南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司 袁滌非 顧錦書(shū) 顧銘飛

儲(chǔ)能系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)中的能源路由器，在眾多的儲(chǔ)能技術(shù)中，電化學(xué)儲(chǔ)能因其具有響應(yīng)時(shí)間短、能量密度大、維護(hù)成本低、靈活方便等優(yōu)點(diǎn),是大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的重要發(fā)展方向。在各種類(lèi)型的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)具有施工時(shí)間短、移動(dòng)方便、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已在各類(lèi)大型工程中不斷得到應(yīng)用。預(yù)制艙作為集裝箱的升級(jí)版，正逐漸成為大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的一種主流形式。

1 儲(chǔ)能電池預(yù)制艙常用熱管理模式簡(jiǎn)介

目前工程實(shí)施中，常用的儲(chǔ)能電池預(yù)制艙熱管理方案多以空調(diào)作為散熱器件，通過(guò)壓縮機(jī)和制冷劑的協(xié)同作用，可控制艙內(nèi)溫度低于外部環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外部溫度逆差。同時(shí)通過(guò)對(duì)空調(diào)布置位置的優(yōu)化，結(jié)合一定的送風(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)，使空調(diào)對(duì)電池簇的熱管理效率盡量提高。以標(biāo)稱(chēng)電量2MWh、充放電倍率0.5C 的儲(chǔ)能電池系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用預(yù)制艙作為電池載體，艙體尺寸對(duì)標(biāo)40尺集裝箱，長(zhǎng)度12米。電池以簇為單位，雙列靠墻布置于艙體長(zhǎng)墻兩側(cè)。電池艙內(nèi)根據(jù)需要配置2臺(tái)或4臺(tái)柜式工業(yè)空調(diào)，空調(diào)間隔布置于電池簇之間。根據(jù)不同的熱管理模式，空調(diào)的進(jìn)出風(fēng)方式可分為前部進(jìn)風(fēng)頂部出風(fēng)、前部進(jìn)風(fēng)后部出風(fēng)、前部進(jìn)風(fēng)底部出風(fēng)3種。

第一種前部進(jìn)風(fēng)頂部出風(fēng)為最常用的模式。熱空氣由空調(diào)正面下方的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)由冷凝器的降溫，將冷空氣由頂部出風(fēng)口排出。在空調(diào)與電池簇上方安裝一列風(fēng)道，冷空氣進(jìn)入風(fēng)道后，由于風(fēng)壓的作用被送至各個(gè)電池簇上方，經(jīng)出風(fēng)口排出送入電池簇內(nèi)為內(nèi)部的電池模組降溫。這種散熱模式原理簡(jiǎn)單，利用了冷空氣的沉降效應(yīng)對(duì)電池模組自然冷卻。但冷空氣自上而下流動(dòng)，造成電池簇內(nèi)各個(gè)電池模組溫度均衡性較低，且風(fēng)道位于艙體頂部，安裝維護(hù)工作量大。

第二種前部進(jìn)風(fēng)后部出風(fēng)的模式，是將空調(diào)后方與艙壁直接空出一定的距離（50～100mm），熱空氣由正面進(jìn)入、冷空氣由后方出風(fēng)口排出。由于電池簇后方的狹縫厚度遠(yuǎn)小于其橫向尺寸，可將流體視為充分發(fā)展，其雷諾數(shù)較小，所以流動(dòng)一般處于層流范圍[1]。狹窄薄壁型空間形成的空氣射流效應(yīng)，形成較大的壓力，將冷空氣自電池簇的后方送入，為各個(gè)電池模組降溫。此模式無(wú)需配置風(fēng)道，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，且對(duì)單個(gè)電池簇而言冷空氣均勻送入，有利于電池模組溫度的均衡。但各個(gè)電池簇與空調(diào)之間距離不同，不通過(guò)風(fēng)道送風(fēng)使得各個(gè)電池簇間受風(fēng)量不一致，導(dǎo)致不同電池簇內(nèi)的電池模組間溫度差異較大。

第三種前部進(jìn)風(fēng)底部出風(fēng)的模式，是將冷空氣自空調(diào)下方送出，通過(guò)地板下方的風(fēng)道將冷空氣送入各個(gè)電池簇的下方，通過(guò)風(fēng)機(jī)制造一定的壓力，使冷氣在電池簇內(nèi)自下而上流動(dòng)。此方案避免了“煙囪效應(yīng)”。煙囪效應(yīng)是指戶(hù)內(nèi)空氣沿著有垂直坡度的空間向上升或下降，造成空氣加強(qiáng)對(duì)流的現(xiàn)象[2]。該效應(yīng)在有豎向風(fēng)道等類(lèi)似煙囪特征的結(jié)構(gòu)體中，可使空氣靠密度差的作用沿著通道很快進(jìn)行流動(dòng)。如果冷氣自上而下流動(dòng)，由于冷熱空氣的密度差，會(huì)使得冷空氣滯留在下方、熱空氣滯留在上方，從而形成溫度梯度差。本方案冷氣自下向上流動(dòng)，上下空氣使同一電池簇內(nèi)各電池模組之間溫度均衡。但風(fēng)道在電池簇底部敷設(shè)，與走線(xiàn)槽盒有一定程度的重合，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大。

