摘要：隨著液冷式預制艙儲能推廣，亟需冷卻液回路設計方法。從工程實用角度出發(fā)，針對液冷板，提出了普適于常見3至4排電芯電池包的U形流道結(jié)構(gòu)，分析了流道寬度、高度設計方法；針對液冷管路，提出管路并聯(lián)式排布和管路變徑的方案，闡述了管路流量、節(jié)流孔尺寸設計方法。依托1 MW/2 MWh海島儲能工程，分析了工程設計實例。收集并分析了現(xiàn)場運行情況，所設計方案能將電池溫度控制至預定區(qū)間，電池溫差不超過3 ℃。

關鍵詞：液冷式儲能；冷卻液回路；參數(shù)設計

儲能預制艙空間密閉，隨著系統(tǒng)容量提高，電池密集程度越來越高，對散熱的要求不斷提升[1]。傳統(tǒng)風冷方式散熱速度和散熱效率不高，且難以維持電池溫度均勻性[2]。在其他散熱方式中，液冷的散熱速度和散熱效率較高，易于保證電池溫度均勻性，其成本介于空氣冷卻和相變冷卻/熱管冷卻之間，技術經(jīng)濟優(yōu)勢凸顯了出來[3-4]。在儲能領域，液冷技術正開始推廣。

冷卻液回路包括液冷板與液冷管路?，F(xiàn)有研究提出了許多液冷板結(jié)構(gòu)型式，但結(jié)構(gòu)復雜難以實用化；并且側(cè)重于仿真研究，缺乏工程實用的設計方法。文獻[5-6]以仿真入手，研究了進水口寬度、流道數(shù)量等參數(shù)不同組合的效果，參數(shù)的計算方法未進行研究。液冷管路設計在現(xiàn)有研究中較少涉及，但值得重視，因為在預制艙電池密集堆疊的環(huán)境下，液冷管路的合理設計對冷卻液分配和最終散熱效果具有重要影響。

針對冷卻液回路設計問題，本文提出了具有工程普適性的液冷板結(jié)構(gòu)，給出其參數(shù)的計算原則與方法；提出液冷管路并聯(lián)排布方式，給出了管路的變徑設計思路與方法。依托1 MW/2 MWh實際儲能工程，給出了冷卻液回路設計實際案例，分析了其現(xiàn)場運行效果，為液冷式預制艙儲能系統(tǒng)設計提供借鑒。

一、預制艙儲能系統(tǒng)冷卻液回路

液冷式預制艙儲能系統(tǒng)冷卻液回路如圖1所示。冷卻液通過液冷機組水泵加壓進入液冷管路，流至電池包內(nèi)液冷板，與電池熱交換，再通過液冷管路回流至液冷機組。液冷機組將熱量排出預制艙。

圖1 液冷式預制艙儲能系統(tǒng)冷卻液回路

二、液冷板設計

液冷板設計與電池包結(jié)構(gòu)有關。對于當前常用的含3至4排電芯的電池包，本文提出一種通用的液冷板結(jié)構(gòu)，給出其相關參數(shù)的計算方法。

2.1 流道形狀設計

從工程實用角度出發(fā)，液冷板結(jié)構(gòu)設計需考慮的因素包括：(1)為節(jié)約空間，便于冷卻液回路安裝與檢修，液冷板進液與出液口宜安裝在電池包同一面；(2)從制造復雜度考慮，液冷板宜布置在電池包底面；(3)為減小流阻，流道宜采用弧形并減少拐彎。

考慮上述因素，本文提出一種U形流道結(jié)構(gòu)，如圖2所示，包含1個進液口和出液口，2條邊流道與2條中間流道。為保證電芯換熱量相同，對于3排電芯，中間流道寬度為邊流道一半，兩條中間流道與一排電芯換熱；對于4排電芯，中間流道寬度與邊流道相同，每條流道與一排電芯換熱。

圖2 液冷板結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 流道寬度設計

流道寬度設計從電池換熱的需求入手。電池的換熱需求包括散熱與制熱需求。散熱需求為設計的最大充放電倍率下電池的發(fā)熱功率，可由電池測試得到。制熱需求在電池運行于低溫環(huán)境下才會存在，電池在低溫靜置后可能需要經(jīng)過加熱才能達到可工作狀態(tài)，所需的加熱功率即為制熱需求。制熱需求也可由電池測試得到。

