì)算方法，并對(duì)其建模仿真。在其他類(lèi)似艙體結(jié)構(gòu)內(nèi)，相關(guān)機(jī)構(gòu)也做過(guò)類(lèi)似的研究工作。蘇紅春等[3]對(duì)某型電源車(chē)車(chē)艙內(nèi)空氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，增加一個(gè)軸流風(fēng)機(jī)優(yōu)化改進(jìn)了其散熱結(jié)構(gòu)。朱劍等[4]對(duì)炎熱天氣下推土機(jī)駕駛室內(nèi)部不同風(fēng)道下的溫度分布與氣流進(jìn)行仿真，選擇空調(diào)最優(yōu)的送風(fēng)形式；劉杰等[5]對(duì)高速列車(chē)內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，用流場(chǎng)指標(biāo)和熱舒適性指標(biāo)對(duì)客室內(nèi)的舒適性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。王艷峰等[6]對(duì)鋁基注塑電池架建立了熱傳遞模型，仿真并測(cè)試了其內(nèi)部瞬態(tài)溫度和溫度分布情況。

本文以某型號(hào)移動(dòng)微網(wǎng)儲(chǔ)能艙為例，對(duì)空調(diào)、逆變器、蓄電池進(jìn)行計(jì)算選型，提出了一種全新的艙內(nèi)設(shè)備布局，并應(yīng)用icepak對(duì)艙體內(nèi)部溫度、氣流分布進(jìn)行計(jì)算分析，使得相關(guān)研究人員能更直觀、更量化地了解儲(chǔ)能艙內(nèi)部的物理特性，對(duì)設(shè)計(jì)一種合理舒適的艙體具有非常重要的意義。

1 儲(chǔ)能艙總體布局

儲(chǔ)能艙總體尺寸為1 457 mm×2 438 mm×2 100 mm，艙體自重1 500 kg。儲(chǔ)能艙內(nèi)部放置儲(chǔ)能蓄電池、逆變器、一體式空調(diào)、BMS(電池管理單元)和微網(wǎng)控制器等裝置，總體拓?fù)鋱D如圖1所示。蓄電池與BMS連接，監(jiān)測(cè)蓄電池充放電等狀態(tài)，蓄電池與逆變器之間實(shí)現(xiàn)雙向逆變，同時(shí)逆變器還接收外部光伏及市電或傳統(tǒng)油機(jī)的輸入，逆變器的另一側(cè)為交流輸出，供給外部負(fù)載。微網(wǎng)控制器對(duì)蓄電池及逆變器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控協(xié)調(diào)，同時(shí)將信息傳給遠(yuǎn)方的監(jiān)控中心。

圖1 總體拓?fù)鋱D

2 器件計(jì)算選型

2.1 空調(diào)選型

儲(chǔ)能艙在炎熱或嚴(yán)寒等極端環(huán)境下，或機(jī)器設(shè)備長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行下，需要使艙體內(nèi)的溫度保持在恒定范圍，本文采用一體式溫控系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算確定其相關(guān)參數(shù)。

2.1.1空調(diào)制冷量計(jì)算

1)艙壁傳熱量Q1。

Q1=KF(Tw-Tn)

(1)

式中：K為艙體總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；F為艙體總傳熱面積，m2；Tw，Tn分別為艙體外、內(nèi)的空氣溫度，℃。

根據(jù)工作環(huán)境溫度-41～56 ℃、 工作溫度0～35 ℃，取最大溫差Δt=Tw-Tn=21 ℃，F(xiàn)=20 m2,K=3.75，可得Q1=1 575 W。

2)艙體漏熱量Q2。

Q2=hQ1

(2)

式中：h為泄漏系數(shù)，艙體密封性能良好，取0.3。可得Q2=472.5 W。

3)太陽(yáng)輻射熱流量Q3。

Q3=KFy(Ty-Tw)

(3)

式中：Fy為艙體受太陽(yáng)輻射的面積，m2，一般取艙體面積的35%～50%,這里取艙體面積的50%；Ty為艙體受太陽(yáng)輻射面的平均壁溫度，℃，Ty=Tw+20。可得Q3=750 W。

4)艙體內(nèi)空氣耗冷量Q4。

Q4=cpρVΔt/Zt

(4)