綜上所述，空調(diào)的三種送風(fēng)方式各有利弊，主要矛盾是難以兼顧散熱效率與不同電池模組間的溫度均衡。因此本文提出了一種基于分層設(shè)計(jì)風(fēng)道的熱管理方案，同時(shí)對(duì)送風(fēng)口截面進(jìn)行優(yōu)化，提升了散熱效率與溫度的均衡。

2 分層設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能電池散熱風(fēng)道

采用頂置式風(fēng)道將空調(diào)送出的冷空氣送至電池簇上方，并通過(guò)電池簇上方的送風(fēng)口自上而下送風(fēng)至電池簇內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)施方便。但冷空氣自上而下流動(dòng)，造成電池簇內(nèi)各個(gè)電池模組溫度均衡性較低。而采用空調(diào)前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)模式，通過(guò)狹窄薄壁空隙形成的空氣射流效應(yīng)，將空調(diào)后方送出的冷氣由電池簇后方送入電池簇內(nèi)，可上下均勻的對(duì)同一電池簇內(nèi)各電池模組降溫。但不同電池簇受風(fēng)量不一致，影響整體均溫。

結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，可設(shè)計(jì)一種水平風(fēng)道與垂直風(fēng)道相結(jié)合的分層式風(fēng)道。第一層風(fēng)道水平安裝在艙體頂部，將空調(diào)送出的冷氣送至電池簇上方（圖1）。第二層風(fēng)道垂直安裝在電池簇后部，其進(jìn)風(fēng)口與第一層風(fēng)道的出風(fēng)口銜接，將冷空氣引入第二層風(fēng)道后，將冷空氣向下輸送，再通過(guò)每個(gè)電池模組后方的出風(fēng)口輸出，為每個(gè)電池模組降溫。為增大風(fēng)壓、使冷空氣更高效傳送，可在垂直風(fēng)道進(jìn)風(fēng)處安裝軸流中繼風(fēng)扇。利用風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)道內(nèi)外壓差提高送風(fēng)量。同時(shí)電池簇后方的風(fēng)道采用扁平化設(shè)計(jì)形成狹縫射流，可進(jìn)一步提升送風(fēng)的均勻性。在實(shí)際工程中考慮到加工工藝及生產(chǎn)成本，風(fēng)道截面形狀宜設(shè)計(jì)為狹長(zhǎng)的長(zhǎng)方形，其長(zhǎng)寬比可超過(guò)10:1。

圖1 水平風(fēng)道示意圖

圖2 垂直風(fēng)道示意圖

通過(guò)風(fēng)道系統(tǒng)的層次化設(shè)計(jì)，冷空氣可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)送至電池模組所在范圍，實(shí)現(xiàn)單個(gè)電池模組周邊環(huán)境的精準(zhǔn)溫度控制，有效提升了散熱效率，避免了風(fēng)道傳輸過(guò)程中的熱損耗（圖3）。如條件具備可在電池模組結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)第三級(jí)風(fēng)道，將二級(jí)風(fēng)道中傳輸?shù)睦淇諝庖氲谌?jí)風(fēng)道中，對(duì)電池模組內(nèi)部的電芯實(shí)施直接降溫。如為保障電池模組的密封性、不便設(shè)置對(duì)外風(fēng)道，可為電池模組外部配置鋁制散熱翅片，實(shí)現(xiàn)更高效的溫度控制。

圖3 分層式風(fēng)道示意圖

3 送風(fēng)距離與風(fēng)口截面積的關(guān)系

由于預(yù)制艙為狹長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)，艙內(nèi)空調(diào)與不同電池簇間的送風(fēng)距離有較大差異。為使送入每個(gè)電池簇內(nèi)的風(fēng)量盡可能一致，需對(duì)送風(fēng)口的截面與送風(fēng)距離間的關(guān)系進(jìn)行針對(duì)性的研究。本文仍以2MWh儲(chǔ)能電池預(yù)制艙為研究對(duì)象，艙內(nèi)配置2臺(tái)空調(diào)，分置于艙體兩側(cè)。

