基于新型热电耦合模型的储能CAT蓄电池组空冷系统性能优化研究

储能电池在充放电进程中会发生很多热量。若剩余热量未能及时排出，或许引发安全隐患。本研讨提出了一种新型热电耦合模型用于数值模仿储能电池组的热生成进程。随后，气流经过考察不同摆放办法对储能电池组风冷体系效率的影响，成果标明：放电倍率对电池散热具有更明显的影响，跟着放电倍率增大，电池产热量明显添加。此外，电池组的冷却效率取决于冷却空气进出口的气流方向。当气流方向与电池长度方向共一起，冷却作用增强；而当气流方向与电池宽度方向共一起，冷却作用减弱。此外，电池组的摆放办法也对冷却作用发生明显影响冷却体系与交织摆放和线性摆放的电池组比较，电池组选用对齐摆放办法时冷却作用更佳，且在电池组顶部加装导流板可进一步提高冷却功能。但是，当一起考虑冷却作用与电池能量密度时，电池组的交织摆放办法是最优选择。本研讨经过选用单体电池交织摆放办法（交织间隔10 mm、单体距离5 mm）完成了最优散热安排。在此配置下，相较于优化前工况（交织间隔0 mm、单体距离5 mm），电池组最高温度下降0.5%，最大温差减小4.2%。
当今年代，电力体系的发展与化石燃料的焚烧密不可分。但是，化石燃料的大规划使用已引发严重的环境与动力问题，这些应战正日益凸显[1]。为解决这些问题，越来越多的学者将研讨要点转向储能及其相关技能范畴。在诸多解决方案中，由储能电池构成的储能体系为解决电力输出动摇及供需峰谷失衡问题供给了新思路[2]。此外，电化学储能技能因其明显的储能容量和广泛的使用规模，已成为当时使用率最高的储能办法。锂离子电池是电化学储能范畴的主导技能，具有长循环寿命、极低的能量损耗以及快速充放电速率等优势[3][4][5][6][7]。
跟着储能体系规划的扩大和电池能量密度的提高，储能体系的安全性已成为首要重视问题[8]。储能使用中所选用锂离子电池的最佳工作温度规模为25至40°C，主张电池间温差不超过5°C。若温度超出规则规模，将对电池发生晦气影响。当温度超过最佳规模时，或许对电池形成多重危害，包含缩短使用寿命、下降容量，乃至引发焚烧或爆破[9][10]。在广泛使用的储能电池组中，很多电池的密布摆放会发生明显内部热量，而电池间有限的距离会阻止热量有效发出，导致热量积累。在高温环境下，电池内部资料会发生快速分解，导致容量加快衰减。在更严重的状况下，这或许引发焚烧乃至爆破。近年来，储能电站发生热失控电池事端的数量明显添加，给个人和社区形成了重大经济损失。例如，2021年4月16日，位于丰台区西马场甲14号的北京福威斯油气技能有限公司光储充一体化项目发生火灾和爆破，导致1人死亡、2名消防员殉职、1名消防员受伤，火灾形成的直接财产损失达16,608,100美元。2019年，亚利桑那州McMicken发电站的锂离子电池储能体系发生持续热失控，引发火灾并随后爆破，导致四名消防员受伤。2017年至2019年期间，韩国发生了一系列涉及锂离子电池储能体系的事端，总数超过30起。储能电站事端的频宣布明晰两个明显因素：其一，储能电池在当代社会的普及使用。其二，电池在特定环境下易发生热失控，继而引发焚烧乃至爆破。为确保储能电池体系的有效运转与使用寿命，开发更高效的电池热办理体系已成为要害研讨范畴。
当时电池热办理体系中选用的冷却办法依据所使用的传热介质进行分类，首要包含空冷、液冷以及相变冷却。其间，空冷因其结构简略、保护快捷且成本低廉等优势，在储能电池热办理中得到了广泛使用[11]。很多学者针对该体系开展了优化研讨，如Wang等[11]研讨了进出风口方位与数量的影响，发现下降进风口高度并添加进风口数量可提高电池组温度分布的均匀性。Cai等[12]探求了电池包布局与距离对风冷体系散热作用的影响，其研讨成果标明：当电池选用下游摆放办法、y向距离32毫米且x向距离4毫米时，风冷作用最佳。Wang等[13]则针对不同电池单体摆放办法与风扇方位的热功能进行了研讨。研讨成果标明，当风扇置于顶部且选用轴对称模块结构时，可完成最优散热作用，然后确保强制风冷体系的稳健性。