水下储能系统中圆柱形锂离子电池组单相自然对流浸没冷却设计与多性向目标优化

随着海洋工业（MIs）在离岸勘探驱动下的持续开展，跨多性向海洋工业的储能体系（ESSs）需求正稳步增加。针对海水腐蚀、海底高压及昂扬保护本钱等苛刻水下环境，选择合适的储能战略与热办理（TM）办法至关重要。本研讨提出一种适用于水下环境的锂离子电池（LIBs）单相静态天然对流浸没冷却战略，该战略具有被迫散热、下降保护需求及减缓腐蚀等优势。进一步研讨了天然对流回路（NCL）的活动与传热特性，并将其整合至热办理战略中。经过数值模仿剖析热力场与流场，以评价两种电池摆放办法。根据上述评价，本研讨选用呼应面法与多性向目标优化办法对圆柱形腔体内挡板几许参数及电池布局进行优化规划。经优化后，各参数且所有参数均达到理想值。此外，电芯圆柱表面的均匀传热系数可达40.442 W/(ma, ·°C)。在3C放电倍率下，环境温度每升高5°C可为电池组均匀温度供给约1.5°C的温度缓冲，一起最大温差基本坚持不变。当环境温度为15°C且放电倍率为3Cm, 图5C显示，该电池组的均匀温度弛豫时间分别为5160秒、4620秒与4560秒；最大温差弛豫时间则依次对应为5160秒、4620秒及4560秒。d and all reach satisfactory values. Moreover, the average heat-transfer coefficient on the cylindrical surfaces of the battery cell can reach 40.442 W/(m2·°C). Under a 3C discharge rate, every 5 °C increase in environmental temperature provides a temperature buffer of approximately 1.5 °C in the average pack temperature, while the maximum temperature difference remains largely unchanged. At an environment temperature of 15 °C and discharge rates of 3C5C, the relaxation times of the battery pack are 5160 s, 4620 s, and 4560 s for the average temperature and 5160 s, 4620 s, and 4560 s for the maximum temperature difference, respectively.

