摘要：隨著液冷式預(yù)制艙儲(chǔ)能推廣，亟需冷卻液回路設(shè)計(jì)方法。從工程實(shí)用角度出發(fā)，針對(duì)液冷板，提出了普適于常見(jiàn)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(shè)計(jì)方法；針對(duì)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(shè)計(jì)方法。依托1 MW/2 MWh海島儲(chǔ)能工程，分析了工程設(shè)計(jì)實(shí)例。收集并分析了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，所設(shè)計(jì)方案能將電池溫度控制至預(yù)定區(qū)間，電池溫差不超過(guò)3 ℃。

關(guān)鍵詞：液冷式儲(chǔ)能；冷卻液回路；參數(shù)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能預(yù)制艙空間密閉，隨著系統(tǒng)容量提高，電池密集程度越來(lái)越高，對(duì)散熱的要求不斷提升[1]。傳統(tǒng)風(fēng)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(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)凸顯了出來(lái)[3-4]。在儲(chǔ)能領(lǐng)域，液冷技術(shù)正開(kāi)始推廣。

冷卻液回路包括液冷板與液冷管路。現(xiàn)有研究提出了許多液冷板結(jié)構(gòu)型式，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以實(shí)用化；并且側(cè)重于仿真研究，缺乏工程實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[5-6]以仿真入手，研究了進(jìn)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(jì)算方法未進(jìn)行研究。液冷管路設(shè)計(jì)在現(xiàn)有研究中較少涉及，但值得重視，因?yàn)樵陬A(yù)制艙電池密集堆疊的環(huán)境下，液冷管路的合理設(shè)計(jì)對(duì)冷卻液分配和最終散熱效果具有重要影響。

針對(duì)冷卻液回路設(shè)計(jì)問(wèn)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(jì)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(shè)計(jì)思路與方法。依托1 MW/2 MWh實(shí)際儲(chǔ)能工程，給出了冷卻液回路設(shè)計(jì)實(shí)際案例，分析了其現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果，為液冷式預(yù)制艙儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

一、預(yù)制艙儲(chǔ)能系統(tǒng)冷卻液回路

液冷式預(yù)制艙儲(chǔ)能系統(tǒng)冷卻液回路如圖1所示。冷卻液通過(guò)液冷機(jī)組水泵加壓進(jìn)入液冷管路，流至電池包內(nèi)液冷板，與電池?zé)峤粨Q，再通過(guò)液冷管路回流至液冷機(jī)組。液冷機(jī)組將熱量排出預(yù)制艙。

圖1 液冷式預(yù)制艙儲(chǔ)能系統(tǒng)冷卻液回路

二、液冷板設(shè)計(jì)

液冷板設(shè)計(jì)與電池包結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于當(dāng)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(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。

2.1 流道形狀設(shè)計(jì)

從工程實(shí)用角度出發(fā)，液冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)液與出液口宜安裝在電池包同一面；(2)從制造復(fù)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(gè)進(jìn)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(duì)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(duì)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(shè)計(jì)

流道寬度設(shè)計(jì)從電池?fù)Q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(shè)計(jì)的最大充放電倍率下電池的發(fā)熱功率，可由電池測(cè)試得到。制熱需求在電池運(yùn)行于低溫環(huán)境下才會(huì)存在，電池在低溫靜置后可能需要經(jīng)過(guò)加熱才能達(dá)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(cè)試得到。

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

2.3 流道高度設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上，可以結(jié)合高度一起調(diào)整。流量一定時(shí)，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(jìn)出口壓力差)越大。這將決定液冷機(jī)組水泵選型。

通常液冷板高度取10 mm內(nèi)可滿足要求。實(shí)際應(yīng)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(guò)冷卻液回路仿真，檢驗(yàn)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(shè)計(jì)

3.1 管路排布方式設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能預(yù)制艙含多個(gè)電池簇，電池簇含多個(gè)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(shè)計(jì)

3.3 節(jié)流孔孔徑設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)。為減少設(shè)計(jì)制造成本，管路一般采用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)方案

均衡流量的本質(zhì)是使冷卻液到達(dá)不同電池包的壓力損失相同。冷卻液流過(guò)管路產(chǎn)生的壓力損失包括沿程損失、截面縮小損失和擴(kuò)大損失。對(duì)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)一步的，為避免三通尺寸過(guò)多，三通垂直方向出入口內(nèi)徑可保持一致，則式(10)的變量?jī)H為頂部與底部三通的水平方向出口內(nèi)徑。在設(shè)計(jì)頂部與底部三通的水平方向出口內(nèi)徑后，其他層級(jí)電池包對(duì)應(yīng)的三通水平方向出口內(nèi)徑，從上往下遞增。

四、工程設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)主要參數(shù)

本文以某海島微電網(wǎng)1 MW/2 MWh預(yù)制艙儲(chǔ)能系統(tǒng)為例。該儲(chǔ)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(zhǎng)、寬、高分別為174、68、207 mm；單電池包含3排共33個(gè)電池，電池包長(zhǎng)、寬、高分別為1 060、640、230 mm；單電池簇含7個(gè)電池包。該系統(tǒng)共有10個(gè)電池簇，在熱管理上劃分為2個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)含5個(gè)電池簇，液冷回路獨(dú)立設(shè)置。

圖5 某海島1 MW/2 MWh預(yù)制艙儲(chǔ)能系統(tǒng)

4.2 初步設(shè)計(jì)