式中：cp為定壓比熱，cp=1 000 J/(kg·℃)；ρ為空氣密度，ρ=1.29 kg/m3；V為箱內(nèi)部容積，V=5.016 m3； Δt=21 ℃；Zt為調(diào)節(jié)時(shí)間，Zt=3 600 s(按60 min計(jì))。可得Q4=37.75 W。

總熱負(fù)荷Q:Q=Q1+Q2+Q3+Q4=2 835.25 W。

2.1.2空調(diào)制熱量計(jì)算

空調(diào)制熱量的計(jì)算步驟和制冷量基本類(lèi)似，下面做簡(jiǎn)要計(jì)算。

艙壁傳熱量Q1：Δt=Tw-Tn=41 ℃，Q1=3 075 W。

艙體漏熱量Q2：Q2=922.5 W。

艙體內(nèi)空氣耗熱量Q3:Q3=73.69 W。

總熱負(fù)荷Q:Q=Q1+Q2+Q3+Q4=4 071.19 W。

由于艙內(nèi)設(shè)備熱負(fù)荷情況不明，因此在設(shè)計(jì)和選擇熱負(fù)荷時(shí)考慮安全系數(shù)κ，即熱負(fù)荷為κQ，取κ=1.2，即最大總熱負(fù)荷Qmax=1.2Q=4 885.43 W。

2.2 逆變器選型

所選用的逆變器整體尺寸為680 mm×1 270 mm×155 mm，最高工作海拔為5 000 m，散熱方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷，逆變器逆變模式輸出功率為30 kW，輸出電壓為400 V。

2.3 蓄電池系統(tǒng)選型

本儲(chǔ)能艙選用的蓄電池為磷酸鐵鋰電池，尺寸為220 mm×660 mm×245 mm，標(biāo)稱(chēng)容量為176 Ah，標(biāo)稱(chēng)電壓為25.6 V。電池架整體尺寸為1 210 mm×660 mm×1 650 mm，一個(gè)電池架共有20個(gè)磷酸鐵鋰電池，儲(chǔ)能容量為90 kW·h，輸出額定電壓為512 V，輸出直流電壓范圍為400～584 V。

3 艙內(nèi)布局及模型假設(shè)

艙內(nèi)各電子設(shè)備熱損耗包括20節(jié)電池總發(fā)熱量900 W，逆變器的熱損耗大約為1.5 kW，BMS和協(xié)調(diào)控制器的發(fā)熱量和照明燈的功率較小，可忽略不計(jì)。具體的艙內(nèi)空間布局如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能艙內(nèi)部設(shè)備布置圖

由圖可知，艙內(nèi)用隔板將空間分為兩個(gè)區(qū)域：電池區(qū)域和逆變器區(qū)域，電池區(qū)域主要擺放電池架和一體式空調(diào)，空調(diào)安裝在艙體窄邊壁上，電池架正對(duì)著空調(diào)出風(fēng)方向。電池區(qū)域從空調(diào)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)，從空調(diào)出風(fēng)口出風(fēng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)循環(huán)；由于逆變器本身有較大的熱耗，故將逆變器單獨(dú)隔開(kāi)，使其直接與外部空氣通過(guò)艙壁上的兩個(gè)百葉窗進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)外循環(huán)。在電池區(qū)域與逆變器區(qū)域通過(guò)隔板上的兩個(gè)百葉窗實(shí)現(xiàn)少量空氣的流通。

針對(duì)所研究的問(wèn)題，并結(jié)合Icepak軟件特點(diǎn)，對(duì)儲(chǔ)能艙系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化的過(guò)程中，進(jìn)行了如下假設(shè)：

1)儲(chǔ)能艙壁為絕熱狀態(tài)，艙體通過(guò)空調(diào)口和百葉窗與外界完成熱量交換;

2)空調(diào)簡(jiǎn)化為一進(jìn)一出的兩個(gè)opening；

3)忽略電池架的框架結(jié)構(gòu)。

4 仿真計(jì)算結(jié)果

儲(chǔ)能艙內(nèi)部電子設(shè)備的擺放位置將會(huì)直接影響艙體的使用性能，一個(gè)最佳的布局將會(huì)最大化空間的使用效率，同時(shí)獲得良好的散熱性能，提供最佳的操作舒適性。這里對(duì)該方案空調(diào)制冷和制熱兩種模式，通過(guò)仿真計(jì)算，模擬分析艙內(nèi)溫度分布和氣流的走向。