Du等[14]经过在电池舱内加装导流板对散热进行优化，发现该规划能促进气流与电池模块间的热交换，然后提高散热效率。Chen等[15]探求了进出风口方位对电池热办理体系的影响，研讨标明优化后的Z型电池热办理体系展现出更优异的冷却功能。Zhang等文献[16]研讨了进风口与出风口方位、单体电池距离以及风量对电池热办理体系的影响。研讨成果标明，电池放电进程中的产热量明显高于充电进程。此外，他们证明晰当进风口位于电池包顶部时冷却作用最佳，一起确认了完成最优冷却效率的单体电池最佳距离。Fan等[17]则探求了单体电池距离与风速对电池热办理体系的归纳影响。研讨成果标明，减小电池单体距离虽可下降电池最高温度，但或许削弱单体间的温度均匀性。上述研讨证实，经过调整进出口数量、优化电池摆放办法以及加装导流板，可有效按捺电池组温升并提高其温度分布均匀性。
现在关于电池热办理体系的大多数研讨首要根据试验和模仿。但是，与试验研讨比较，数值模仿具有周期短、研讨成本低的优势。因而，电池风冷体系的优化首要经过模仿进行研讨。但模仿的要害在于模仿成果的准确性。现有电池模仿热模型包含均匀热源非耦合模型、电化学热耦合模型和热电耦合模型。均匀热源非耦合模型将电池简化为具有均匀发热特性的稳定热源，以为热量仅在电池内部发生，且电池内部不存在热对流或热辐射，无法准确表征电池真实的温升特性与温度分布。现有大多数研讨将电池简化为具有均匀产热特性的稳定热源，通常将其建模为圆柱体或立方体[18][19][20]。这种办法疏忽了电池产热的不均匀性，以及电极、汇流排等电池结构对产热的影响，导致模仿成果存在明显差错并下降准确性。为解决这些问题，研讨人员开发了电化学-热耦合模型与热电耦合模型，然后完成对电池温度场的模仿。
经过考虑电池温度与电化学反响之间的相互作用，树立了电化学-热耦合模型。Song和Evans[21]经过树立电化学-热耦合模型，研讨了电池在不同充放电条件下的热行为。Wang等[22]使用已树立的电化学-热耦合模型，研讨了可调参数对三元锂离子电池电化学及热行为的影响。电化学-热耦合模型首要从电化学反响产热角度出发，用于表征常规工况下电池的温度分布特性。但是该模型需求获取很多电池资料与电化学参数，需配置很多测试配备，参数获取流程复杂且计算量巨大。热电耦合模型以为电池充放电进程中温度动态改变会影响其电气特性与热效率。该模型能更精确地反映电池电势、电流密度及温度的不均匀性。Ui Seong Kim等[23]针对方形LiMnO4电池。研讨了不同环境温度和放电倍率下电池的温度分布状况，并经过试验验证了模型的准确性。Lin等[24]提出了一种圆柱形电池的热电耦合模型，并将其使用于LiFePO4电池。4选用石墨烯电池的方案下降了参数化的复杂性。Huang等[25]将等效电路模型与模仿相结合，发现与试验成果具有良好的共同性。Wang等[26]根据平板热管树立了热电耦合模型，研讨了燃料费腔厚度、总厚度以及热管长度对电池热点特性的影响。Xu等[27]构建了Panasonic 21700圆柱电池的热电耦合模型，并开发了集成热管的热办理体系。研讨成果标明，热管体系能更有效地调节电池温度，且经过改变制冷剂温度可完成更强的冷却作用。
上述研讨标明，MSMD-NTGK热电耦合模型能够更精确地模仿电池的发热进程，然后为应对锂电池热失控现象供给了新思路。但需指出，该模型属于半理论半经验性质，其建模参数将直接影响模仿成果的真实性。现在Fluent软件的默许参数根据Ui Seong Kim等学者[23]提出的方形锂锰酸电池热模型表征参数。当时大多数研讨直接选用Fluent中的这些默许参数进行，乃至有研讨混用方形与圆柱形电池的参数，这将导致电池热模仿成果出现误差。因而，本文构建了锂电池组的精细化数值模型，涵盖电芯、正负极、汇流排等组件。该模型根据Chen等[28]提出的方形磷酸铁锂电池MSMD-NTGK电池模型，选用优化的电池热办理体系，包含电池包内部的气流安排与电池摆放办法，然后提高风冷体系的散热效率。为储能电池组风冷体系优化规划供给参阅依据，推动热电耦合模型在储能体系范畴的开发与使用。