儲能系統鋰電池 pack 熱設計的仿真計算與實驗研究

采用電池儲能系統既可以保證上網電壓的穩定，又可以補償有功功率，不會對系統產生不利的影響。儲能電池體系主要有鈉硫電池、液流電池、鋰電池、超級電容器、鉛酸電池以及飛輪儲能、蓄水儲能和壓縮空氣儲能等。

鋰電池憑借其較高的能量效率、較長的循環壽命、合適的響應時間以及較成熟的規模化市場，在電力調頻中展示了很好的應用前景。目前，鋰蓄電池已朝著大功率、高比能量和高循環壽命方向迅速發展，大型鋰電池模塊已經作為儲能電池進入了電力儲能系統。

為開發滿足國際技術要求兆瓦級儲能系統，本文以26650電池為研究對象，針對100kW·h/480V儲能電池子系統進行模塊化結構設計、數值模擬和試驗研究。

根據儲能系統對電池子系統模塊溫度一致性、電壓電流一致性、機械可靠性、裝配工藝性以及模塊標準化要求，運用CFD流體傳熱計算機數值仿真模擬和實驗方法對電池模塊、集流板以及電池機柜的關鍵參數進行分析研究。

研究表明：合理的電池間隙不僅讓冷卻風與每個電池進行充分熱交換，還能改善風冷通道、減少模塊體積；增加斜板設計可以使模塊內部各電池組冷卻均勻，有效解決電池因熱累積帶來的溫升過高問題；集流板優化設計可以改善電池單體外連接件電阻的一致性，從而改善充放電電流和電壓的一致性。

1電池選型和模塊集成

1.1電池選型

大規模儲能系統不僅對電池數量的需求量非常大，還要求批量電池具有非常嚴格的一致性。根據對各類電池（圓柱電池、軟包電池和方形電池等）設計條件、制造工藝和質量控制等技術水準的調研。

本文選用工藝成熟穩定、成品率高、可靠性高、一致性好、成本低、循環壽命長和傳熱面積大的磷酸鐵鋰體系26650圓柱電池，如圖1所示，電池性能參數如表1所示。

該電池機械可靠性高、裝配工藝靈活、運輸安全，樣品如圖1（a）所示。金屬殼體導熱效果好，有利于熱均衡設計；為防止電池短路，保證電池的安全性，電池兩端易短路區均被套管覆蓋；熱塑橡皮套管內徑26mm，外徑為27mm。電池模型如圖1（b）所示。

1.2模塊集成

電池模塊由蓋板、集流板和鎳片等主要部件組合而成。蓋板采用厚度2mm、槽深9mm的絕緣塑料材料，槽中有固定電池的小圓柱，如圖2（a）所示。通過調整圓柱間距可以控制電池單體之間的距離。

為節省空間，電池成組采用交叉排列，中間散熱區域形成等距強迫對流風道，為下文不同間距成組方式散熱能力的研究提供基礎。

為了便于焊接，還需在蓋板安裝電池的位置處開孔，空徑一般12mm左右。圖2（b）為模塊鎳片、銅板連接關系，每列電池用一根厚度0.1mm的鎳片連接，鎳片安裝在電池與集流板之間。為了便于極耳和數據采集線的安裝，電池兩端的鎳片長度不相等。

集流板設計主要是為了保證電池模塊中各電池單體的外連接電阻的一致性，且與電池單體的連接穩固；為減少電流通過集流板產生的焦耳熱，還要保證較小的歐姆電阻，如圖3所示，圖3（a）為集流板的雙側開耳設計方案，而圖3（b）為集流板的單側開耳設計方案。

電池模塊左右對稱，組成模塊時，只需一側安裝檢測電壓的連接線以及電連接器。極耳兩側安裝極耳罩，蓋板開孔安裝螺栓，保證電池組的緊固。電池組由底部進風強迫冷卻。上部出風散熱。極耳處安裝電連接片。

極柱頂部設計成的沉孔，通過插入螺釘的方式，方便電池組之間的電連接。在集流板兩側分別安裝極柱，極柱與集流銅板通過螺釘多點相連，極柱位置靠近每一側的蓋板。電池模塊按照6×8交叉排列方式共48個電池并聯組成，如圖4所示。

2實驗設備和設計

2.1實驗設備

電池模塊發熱測試是在實驗室條件下進行的，動力電池充放電設備的主機和巡檢儀如圖5所示，還有與之配套的測試軟件。測試設備為湖北德普電氣股份有限公司生產的德普100V/150A4通道，型號BTS2000。

為驗證模擬方案的正確性，對該方案進行了初步實驗驗證，測試現場如圖6所示。將電池兩端貼上膠帶使電池中段保持有間距，用鎳板將24個單電池并聯起來，電池殼上分別貼上溫度傳感器，用風扇對電池組進行冷卻，并在不同倍率下進行充放電實驗。