取散熱與制熱需求的較大值作為電池換熱需求。冷卻液與液冷板發(fā)生對流換熱，熱對流換熱公式為：

2.3 流道高度設計

在冷卻液流量確定的情況下，液冷板高度不是唯一確定值。液冷板高度的選擇需考慮如下因素：(1)電池包空間的限制；(2)寬度在大于2.2節(jié)設計值的基礎上，可以結(jié)合高度一起調(diào)整。流量一定時，寬度與高度影響截面大小，從而影響冷卻液流速，流速越大，冷卻液回路總流阻(進出口壓力差)越大。這將決定液冷機組水泵選型。

通常液冷板高度取10 mm內(nèi)可滿足要求。實際應用中，可初步確定流道高度，在系統(tǒng)其余參數(shù)也確定后，通過冷卻液回路仿真，檢驗系統(tǒng)流阻和流量，流阻和流量滿足即確定冷板高度。

三、液冷管路設計

3.1 管路排布方式設計

儲能預制艙含多個電池簇，電池簇含多個電池包。為使電池包冷卻液流量均勻，本文提出并聯(lián)式液冷管路排布方案，即電池簇管路并聯(lián)，單電池簇內(nèi)各電池包管路也并聯(lián)，如圖3所示。

圖3 液冷管路并聯(lián)結(jié)構(gòu)

3.2 管路流量設計

3.3 節(jié)流孔孔徑設計

為了保證各電池包流量均衡，避免下層電池包流量不足，本文采用變徑管路設計。為減少設計制造成本，管路一般采用標準化管路，變徑的思路在于采用節(jié)流三通，即圖4所示的不同層次電池包三通采用不同的內(nèi)徑。三通內(nèi)徑按如下方法確定。

圖4 節(jié)流三通設計方案

均衡流量的本質(zhì)是使冷卻液到達不同電池包的壓力損失相同。冷卻液流過管路產(chǎn)生的壓力損失包括沿程損失、截面縮小損失和擴大損失。對于不同層次電池包而言，沿程損失的差異為冷卻液在垂直方向上的路程差異；截面縮小和擴大損失為流經(jīng)三通的損失，既存在于垂直方向，也存在于水平方向。

式(10)中的變量為管路與三通內(nèi)徑。由于采用標準管路，管路內(nèi)徑可先確定，因此式(10)的變量為三通內(nèi)徑。進一步的，為避免三通尺寸過多，三通垂直方向出入口內(nèi)徑可保持一致，則式(10)的變量僅為頂部與底部三通的水平方向出口內(nèi)徑。在設計頂部與底部三通的水平方向出口內(nèi)徑后，其他層級電池包對應的三通水平方向出口內(nèi)徑，從上往下遞增。

四、工程設計實例

4.1 儲能系統(tǒng)主要參數(shù)

本文以某海島微電網(wǎng)1 MW/2 MWh預制艙儲能系統(tǒng)為例。該儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，電池艙主要參數(shù)如下：電池額定容量為280 Ah，額定電壓3.2 V，最大充放電倍率0.5 C，電池長、寬、高分別為174、68、207 mm；單電池包含3排共33個電池，電池包長、寬、高分別為1 060、640、230 mm；單電池簇含7個電池包。該系統(tǒng)共有10個電池簇，在熱管理上劃分為2個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)含5個電池簇，液冷回路獨立設置。

圖5 某海島1 MW/2 MWh預制艙儲能系統(tǒng)

4.2 初步設計

4.2.1 液冷板

在評估電池換熱的需求時，本工程所用電芯在設計的最大充放電倍率0.5 C下的發(fā)熱功率為12 W。由于工程運行的環(huán)境溫度不低于0 ℃，根據(jù)所用電芯特性，在不低于0 ℃條件下可進行0.5 C充放電，對制熱量要求很低，因此換熱需求Pcell為12 W。

