基于电池箱体开孔的储能电池系统精细化热设计优化研究

徐鑫甜，张碧霄，朱信龙，杨凯杰

（1南京航空航天大学航空学院，江苏 南京 210016；2江苏科技大学能源与动力学院，江苏镇江 212003）

储能技术是推动世界能源清洁化、电气化和高效化，破解能源资源和环境约束，实现全球能源转型升级和“双碳”目标的核心技术之一。然而储能电池堆在工作的时候由于排列紧密导致热流密度大，产生大量的热能，若散热不及时，会造成电池堆内温度分布不均匀，电池堆内催化剂达不到最佳活性点，进而导致电池的寿命显著下降。因此，储能电池的热设计和热分析技术得到了普遍的重视和发展。风冷以其结构简单、安全性高、经济性好等优点[1]成为电池散热的一个重要的研究方向。然而，由于空气导热系数低，风冷式BTMS存在温度均匀性差、散热能力有限等不足之处[2]。因此，为了提高风冷式BTMS的冷却性能，人们进行了大量的研究，主要集中在结构设计优化和流动配置改进上。

Xun 等[3]研究了电池放电过程中的热行为，发现冷却通道的逆流布置或周期性的改变共流布置的流动方向有助于热管理。Na等[4]研究了一种新型的电池结构，并对其内部隔板结构进行了研究，比较了不同气流配置(即单向气流和反向分层气流)对电池组的影响。他们发现，反向分层的气流显著改善了温度均匀性。结果还表明，相邻电池之间的距离对最高温度和温度均匀性有显著影响。Chen 等[5]对U 型流并联风冷BTMS 的冷却效率进行了研究，并通过优化气腔宽度和进、出口宽度对其进行了优化。Liu 等[6]研究了一种新型的J 型电池热管理系统，并在J 型、U 型和Z 型结构的基础上进行了结构参数优化，显著降低了电池包的最高温升。Zhang 等[7]在传统U 型和Z 型电池热管理系统的基础上，设计了风冷T 型电池热管理系统(T-BTMS)。与Z-BTMS 和U-BTMS 相比，T-BTMS 在提高冷却性能方面更有效，且功耗更低。并探讨了电池布局、顶部倾角、进出口结构参数、冷却管道和控制变量对T-BTMS冷却性能的影响。在冷却管道中增加挡板和调整电池间距，大大提高了BTMS的冷却性能。与原始模型相比，最大温度和最大温差分别降低了2.2%和90.8%。

上述研究极大地改善了空气冷却的效率，但是现有的集装箱储能电池系统的热管理方案却存在着送风不均且阻力特性较大等问题。王晓松[8]通过在风道内部布置挡板的方式来对集装箱储能系统进行优化，使得流场与温度场分布更加均匀。张子峰等[9]对某型集装箱储能系统进行了散热仿真，通过在风墙入口位置设置合理的导流板，保证了储能系统内部电池温度的均匀性。王丽娜等[10]通过改变导流板的渐缩和渐扩情况，保证了流场的均匀性同时减少了涡流的产生。梁昌杰等[11]在电池组间隙中加入导流板，通过改变导流板形状、位置等结构参数，研究电池系统内部的温度分布情况，得到导流板相对较优的结构参数，进一步提高电池的输出功率、安全性以及寿命。Lin 等[12]提出了一种改善电池储能系统(BESS)气流分布的解决方案，对冷却性能进行了定量分析，并研究了给定操作配置下的流动模式。改造后的电池单体最大温差由31.2 ℃降至3.5 ℃，平均温度由30.5 ℃降至24.7 ℃，性能系数(COP)提高4 倍。Khaboshan 等[13]研究了矩形、三角形、梯形、工字型和波浪型等不同翅片形状对最佳BTMS 的影响，结果表明，PCM、金属泡沫和翅片组合的最佳BTMS可使电池表面温度降低3 K。Kwon等[14]提出了一种新型的带有导风器和流动循环器的ESS 结构，对热泵排风角和导风角对热泵冷却性能的影响进行了数值研究，电池架的最高温度和平均温度可分别降低11.9%和11.17%。Zhu 等[15]提出了一种新型的集装箱储能电池热管理系统，将主风道送风口采取渐缩的形式，在主风道出口上方设置导流板使得主风道出口风速的均匀性得到极大地改善。在子风道上端六个出口处加设角度为45°的导流板有效地提高了出风的均匀性。