4.2.1 液冷板

在評(píng)估電池?fù)Q熱的需求時(shí)，本工程所用電芯在設(shè)計(jì)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(yùn)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(jìn)行0.5 C充放電，對(duì)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(shí)冷卻液控制的目標(biāo)溫度為18 ℃，電池的目標(biāo)溫度為25 ℃，因此ΔTdiff =7 ℃；電芯厚度W為68 mm。計(jì)算得到流道寬度最小值D為38 mm。

在考慮流道高度時(shí)，電池包高度對(duì)流道高度有一定的限制作用。注意到電芯長(zhǎng)度為174 mm，比流道寬度D的初設(shè)值大很多，說(shuō)明流道寬度的可調(diào)整裕度大。因此高度的設(shè)計(jì)值確定為3 mm，后續(xù)將通過(guò)調(diào)整寬度D來(lái)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(jì)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(jì)算得到電池包支管路流量要求Qpack為3.4 L/min，通過(guò)式(4)可計(jì)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(jì)算節(jié)流三通孔徑時(shí)，管路采用標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度l為280 mm。通過(guò)式(5)~(10)計(jì)算，當(dāng)?shù)撞咳ㄋ椒较虺隹趦?nèi)徑選取為10 mm，計(jì)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(yīng)從5.6 mm到10 mm遞增。

4.3 優(yōu)化與校驗(yàn)

本工程電池溫差的目標(biāo)是不超過(guò)5 ℃。在4.2節(jié)初步設(shè)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化與校驗(yàn)。首先，液冷板流道高度不調(diào)整，通過(guò)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(yīng)從上到下嚴(yán)格遞增，但為了避免孔徑類型過(guò)多給制造和選型帶來(lái)困難，在優(yōu)化與校驗(yàn)中，電池簇上層3個(gè)三通水平出口孔徑將選擇一種參數(shù)，下層4個(gè)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(guò)仿真校驗(yàn)電池溫差目標(biāo)得到滿足。

通過(guò)仿真，當(dāng)下層4個(gè)三通水平方向出口孔徑選擇10 mm，上層3個(gè)三通水平方向出口孔徑選擇6~7 mm時(shí)，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(shí)，各電池包流量的差異有所增加。因此上層3個(gè)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(chǔ)上，對(duì)不同管路流量、液冷板流道寬度進(jìn)行仿真，分析電池溫差與進(jìn)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(biāo)5 ℃臨界，增大流量能減小溫差；

(2)適當(dāng)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(dāng)流量從200 L/min提高至250 L/min，進(jìn)出液口壓差將增加。當(dāng)流量增大到一定程度時(shí)，減小電池溫差的效果已經(jīng)不明顯。對(duì)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(shè)計(jì)結(jié)果

綜上考慮，優(yōu)化后的方案為上層3個(gè)和下層4個(gè)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(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)值基本一致。由于兼顧實(shí)際孔徑選擇的便利性，上層流量有所偏高。本文進(jìn)一步通過(guò)溫度場(chǎng)仿真驗(yàn)證溫差控制效果。

針對(duì)流量最高和最低的電池包，進(jìn)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(zhǎng)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(gè)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(guò)5 ℃的溫差目標(biāo)。

圖6 管路流場(chǎng)仿真結(jié)果

圖7 電池包溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

五、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

對(duì)第4節(jié)設(shè)計(jì)的海島1 MW/2 MWh預(yù)制艙儲(chǔ)能工程實(shí)例開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行分析。熱管理策略如圖8所示，目標(biāo)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(dāng)電池最高溫度Tcell_max>30 ℃時(shí)，啟動(dòng)制冷，下發(fā)液溫目標(biāo)值Tset=18 ℃和回差ΔTmargin=3 ℃。制冷至Tcell_max降至25 ℃時(shí)結(jié)束。

(2)制熱：當(dāng)電池最低溫度Tcell_mmin＜15 ℃時(shí)，啟動(dòng)制熱，下發(fā)液溫目標(biāo)值Tset=30 ℃和回差ΔTmargin=5 ℃。制熱至Tcell_min升至20 ℃時(shí)結(jié)束。

圖8 熱管理策略

實(shí)際工程中在電池包內(nèi)布置6個(gè)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(jī)組的出水和進(jìn)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(duì)含系統(tǒng)完整充放電循環(huán)的某9 h進(jìn)行分析，充放電倍率為設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)間t =0.5 h，電芯最高溫度＞30 ℃，啟動(dòng)制冷；大約在t =6 h，電芯最高溫度＜25 ℃，制冷結(jié)束；

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

(3)電芯最大溫差不超過(guò)3 ℃。

5.2 制熱工況

在某96 h時(shí)段內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)靜置，但由于氣溫低，熱管理系統(tǒng)在此期間自動(dòng)進(jìn)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(jìn)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(shí)間t =72.68 h，子系統(tǒng)1電芯最低溫度＜15 ℃，啟動(dòng)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(dòng)和停止制熱的時(shí)間大約在t =36.5 h和t =43.9 h。

(2)加熱過(guò)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(guò)3 ℃。

六、結(jié)論

本文對(duì)液冷散熱式預(yù)制艙儲(chǔ)能系統(tǒng)冷卻液回路展開(kāi)了設(shè)計(jì)。液冷板方面，提出一種可通用于常見(jiàn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案，闡述了液冷管路流量、節(jié)流三通尺寸的設(shè)計(jì)方法。

以某海島1 MW/2 MWh預(yù)制艙儲(chǔ)能為例，開(kāi)展工程設(shè)計(jì)實(shí)例分析。運(yùn)用所提方法設(shè)計(jì)了冷卻液回路參數(shù)，通過(guò)仿真對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化與校驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明，設(shè)計(jì)方案能夠?qū)㈦姵販囟瓤刂圃?0~25 ℃區(qū)間，電池溫差不超過(guò)3 ℃。

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