利用式(1)和式(2)求取流道寬度。傳熱系數(shù)h為670 W/(m2·K)；制冷時冷卻液控制的目標溫度為18 ℃，電池的目標溫度為25 ℃，因此ΔTdiff =7 ℃；電芯厚度W為68 mm。計算得到流道寬度最小值D為38 mm。

在考慮流道高度時，電池包高度對流道高度有一定的限制作用。注意到電芯長度為174 mm，比流道寬度D的初設值大很多，說明流道寬度的可調(diào)整裕度大。因此高度的設計值確定為3 mm，后續(xù)將通過調(diào)整寬度D來改變截面大小，從而調(diào)整系統(tǒng)總流阻。

4.2.2 液冷管路

首先計算管路流量。冷卻液水乙二醇的比熱容c為3.3 kJ/(kg·℃)，密度為1 071 kg/m3；冷卻液允許溫升ΔTrise取2 ℃。計算得到電池包支管路流量要求Qpack為3.4 L/min，通過式(4)可計算電池簇和主管路的流量要求。主管路流量要求為至少120 L/min。

在計算節(jié)流三通孔徑時，管路采用標準管路，主管路、電池簇支管路、電池包支管路內(nèi)徑分別選取為32、16、12 mm，三通垂直方向出入口內(nèi)徑選取為14 mm；水乙二醇粘度μ為0.003 94 Pa·s，每段電池簇支管路長度l為280 mm。通過式(5)~(10)計算，當?shù)撞咳ㄋ椒较虺隹趦?nèi)徑選取為10 mm，計算得到頂部三通水平方向出口內(nèi)徑為5.6 mm。因此，三通水平方向出口內(nèi)徑應從5.6 mm到10 mm遞增。

4.3 優(yōu)化與校驗

本工程電池溫差的目標是不超過5 ℃。在4.2節(jié)初步設計結(jié)果的基礎上進行優(yōu)化與校驗。首先，液冷板流道高度不調(diào)整，通過調(diào)整寬度調(diào)節(jié)流阻。其次，雖然節(jié)流三通孔徑理論上應從上到下嚴格遞增，但為了避免孔徑類型過多給制造和選型帶來困難，在優(yōu)化與校驗中，電池簇上層3個三通水平出口孔徑將選擇一種參數(shù)，下層4個三通水平出口孔徑選擇一種參數(shù)。這樣能夠兼顧流量均衡與制造難度。最后需通過仿真校驗電池溫差目標得到滿足。

通過仿真，當下層4個三通水平方向出口孔徑選擇10 mm，上層3個三通水平方向出口孔徑選擇6~7 mm時，各電池包流量的差異變化不大；選取6~7 mm范圍之外的參數(shù)時，各電池包流量的差異有所增加。因此上層3個三通水平方向出口孔徑最終選擇為7 mm。

在確定流道高度、節(jié)流三通孔徑的基礎上，對不同管路流量、液冷板流道寬度進行仿真，分析電池溫差與進出液口壓差。部分結(jié)果如表1所示，可得到如下結(jié)論：

(1)流量120 L/min、流道寬度66 mm可以將溫差控制在目標5 ℃臨界，增大流量能減小溫差；

(2)適當增加液冷板流道寬度增加了換熱面積，能減小電池溫差、減小流阻；

(3)當流量從200 L/min提高至250 L/min，進出液口壓差將增加。當流量增大到一定程度時，減小電池溫差的效果已經(jīng)不明顯。對于液冷板流道寬度66 mm而言，流量250與200 L/min的條件下，電池溫差基本相同。

表1 選取不同參數(shù)的設計結(jié)果

綜上考慮，優(yōu)化后的方案為上層3個和下層4個節(jié)流三通水平出口孔徑分別為7和10 mm，液冷板流道寬度66 mm，液冷板流道高度3 mm，主管路流量選取200 L/min。

對優(yōu)化后的方案進行仿真。由主管路流量值200 L/min，可折算出電池包支管路流量設計值為5.71 L/min。圖6展示了電池包支管路流量，頂部與底部電池包支管路流量分別為6.18、4.72 L/min。流量均值為5.62 L/min，與設計值基本一致。由于兼顧實際孔徑選擇的便利性，上層流量有所偏高。本文進一步通過溫度場仿真驗證溫差控制效果。