3結果與分析

3.1電池間距對模塊溫度分布的影響

圖7為不同電池模塊間距時電池模塊溫度場分布情況。當間距為2mm時，電池溫度最高為32.6℃，最大溫差11.6℃；隨著間距增大，最高溫度和溫差都會有顯著降低；雖然更大的間距，電池組溫度會更低，但效果有限，且會大大增加模塊尺寸。

本文模塊間距選用4mm，表4為工況測試數據。電池間距為4mm時，電池模塊最高溫度和模塊溫差最低。繼續增大電池間距，對降低電池模塊最高溫度的能力開始下降，電池模塊的溫差也開始增大。

直到電池間距增大為7mm時，電池模塊的散熱狀態勉強接近間距4mm時的電池模塊。因此對于本文研究的電池模塊，電池間距選擇4mm的設計參數可以讓模塊的散熱狀態達到較優的狀態。

3.2充放電倍率對模塊溫度分布的影響

表5為不同充放電倍率溫度測試結果，1C充放電時電池最大溫升為4.6℃，最大溫差2.6℃。而2C充放電時電池最大溫升為7.2℃，最大溫差6℃。

對于大規模儲能系統，采用電池單體內部多并聯接方式降低充放電倍率，可以降低電池的充放電倍率，從而不僅可以提高電池的使用容量和電壓，還能提高電池的循環壽命。

3.3集流板設計對熱電一致性的影響

如圖8為集流板的厚度、長度對其發熱功率的影響，集流板長度小于30cm時，其發熱功率差異性較小；而厚度對發熱則有成倍的影響。為了減少集流板的發熱率選用0.2mm厚較好。

根據公式編程計算可知，當集流板一側開耳，靠近極耳處的電池與遠離極耳處的電池焦耳熱相差1.6W，這會使電池易失去一致性，導致熱失衡。集流板采用兩側開耳的設計方案，可以提高電池單體外連接電阻一致性，從而保證充放電過程中的電流、電壓和發熱的一致性。

3.4風扇風量對模塊散熱特性的影響

為探究冷卻方式對模塊溫度分布的影響，通過控制風扇風量來模擬各種冷卻工況下的散熱情況。當風扇輸入功率為0W時，電池模塊采用的是自然散熱方式；當風扇輸入功率為全負荷12W時，電池模塊采用的是強制對流散熱。風扇功率為0、2、4、8和12W時，對應的風量分別為0、82、165、323和487L/min。

表6為風扇在不同功率下的溫度測試結果，隨著風扇功率的加大，最高溫度和最大溫差都顯著降低。當風扇功率超過4W，進一步增大風扇功率對改善電池散熱影響有限。

在儲能系統熱設計中，對風扇風量的優化選型不僅可以獲得較好的散熱效果，還能降低系統能耗。一味地增大風扇功率，對進一步改善電池散熱效果影響有限，還會增大風扇的系統能耗。對于本文研究的電池模塊，采用功率4W、風量165L/min的風扇，既能滿足模塊的散熱要求，又能節約系統的電功耗。

4.結論

(1）對于大規模儲能系統，為了滿足系統溫差不超過5℃的技術要求，模組的充放電倍率最好不超過1C。采用電池單體內部多并聯接方式增大容量，可以達到降低電池的充放電倍率的目的。

低倍率、大容量的模組設計不僅可以提高電池的使用容量和電壓，還能提高電池的循環壽命。

（2）通過模擬與實驗相結合的方法設計電池間隙，使冷卻風能有效接觸每個電池進行熱交換，提高換熱效率。對于本文研究的電池模塊，電池間距選擇4mm時設計參數可以使模塊的散熱狀態達到較優的狀態。

集流板長度超過300mm、厚度小于0.1mm時發熱較為明顯。板集流板雙側出耳的設計不僅能改善銅板發熱的一致性，還能提高電池單體外連接件電阻的一致性。

（3）在儲能系統熱設計中，對風扇風量的優化選型不僅可以獲得較好的散熱效果，還能降低系統能耗。一味增大風扇功率，對進一步改善電池散熱效果影響有限，還會增大風扇系統能耗。

對于本文研究的電池模塊，采用功率4W、風量165L/min的風扇，既能滿足模塊的散熱要求，又能節約系統的電功耗。

參考資料：用于儲能系統鋰電池 pack 熱設計的仿真 計算與實驗研究；作者:張 研，曹永娣 ；黃河水利職業技術學院機械工程學院

原文始發于微信公眾號（艾邦儲能與充電）：儲能系統鋰電池pack熱設計