以上学者的研究主要集中在风道通风系统风力输配和电池箱内部热特性的独立研究上。虽然也有一些学者对集装箱内的风道和电池箱进行了耦合性能研究，但由于计算模型的复杂性，导致了庞大的计算网格量，进而极少关注电池箱内部芯体的热性能。因此，为了解决上述问题，本文在考虑集装箱送风管路风力输配的基础上，采用数值模拟技术，研究了风道系统通风后电池内部单个芯体的温度分布情况。同时，本研究提出了通过在电池盒中开设适当开孔的措施，优化电池之间的温差，从而最终实现舒适性的目标效果。本文的研究结果旨在为优化电池集装箱设计提供新的思路，并为电池芯温度管理策略的制定提供有益的见解。

1 计算模型与理论基础

1.1 几何模型

本文所描述的储能电池系统及设计的冷却系统的几何结构如图1所示。电池架由7个电池柜组成，从左到右依次为1～7号电池柜，每个电池柜叠放有10个电池箱。每个电池箱内放置4×4个电池，电池之间紧密均匀排布，电池箱采取由两侧送风的冷却方案，在电池箱的两个侧壁设置送风入口，在电池箱的前后箱壁设置出风口，如图2所示。冷却风道由一个主风道和13 个子风道组成，从左到右依次为1～14号子风道，其中2～5号、8～13号子风道为两两共用一个壁面的双侧子风道，1号、6号、7号及14 号子风道为不具有共用壁面的单侧子风道，在各子风道上面开设有出口，从上到下依次为1～10 号送风出口。主风道出口上方和子风道上端六个出口处设置导流板，使得冷却空气相对均匀；在冷却风道出口与电池箱进口之间采用管道连接。设计的冷却方案为冷却空气从送风口进入后，由主风道分配给子风道，再由子风道分配给电池箱，冷却空气完成对电池的冷却后通过电池箱上的出风口流出，至此整个冷却过程结束。

图1 储能电池系统及冷却系统几何结构Fig.1 Geometric structure of energy storage battery system and cooling system

图2 电池箱几何结构Fig.2 Battery box geometry

1.2 边界条件

本文中，分别采用恒定速度和恒定压力作为入口和出口边界条件，入口速度设置为2.91 m/s(进风量为3200 m3/h)，绝热条件施加于除了电池表面之外的所有壁面。电池和冷却空气的热物性参数如表1所示。

表1 电池和冷却空气的热物性参数[16-17]Table 1 Thermophysical parameters of batteries and cooling air

1.3 控制方程

基于上述假设，在确定控制方程之前，需判断冷却风道内流体的流动状态，由公式(1)[18]计算得到冷却风道入口处的雷诺数为1.6×105，远大于2300的临界值，因此本研究中冷却空气在系统内部的流动状态为湍流流动。

式中，V为空气的速度，ρ为密度，μ0为空气的运动黏度，d为特征长度。

利用控制方程、初始条件和边界条件模拟物理模型中的流体流动和温度分布。不可压缩流体的控制方程如式(2)～(4)所示，分别表示连续性、动量和能量守恒方程[19]。

由于k-ε湍流模型在内部流动中简单有效，因此选择它作为黏性湍流模型，即[20]

湍流黏度系数μt由k和ε联合计算如下:

式中，Gk为平均速度梯度产生的湍流动能。C1ε、C2ε和Cμ为常数(C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09)。σk和σε是k和ε的湍流普朗特数(σk=1.0，σε=1.3)。

本文使用Fluent对以上边界条件的控制方程进行求解。数值计算中，采用SIMPLE 算法解决压力-速度耦合问题，并选择增强壁面函数。

1.4 热流密度试验验证

本节对电池进行放电试验来获取准确的电池热流密度值，确保后续仿真计算的真实准确性。

试验装置示意图如图3所示。

图3 试验装置示意图Fig.3 Experimental set-up

将电池置于MCGS 恒温箱中，通过恒温箱的控制面板调节环境温度为25 ℃，待温度稳定后，调整电脑中的蓝电监控软件，实现稳定的恒流放电，在电池生热的过程中CTR-380 多路温度记录仪以及K型热电偶将电池表面的热信号转换为电信号传输给温度巡检仪，从而获得电池表面的温度，最终取平均值，获得电池终温。

温度记录仪实时采集了电池放电试验过程中的温度变化，试验结果如图4 所示，电池以1 C 恒流放电，经过3600 s 放电完成，温度变化为297.86～305.31 K。热成像仪拍摄的放电完成时的温度图如图5所示。