引言

海洋是地球上最大的生态体系，对全球经济增加与环境安稳具有决定性作用[1]。当时对海洋资源的持续勘探与开发推动了各类海洋工业(MIs)的演进，这些工业包含海洋渔业、海上油气挖掘、海底挖矿、海洋工程与建设、近海发电以及海上运输[2]。随着这些工业的开展，近海出产活动产生的碳排放问题日益遭到重视。海上平台通常作为孤立电网运转，高度依托动力存储体系（ESSs）以满意多样化的动力需求[3]。这些专为海上出产活动规划的ESSs被统称为海上动力存储体系（OESSs）。
海上油气平台80%-85%的碳排放源于低能效运转，这些平台首要依托简略循环燃气轮机供能[4]。集成OESSs（海洋动力存储体系）可为油气出产供给燃料费安全保障，并促进更高比例的可再生动力并网[5]，一起下降出产进程中的碳排放[6]。作为研讨最深入的海洋动力技能，海优势电预计至2040年装机容量将达560吉瓦[7][8]。OESSs为海优势电场供给要害服务，包含黑发动恢复和频率调理[9]、[10]、[11]、[12]。海运业占全球碳排放的2.89%。现在，人们对全电动船舶的爱好日益浓厚，OESSs经过多种充电办法为其供给支持，包含海上解决计划[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。此外，OESSs还惠及海洋渔业，特别是在海上水产饲养范畴，有助于进步可再生动力的整合水平并下降碳排放[19]、[20]、[21]。因而，OESSs关于海洋工业至关重要。
当时存在多种老练储能技能。一项比照研讨标明，锂离子电池在海洋动力存储体系(OESSs)部署中体现优异，其累计要害绩效目标(KPI)得分最高[22]。其他评价也证明了电化学储能在离岸出产场景中的明显优势，尤其是磷酸铁锂(LFP)和镍锰钴(NMC)电池[4]。锂离子电池(LIBs)因具备低自放电率和高能量密度特性而被广泛应用，其间LFP与NMC是干流技能道路[23]。但是，其高能量密度会导致明显的产热现象[24]，若办理不妥[27][28]，或许引发功能衰减[25]乃至热失控[26]。因而，有用的热办理（TM）关于海上电化学储能体系（OEESSs）至关重要。浸没式冷却技能可强化散热才能并进步温度均匀性，有助于将电池维持在15°C[29]至45°C[30]的安全温度区间内，一起有用下降电池组内部温度散布的不均匀性。若需在海底部署OEESSs，则必须施行适配的热办理（TM）措施。这种办理能进步水下环境中的电池功能与安全性，包含应对海水腐蚀[31]、海底高压[32]以及昂扬保护本钱[33]等特殊工况。
一般而言，浸没式冷却体系可根据冷却剂的相变行为分为单相与两相体系，并根据活动状态划分为静态流与强制流体系（动态浸没冷却[34]）[35]。C. Wang等[36]研讨了强制对流条件下的锂离子电池单相浸没冷却。J. Yao等[37]针对21,700型NMC锂离子电池开展了强制对流冷却研讨，并选用两相浸没流体优化了对流通道。Y. Wang等[38]对锂离子电池的静态两相浸没式液冷技能进行了研讨。在海上环境中，OEESS需以最低保护要求运转。但是强制对流冷却依托泵等辅助部件，不只使体系复杂化[39]，还会增加故障概率并进步能耗。此外，在两相体系中，由液-气相变引起的压力波动或许加速外部压力容器的老化，进而导致泄漏并或许造成环境污染[40]。比较之下，当选用静态单相浸没冷却办法时，这些问题发生的或许性明显下降。Sheng Lei等[41]开发了一种用于家用储能体系（ESS）的静态液浸热办理办法，使100 Ah锂离子电池组在0.5C倍率放电期间能坚持温度低于36.0°C。Q. Liu等[42]经过实验验证并比照评价了静态浸没冷却、强制活动浸没冷却与空气冷却的热办理功能。研讨结果标明，该模块的电热平衡功能遵循以下顺序：静态活动 > 强制活动 > 空气冷却。Ruixin等[43]选用数值模仿办法研讨了方形腔体内21 Ah方形锂离子电池组的天然对流特性，但未对内部流场进行优化。Chin等[44]开发了用于海上平台及海底Equipment储能的大功率电池组原型，首要聚集于电池办理体系（BMS）的规划。本研讨未涉及热规划，导致冷却功能缺乏，在1C放电进程中最高温度达到54°C。
综上所述，静态单相天然对流冷却似乎是海上ESS部署中OEESS热办理（TM）最适宜的办法，但现在该范畴的研讨仍相对匮乏。
本研讨提出将单相静态天然对流浸没冷却作为苛刻水下工况下锂电池的热办理战略。该体系具有结构简略、故障率低的特点，旨在下降保护频率。该热办理战略的天然对流侧引进了天然对流循环（NCL）结构。NCL是一种由密度梯度驱动的活动结构，这种密度梯度由腔体内温差引起，然后构成沿近乎闭合途径的循环活动。NCL已在核电站[45]、太阳能热水器[46]和地热挖掘进程[47]等工业体系中得到广泛应用。
尽管天然循环回路（NCLs）已被广泛研讨，但其构成机理的控制要素本质上是复杂的。这种复杂性首要源于三维构型的改变，包含几许尺寸、资料属性、热边界条件以及外部加速度等要素。此外，阀门、孔板等特定几许特征或许进一步影响活动行为。在特定三维构型条件下，安稳的天然循环回路运转还要求格拉晓夫数（Grashof number）处于恰当范围内[48]。
与传统天然对流（如平板上的对流）比较，天然循环回路（NCL）的要害优势在于其才能经过自发性循环建立一种有用、无泵、浮力驱动的热交换回路。
为强化天然对流，在圆柱形腔体内安装了一对导流板，将流体引导构成对流回路，然后经过优化规划增强NCL功能。本研讨选用的NCL体系如图1所示，该体系在圆柱形腔体内封装了21,700个圆柱形NMC锂离子电池。大多数水下耐压容器选用圆柱形或胶囊形结构[49][50][51]，以进步结构强度并下降泄漏危险[40]。整个电池组被置于水下环境中，利用低温且温度相对安稳的海水作为冷却源，以进步TM功能。此外，坐落海底的水下OEESS处于海水腐蚀分类体系的浸没区，该体系将腐蚀区域划分为飞溅区、浸没区和淤泥区。该区域腐蚀速率低于飞溅区，且传热效率高于淤泥区。
在后续章节中，对矩形排布与菱形排布电池包进行了评价。研讨了天然对流循环（NCL）的活动与传热特性，包含其驱动机制以及电池放电进程中流场内NCL的演化规则。经过评价均匀温度、最高温度、最大温差及均匀传热效率等要害TM目标，从热功能和活动动力学视点确定了更优的排布计划。随后选用呼应面法与多目标遗传算法，经过调整挡板几许参数和单体排布来优化NCL。具体考察了不同环境温度下电池包的TM功能，并剖析了不同放电倍率下的冷却弛豫时间。本研讨经过核算流体力学（CFD）模仿对圆柱形腔体内摆放的圆柱形锂离子电池静态浸没冷却进程中的热-流耦合场进行了剖析，并以创新办法将天然循环回路（NCL）概念引进锂离子电池热办理（BTM）范畴。该研讨成果有助于深化对水下电池体系BTM解决计划的了解。本研讨旨在为水下海洋可再生动力储能体系（OEESSs）的热规划供给参考根据，验证水下环境下的静态浸没冷却作用，并为OEESSs供给更安全高效的BTM解决计划。