4.1 空調(diào)制冷模式

模擬空調(diào)在戶(hù)外高溫下制冷效果。戶(hù)外環(huán)境溫度為55 ℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1 120 W/m2，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的溫度為25 ℃，空調(diào)風(fēng)量Vf的計(jì)算公式為

Vf=3.1PD/ΔT

(5)

式中：PD為機(jī)柜內(nèi)元件產(chǎn)生的發(fā)熱量，W；ΔT為周?chē)h(huán)境和機(jī)柜的溫差，℃。

空調(diào)制冷模式下，在電池區(qū)域器件表面溫度分布圖(圖3)中可以看出，溫度最高為30.84 ℃，最低為26.12 ℃，最大溫差約4.72 ℃。電池架上部溫度略低于下部溫度，正對(duì)著空調(diào)出風(fēng)口的設(shè)備溫度最低。底部的電池由于空氣流速不及上層空氣，熱交換較慢，故溫度偏高。在圖4中，分別選取電池中心的橫切面和上下兩層電池之間的間隙切面空氣溫度分布，從電池區(qū)域空氣溫度分布切面可以看出，空氣溫度最低在25.98 ℃左右，整體保持在26.50 ℃左右，底層的空氣溫度較高，大致在27.65 ℃。電池表面的空氣溫度明顯偏高，最高溫度在30.44 ℃。從圖5的空氣流速切面可以看出，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的空氣流速最大，約為3.29 m/s，由于電池架的阻擋作用，電池區(qū)域的空氣流速整體保持在1.00 m/s以下。在電池區(qū)域與逆變器區(qū)域的交界處，部分空氣通過(guò)百葉窗流入了逆變器區(qū)域?？照{(diào)出風(fēng)口的空氣流速在0.60 m/s左右。在逆變器區(qū)域，截取經(jīng)過(guò)逆變器的主要發(fā)熱元件，法向?yàn)閤軸的截面。從圖6中可以看出，由于隔板的作用，逆變器區(qū)域的溫度分布差異較為明顯。溫度最高的位置在逆變器的發(fā)熱元件處，最高溫度為60.42 ℃。同時(shí)在逆變器區(qū)域的進(jìn)風(fēng)口處溫度也很高，近似等于外部環(huán)境溫度，為54.84 ℃左右。在出風(fēng)口處，空氣最高溫度在44.36 ℃左右。在空氣流速方面，由于逆變器本身發(fā)熱量較大，有自帶風(fēng)扇和散熱器，故空氣流速與電池區(qū)域流速明顯不同，從圖7可以看出，最高流速在5.34 m/s左右，主要在散熱器區(qū)域。

圖3 電池區(qū)域器件表面溫度分布

圖4 制冷模式電池區(qū)域空氣溫度分布

圖5 制冷模式電池區(qū)域空氣流速分布

圖6 制冷模式逆變器區(qū)域空氣溫度分布

圖7 制冷模式逆變器區(qū)域空氣流速分布

4.2 空調(diào)制熱模式

模擬空調(diào)在戶(hù)外低溫下空調(diào)制熱效果。戶(hù)外環(huán)境溫度為-25 ℃，沒(méi)有太陽(yáng)輻射，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的溫度為15 ℃。

在電池區(qū)域，從空調(diào)制熱模式下電池表面溫度分布圖(圖8)可以看出，溫度最高為19.26 ℃，最低為15.93 ℃，最大溫差約為3.33 ℃。電池架上部溫度略低于下部溫度，依舊是正對(duì)著空調(diào)出風(fēng)口的設(shè)備溫度最低。在圖9中，同樣從電池中心的橫切面和上下兩層電池之間的間隙橫截面溫度分布圖可以看出，空氣溫度最低在10.50 ℃左右，在與逆變器交接的百葉窗處。電池區(qū)域整體保持在14.50 ℃左右，底層的空氣溫度較高?？照{(diào)出風(fēng)口的溫度在15.44 ℃左右。電池表面的空氣溫度明顯偏高，最高溫度在19.26 ℃。從圖10的空氣流速切面可以看出，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的空氣流速最大，約為2.25 m/s，底層空氣流速比上層流速緩慢。在電池區(qū)域與逆變器區(qū)域的交界處，部分空氣通過(guò)百葉窗流入了逆變器區(qū)域。