图4 电池放电试验温度变化Fig.4 Temperature variation diagram of battery discharge test

图5 电池放电结束温度图Fig.5 Temperature diagram of battery discharge end

将测得的锂离子电池热物性参数输入到Fluent仿真软件中，得到电池放电结束后的表面温度分布。电池表面的温度分布如图6所示。

图6 电池表面温度分布Fig.6 Battery surface temperature distribution map

由图6 可知，电池放电过程中温度为298 K 变化至305.57 K，与图5电池放电3600 s时温度分布较为一致。

通过试凑法获得电池HGR，电池放电温度变化的仿真值与实验值对比如表2所示。

表2 仿真值与实验值对比Table 2 Comparison between simulated and experimental values

由表2 可知，当仿真的HGR 为12500 W/m3时，实验值与仿真值变化趋势接近，且误差在1%以内。故HGR=12500 W/m3将作为下文的CFD 计算条件输入。

1.5 网格无关性验证

网格无关性是指网格量到达一定数量程度时，随着网格量的再增加，数值计算的结果不会再有较大的变化。网格数量越多，数值计算结果更准确，但也会导致计算量大计算时间长。因此，为了获得更精确的数值计算结果，同时减少计算量，节约计算时间，需进行网格独立性分析。本文中采用某个电池箱中的电池平均温度和某个子风道出口的平均风速来分析不同网格数量之间的差异。不同网格数量下的电池平均温度和出口平均风速如图7 所示，从仿真结果中可以发现，当网格数量进一步增加到2000 万以上时，温度和风速没有明显变化，因此本文研究选取2000 万数量的网格来进行后续的仿真计算。

图7 网格无关性验证Fig.7 Grid independence verification

2 初始方案仿真分析

我国储能技术标准化处于起步阶段，为了保证储能系统安全运行，国家标准化管理委员会对国标、能标和企业标准进行了相关规定。规定了储能工作环境为258.15～318.15 K，其中电池最佳运行温度在283.15～308.15 K[21-22]，电池单体之间平均温差小于5 K[23]。

由于各列电池架的结构均保持一致，并且在整体风量分配过程中已经确保了各列风管的风量相等。鉴于整个电池架的计算量相对较大，并且基于计算资源的考虑，本文选取单独一列电池架作为研究对象。在经过计算后，获得了该列电池架的电池温度分布和流场分布，具体结果如图8、图9所示。

图8 初始电池架温度分布Fig.8 Initial battery rack temperature distribution

图9 初始电池架流场分布Fig.9 Initial battery rack flow field distribution

由图9可知，由于垂直风道的流量分配存在不均匀性，顶部三层电池箱流量较少，导致电池堆内部的上下芯体温度差异较为显著。这一现象进一步验证了进行本研究工作的必要性。同时，由图8可知，也注意到电池的温度分布范围在300.48 K 至308.14 K之间，虽然总体上满足了储能工作环境的要求。然而，需要指出的是，每个电池箱内仍存在部分高温区域，且个别单体电池箱的最大温差甚至高达5 K以上。这不符合电池散热要求，即单体电池箱之间的平均温差应小于5 K 的基本要求。因此，在接下来的章节中，将对电池箱的结构进行具体优化探讨。

3 电池箱优化

在对图8所示的电池堆进行优化前，本文采取先对单个电池箱芯体进行优化再对整个电池堆进行优化的思路。监测图8 所示的电池堆第3 排电池箱(最不利工况)入口的流量，以此作为单个电池箱优化的边界流量(21.3 m3/h)。截取电池电芯中心截面，初始电池箱温度分布如图10所示。

图10 初始电池箱温度分布Fig.10 Initial battery box temperature distribution

由图10 可知，电池箱最大温差达到6.01 K，超过5 K，不满足电池散热的基本要求，且电池两侧温度分布较高，故采取开孔的措施进行优化。需要说明的是，最大温差相较于对整个电池堆进行计算时的情况已经有所减小。这种误差产生的主要原因在于，在对单个电池箱进行优化时，虽然流量的设置与电池堆整体研究时保持一致，但电池箱入口处速度矢量的分布却存在差异。这种不一致分布导致了最终结果的一些差异。

各个工况的具体温差如表3所示。

表3 顶部开孔各工况下具体温差Table 3 Specific temperature difference under different working conditions of top opening

3.1 顶部开孔

在电池箱内两侧电池对应的每个电池芯正上方分别对应开设1 孔、2 孔和4 孔，探究不同数量及不同孔径的散热效果。

电池箱顶部开孔示意图如图11所示。

图11 电池箱顶部开孔示意Fig.11 Schematic diagram of opening on the top of the battery box

分别对比10 mm、20 mm、30 mm 和40 mm孔径的散热优化效果，其温度分布图如图12所示。

图12 顶部开孔各工况温度分布图Fig.12 Temperature distribution diagram of top opening under various working conditions