針對流量最高和最低的電池包，進行電池包溫度仿真，電池工作于最大充放電倍率0.5 C，賦予電芯內(nèi)部極片發(fā)熱功率，電池長度方向間距4 mm，厚度方向間距1.8 mm。電池包內(nèi)溫度如圖7所示，兩個電池包內(nèi)電池最大溫差分別為2.9和3.0 ℃，兩電池包所有電池最大溫差為3.0 ℃，滿足不超過5 ℃的溫差目標。

圖6 管路流場仿真結(jié)果

圖7 電池包溫度場仿真結(jié)果

五、現(xiàn)場運行情況

對第4節(jié)設計的海島1 MW/2 MWh預制艙儲能工程實例開展現(xiàn)場運行分析。熱管理策略如圖8所示，目標是將電池溫度控制在20~25 ℃區(qū)間，分為制冷和制熱模式。

(1)制冷：當電池最高溫度Tcell_max>30 ℃時，啟動制冷，下發(fā)液溫目標值Tset=18 ℃和回差ΔTmargin=3 ℃。制冷至Tcell_max降至25 ℃時結(jié)束。

(2)制熱：當電池最低溫度Tcell_mmin＜15 ℃時，啟動制熱，下發(fā)液溫目標值Tset=30 ℃和回差ΔTmargin=5 ℃。制熱至Tcell_min升至20 ℃時結(jié)束。

圖8 熱管理策略

實際工程中在電池包內(nèi)布置6個溫度傳感器，如圖9所示。溫度傳感器將數(shù)據(jù)上送電池管理系統(tǒng)。調(diào)取電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析電芯溫度、液冷機組的出水和進水口溫度。

圖9 電池包內(nèi)溫度傳感器布置

5.1 制冷工況

對含系統(tǒng)完整充放電循環(huán)的某9 h進行分析，充放電倍率為設計的最大充放電倍率0.5 C。子系統(tǒng)1、2的電流、荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)、電芯溫度及液冷管路進出口液溫如圖10所示。

圖10 制冷模式溫度曲線

從圖10可以得出：

(1)大約在時間t =0.5 h，電芯最高溫度＞30 ℃，啟動制冷；大約在t =6 h，電芯最高溫度＜25 ℃，制冷結(jié)束；

(2)制冷過程中，管路進口液溫在15~22 ℃波動，電芯溫度維持在34 ℃以下；

(3)電芯最大溫差不超過3 ℃。

5.2 制熱工況

在某96 h時段內(nèi)，儲能系統(tǒng)靜置，但由于氣溫低，熱管理系統(tǒng)在此期間自動進入制熱模式。子系統(tǒng)1、2的電流、SOC、電芯溫度及液冷管路進出口液溫如圖11所示。

圖11 制熱模式溫度曲線

從圖11可以得出：

(1)大約在時間t =72.68 h，子系統(tǒng)1電芯最低溫度＜15 ℃，啟動制熱；大約在t =80 h，電芯最低溫度＞20 ℃，結(jié)束制熱。類似的，子系統(tǒng)2啟動和停止制熱的時間大約在t =36.5 h和t =43.9 h。

(2)加熱過程中，加熱速率穩(wěn)定在約0.95 ℃/h，電芯溫度維持在14~22 ℃。

(3)電芯最大溫差不超過3 ℃。

六、結(jié)論

本文對液冷散熱式預制艙儲能系統(tǒng)冷卻液回路展開了設計。液冷板方面，提出一種可通用于常見的含3至4排電芯電池包的U形流道結(jié)構(gòu)，給出了流道寬度、高度參數(shù)的設計方法；液冷管路方面，為均衡各電池包流量，提出管路并聯(lián)式排布以及管路變徑的設計方案，闡述了液冷管路流量、節(jié)流三通尺寸的設計方法。

以某海島1 MW/2 MWh預制艙儲能為例，開展工程設計實例分析。運用所提方法設計了冷卻液回路參數(shù)，通過仿真對參數(shù)進行了優(yōu)化與校驗。

現(xiàn)場運行情況表明，設計方案能夠?qū)㈦姵販囟瓤刂圃?0~25 ℃區(qū)間，電池溫差不超過3 ℃。

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