圖8 制熱模式電池區(qū)域表面溫度分布

圖9 制熱模式電池區(qū)域空氣溫度分布

圖10 制熱模式電池區(qū)域流速分布

在逆變器區(qū)域，依然截取經(jīng)過(guò)逆變器的主要發(fā)熱元件，法向?yàn)閤軸的截面。從圖11中可以看出，溫度最高的位置在逆變器的發(fā)熱元件和與電池區(qū)域交接處，最高溫度為6.05 ℃。最低溫度在進(jìn)風(fēng)口處，接近艙外環(huán)境溫度，約-25.00 ℃。在出風(fēng)口處，空氣溫度保持在零下幾度左右。如圖12所示，空氣流速主要取決于散熱器自帶的風(fēng)扇和散熱器，最高流速約4.81 m/s，主要分布在散熱器區(qū)域。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的流速也較大，有少量的空氣通過(guò)百葉窗從電池區(qū)域進(jìn)入逆變器區(qū)域。

圖11 制熱模式逆變器區(qū)域空氣溫度分布

圖12 制熱模式逆變器區(qū)域空氣流速分布

5 電池區(qū)域熱環(huán)境評(píng)價(jià)

移動(dòng)微網(wǎng)儲(chǔ)能艙電池區(qū)域空間有限，又?jǐn)[放有大量的蓄電池，為高散熱密度空間，若所設(shè)計(jì)的電池?cái)[放空間不合理，將可能造成局部電池?zé)崃繜o(wú)法散出，長(zhǎng)期工作情況下，可能會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生短路、泄放和爆炸事故，故本文針對(duì)電池的擺放方案提出一種定量評(píng)價(jià)分析方法[7]。主要通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能艙內(nèi)各個(gè)電池表面溫度和流速的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和不均勻系數(shù)，定量分析電池表面可能會(huì)出現(xiàn)的溫度差異和氣流不均勻程度。

各個(gè)電池表面溫度及流場(chǎng)速度的均值Tave，Vave可表示為：

(6)

(7)

式中：n為電池個(gè)數(shù)，取n=20；Ti為節(jié)點(diǎn)溫度；vi為節(jié)點(diǎn)速度值。

電池表面溫度及流場(chǎng)速度標(biāo)準(zhǔn)差分別記為T(mén)std和Vstd，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(8)

(9)

此時(shí)，電池表面溫度不均勻系數(shù)kT和流場(chǎng)速度不均勻系數(shù)kV分別為：

(10)

(11)

根據(jù)4中儲(chǔ)能艙高溫制冷和低溫加熱兩種情況的仿真結(jié)果，針對(duì)20節(jié)電池表面的溫度均值、溫度標(biāo)準(zhǔn)差和不均勻系數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 溫度參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從表2中可以看出，制冷和制熱工況下，電池表面溫度分別為17.78 ℃和28.73 ℃，滿(mǎn)足艙體的溫度要求且處于人體舒適溫度區(qū)域之內(nèi),且在兩種工況下，從標(biāo)準(zhǔn)差和不均勻系數(shù)的數(shù)值上看，溫度分布較為平均，不存在局部高溫的現(xiàn)象。

從表3中可以看出，制冷和制熱工況下，艙內(nèi)電池表面空氣流速分別為0.39 m/s及0.31 m/s，處于人體舒適的空氣流動(dòng)范圍，且在兩種工況下，從標(biāo)準(zhǔn)差和不均勻系數(shù)的數(shù)值上看，艙內(nèi)設(shè)備布置合理，空氣流速分布較為平均。

表3 流速參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)出一種新型移動(dòng)微網(wǎng)儲(chǔ)能艙的結(jié)構(gòu)，并建立了該結(jié)構(gòu)的散熱仿真模型，通過(guò)制冷和制熱兩種工況的模擬仿真，對(duì)該方案進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。但是仿真結(jié)果中逆變器區(qū)域的溫度由于不受空調(diào)的調(diào)節(jié)，相對(duì)而言工作環(huán)境比較惡劣，需要對(duì)逆變器區(qū)域的空間進(jìn)行改善。