根據(jù)一般常識(shí)，距離空調(diào)越近的電池簇受風(fēng)量越大，為控制各電池簇受風(fēng)量均勻，將電池簇上方的進(jìn)風(fēng)口截面積按距離空調(diào)的遠(yuǎn)近由大到小設(shè)計(jì)。采用仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行分析，由圖4可見(jiàn)距離空調(diào)越近的電池簇受風(fēng)量越小。通過(guò)對(duì)氣流云圖進(jìn)行分析，可知由于氣體流速較快，在缺乏導(dǎo)流設(shè)計(jì)的前提下，少量氣流傾斜向下進(jìn)入近端電池簇、大量冷空氣流向遠(yuǎn)端，并在風(fēng)道盡頭受阻后垂直向下進(jìn)入距離空調(diào)遠(yuǎn)端的電池簇內(nèi)。

圖4 風(fēng)道內(nèi)氣流云圖

根據(jù)上述分析，對(duì)電池簇進(jìn)風(fēng)口的截面尺寸不能簡(jiǎn)單按照“近處小、遠(yuǎn)處大”的原則設(shè)計(jì)。此外通風(fēng)面積和開(kāi)孔率也對(duì)風(fēng)道通風(fēng)效率具有重要的影響。通風(fēng)面積是篩板上篩孔的總面積。開(kāi)孔率即開(kāi)孔范圍，是篩板上篩孔的總面積與開(kāi)孔區(qū)（又稱(chēng)有效傳質(zhì)區(qū)）面積的比值。

針對(duì)文中所述儲(chǔ)能電池預(yù)制艙模型取固定的正方形開(kāi)孔區(qū)，長(zhǎng)度為500mm，寬度為250mm。開(kāi)孔率分別取0.1（10%）、0.2（20%）、0.3（30%）、0.5（50%）、1（100%）五種情況，則對(duì)應(yīng)的通風(fēng)面積分別為12500mm2、25000mm2、37500mm2、62500mm2、125000mm2。 通 過(guò)ANSYS ICEPAK軟件對(duì)5種開(kāi)孔模式開(kāi)展仿真計(jì)算，單個(gè)通風(fēng)口最大出風(fēng)量（m3/s）、單個(gè)通風(fēng)口最小出風(fēng)量（m3/s）、14個(gè)通風(fēng)口累計(jì)風(fēng)量（m3/s）分別為：0.145/0.134/1.985，0.156/0.125/2.035，0.174 /0.093/ 2.043，0.241/0.012/2.045，0.361/ 0.005/ 2.046。

通過(guò)以上仿真數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在本模型中，當(dāng)開(kāi)孔區(qū)面積相同而開(kāi)孔率不同時(shí)，所有電池簇通風(fēng)口的累計(jì)風(fēng)量均為2m3/s 左右，即單個(gè)風(fēng)口的平均通風(fēng)量基本一致。但不同通風(fēng)口間的風(fēng)量差異較大。當(dāng)開(kāi)孔率較低時(shí)不同通風(fēng)口間的風(fēng)量差異不大。以開(kāi)孔率0.1的模型為例，單個(gè)通風(fēng)口最大風(fēng)量與最小風(fēng)量間的差異僅為0.011m3/s，偏差率7.8%。當(dāng)開(kāi)孔率達(dá)到0.3時(shí)，單個(gè)通風(fēng)口最大風(fēng)量與最小風(fēng)量間的差異為0.81m3/s，偏差率55%。而當(dāng)開(kāi)孔率達(dá)到1時(shí)，單個(gè)通風(fēng)口最大風(fēng)量與最小風(fēng)量間的差異為0.356m3/s，偏差率244%。

因此，開(kāi)孔率越低不同通風(fēng)口間的風(fēng)量差異越小、均溫性越強(qiáng)?？紤]到開(kāi)孔率為0.1時(shí)累計(jì)風(fēng)量也較低，在實(shí)際工程中將開(kāi)孔率控制在0.1至0.2之間，同時(shí)兼顧風(fēng)量的絕對(duì)值與送風(fēng)的均勻性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種分層次設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能電池風(fēng)道及相應(yīng)的熱管理模式，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)到電池模組的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)送風(fēng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)長(zhǎng)距離風(fēng)道多點(diǎn)送風(fēng)的原理進(jìn)行了研究并開(kāi)展仿真分析，通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)送風(fēng)效率受到風(fēng)道內(nèi)流場(chǎng)影響，送風(fēng)距離與送風(fēng)口截面積應(yīng)當(dāng)成反比，才能保證不同位置的電池簇受風(fēng)量的一致性。進(jìn)而提出了送風(fēng)口截面的設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電池的均溫。