如图12和表3可知，在电池箱顶部开孔对改善电池箱散热有一定的效果，从开孔数量来看，10 mm 孔径情况下，4 孔效果最佳；20 mm 情况下，1孔效果最佳；30 mm情况下，1孔效果最佳；40 mm 情况下，1 孔效果最佳；从开孔孔径来看，1 孔情况下，30 mm 的孔径效果最佳；2 孔情况下和4 孔情况下，10 mm 孔径效果最佳。综合比较，开1孔且孔径为30 mm时，电池散热效果最佳，温差降低了2.18 K。

3.2 侧壁开孔

在电池箱内两侧电池侧壁分别对应开设1 孔，2孔和4孔，探究不同数量及不同孔径的散热效果。电池箱侧壁开孔示意图如图13所示。

图13 电池箱侧壁开孔示意Fig.13 Schematic diagram of opening on the side wall of the battery box

分别对比10 mm、20 mm、30 mm 和40 mm孔径的散热优化效果，其温度分布图如图14所示。各种工况的具体温差如表4所示。

表4 侧壁开孔各工况下具体温差Table 4 Temperature difference under different working conditions of side wall opening

图14 侧壁开孔各工况温度分布图Fig.14 Temperature distribution diagram of side wall openings under various working conditions

由图14和表4可知，在电池箱侧壁开孔对改善电池箱散热有一定的效果，从开孔数量来看，10 mm 孔径情况下，1 孔效果最佳；20 mm 情况下，4孔效果最佳；30 mm情况下，1孔效果最佳；40 mm 情况下，2 孔效果最佳；从开孔孔径来看，1孔情况下，30 mm的孔径效果最佳；2孔情况下，10 mm的孔径效果最佳；4孔情况下，10 mm孔径效果最佳。综合比较，开1 孔且孔径为30 mm 时，电池散热效果最佳，温差降低了2.33 K。

综上所述， 在比较电池箱侧壁和上壁面开孔的效果后，发现电池箱侧壁开孔的效果更为优越。特别是在侧壁开1 个孔且孔径为30 mm 的情况下，电池的散热效果达到最佳状态。在这种情况下，温度差从原来的6.01 K 降低至3.68 K，降幅为2.33 K，相当于原始最大温差的38.7%。其次，需要注意的是，并非开孔数量越多越好，开孔孔径也不是越大越好，优化效果与这些参数并非线性关系。最后，值得强调的是，各种开孔工况都成功降低了温度差。因此，开孔设计有助于实现电池箱内温度场的更均匀分布，从而提升整体散热效果。这一系列研究结果将有助于我们更好地优化电池箱的设计，以满足系统的热管理需求。

4 整体优化

最后将上述优化结果应用于整体的电池堆中进行校核，校核后的温度分布如图15 所示，流场分布如图16所示。

图15 整体优化温度分布图Fig.15 Overall optimized temperature distribution

图16 整体优化流场分布图Fig.16 Overall optimized flow field distribution

由图15 可知，整体温度分布较为均匀，最低温度为300.34 K，最高温度为304.76 K，电池间温度差为4.32 K，满足电池热管理的需求。由图16 可知，开孔后的流场分布也较为均匀，故电池箱的温度分布均一性提高。

初始方案和优化方案温差对比如表5所示。

表5 初始方案与优化方案对比Table 5 Comparison between initial plan and optimized plan

优化方案的温差由原来的7.66 K 降到了4.32 K，降低了3.34 K，优化了电池间温差，为电池芯温度管理策略提供了技术参考。

5 结 论

为解决集装箱储能电池系统精细化的热仿真研究问题，本文提出了一种基于电池箱体开孔的温度均匀性调配方法。通过采用计算流体力学(CFD)仿真模拟方法，系统地研究了电池箱上壁面和侧壁面开孔数量和大小对电池热性能的影响，并筛选出了优化的设计方案。研究结论如下：

（1）在针对单个电池盒的优化过程中，相对于在上壁面开孔，采用侧壁开孔的方案能够获得更为优越的性能。这种优势在于，在单个电池的情况下，温度差从过去的6.01 K减少至3.68 K，降幅达到28.2%，从而充分满足了电池的散热需求。

（2）在整个电池堆热优化过程中，通过在侧壁开孔的策略，成功将单列电池架内的最大温差从7.66 K 降低至4.32 K，实现了高达43.6%的显著改善。

（3）开孔数量并非越多越好，开孔孔径也不是越大越好，优化效果与这些参数并非线性关系。但各种开孔工况都成功降低了温度差。因此，开孔设计有助于实现电池箱内温度场的更均匀分布，从而提升整体散热效果。