黃興華,范元亮,吳 涵,陳金玉,連慶文
(國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院,福建福州 350007)
儲能預(yù)制艙空間密閉,隨著系統(tǒng)容量提高,電池密集程度越來越高,對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)濟優(yōu)勢凸顯了出來[3-4]。在儲能領(lǐng)域,液冷技術(shù)正開始推廣。
冷卻液回路包括液冷板與液冷管路?,F(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)雜難以實用化;并且側(cè)重于仿真研究,缺乏工程實用的設(shè)計方法。文獻[5-6]以仿真入手,研究了進水口寬度、流道數(shù)量等參數(shù)不同組合的效果,參數(shù)的計算方法未進行研究。液冷管路設(shè)計在現(xiàn)有研究中較少涉及,但值得重視,因為在預(yù)制艙電池密集堆疊的環(huán)境下,液冷管路的合理設(shè)計對冷卻液分配和最終散熱效果具有重要影響。
針對冷卻液回路設(shè)計問題,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)計思路與方法。依托1 MW/2 MWh 實際儲能工程,給出了冷卻液回路設(shè)計實際案例,分析了其現(xiàn)場運行效果,為液冷式預(yù)制艙儲能系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。
液冷式預(yù)制艙儲能系統(tǒng)冷卻液回路如圖1 所示。冷卻液通過液冷機組水泵加壓進入液冷管路,流至電池包內(nèi)液冷板,與電池?zé)峤粨Q,再通過液冷管路回流至液冷機組。液冷機組將熱量排出預(yù)制艙。
圖1 液冷式預(yù)制艙儲能系統(tǒng)冷卻液回路
液冷板設(shè)計與電池包結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于當(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)的計算方法。
從工程實用角度出發(fā),液冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮的因素包括:(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 個進液口和出液口,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
流道寬度設(shè)計從電池?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)計的最大充放電倍率下電池的發(fā)熱功率,可由電池測試得到。制熱需求在電池運行于低溫環(huán)境下才會存在,電池在低溫靜置后可能需要經(jīng)過加熱才能達到可工作狀態(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)生對流換熱,熱對流換熱公式為:
式中:Pcell為單電池?fù)Q熱需求;h為液冷板與冷卻液的傳熱系數(shù);ΔTdiff為冷卻液與液冷板壁面溫差;A為換熱面面積。
在確定ΔTdiff時,冷卻液溫度取制冷或制熱時控制的液溫,液冷板壁面溫度取電池的目標(biāo)溫度。式(1)保證了電池達到目標(biāo)溫度時,制冷或制熱功率等于換熱需求。在電池尚未達到目標(biāo)溫度時,由于電池溫度偏離目標(biāo)溫度,實際制冷或制熱功率大于換熱需求,從而可以快速制冷或制熱。
流道寬度D由換熱面面積A與電芯厚度W計算得到:
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)計值的基礎(chǔ)上,可以結(jié)合高度一起調(diào)整。流量一定時,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(進出口壓力差)越大。這將決定液冷機組水泵選型。
通常液冷板高度取10 mm 內(nèi)可滿足要求。實際應(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,通過冷卻液回路仿真,檢驗系統(tǒng)流阻和流量,流阻和流量滿足即確定冷板高度。
儲能預(yù)制艙含多個電池簇,電池簇含多個電池包。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)
管路流量是管徑設(shè)計的基礎(chǔ)。最小流量通過設(shè)計的冷卻液允許溫升來確定:
式中:Ppack為電池包換熱需求;k為電池包內(nèi)電池數(shù);c為冷卻液比熱容;ρ 為冷卻液密度;Qpack為電池包支管路最小流量要求;ΔTrise為設(shè)計的冷卻液允許溫升。
假定電池簇內(nèi)有m個電池包,一套液冷系統(tǒng)含n個電池簇,則主管路流量要求Qmain、從上至下第i段(i=1,2,…,m)電池簇支管路流量要求Qcluster_i為:
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。為減少設(shè)計制造成本,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)計方案
均衡流量的本質(zhì)是使冷卻液到達不同電池包的壓力損失相同。冷卻液流過管路產(chǎn)生的壓力損失包括沿程損失、截面縮小損失和擴大損失。對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。
沿程損失ΔPλ為:
式中:λ為沿程阻力系數(shù);l為液體流過的行程;d為管道內(nèi)徑;v為對應(yīng)管路流速;Q為對應(yīng)管路流量;S為截面積。
式(5)中λ與雷諾數(shù)Re有關(guān):
雷諾數(shù)為:
式中:μ為液體粘度。
流經(jīng)三通產(chǎn)生的截面縮小損失ΔPξ1阻力系數(shù)ξ1與擴大損失ΔPξ2阻力系數(shù)ξ2為:
式中:S1為初始截面積;S2為出口截面積。
則ΔPξ1和ΔPξ2的表達式為:
在一個含m個電池包的電池簇內(nèi),要保證冷卻液到達頂層與底層電池包的流速損失相同,需考慮到:(1)在垂直方向上,冷卻液到達底部電池包比頂部電池包多經(jīng)過m-1 段電池簇支管路,即有m-1 段沿程損失,代入式(5)可計算各段l沿程損失并累加得總損失ΔPλ_sum;(2)在垂直方向上,比頂部電池包多流經(jīng)m-1 個三通,即m-1 個截面縮小和擴大,通過式(9)可得垂直方向上的截面縮小損失ΔPξ1_sum_vert和擴大損失ΔPξ2_sum_vert;(3)在水平方向上,三通入口與水平方向出口、水平方向出口與電池包支管路截面差異產(chǎn)生縮小和擴大損失,通過式(9)可得水平方向上的縮小損失和擴大損失,對于頂部電池包為ΔPξ1_top_horiz和ΔPξ2_top_horiz,對于底部電池包為ΔPξ1_bttm_horiz和ΔPξ2_bttm_horiz。
為使冷卻液流入頂部和底部電池包的壓力損失相同,須有:
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。進一步的,為避免三通尺寸過多,三通垂直方向出入口內(nèi)徑可保持一致,則式(10)的變量僅為頂部與底部三通的水平方向出口內(nèi)徑。在設(shè)計頂部與底部三通的水平方向出口內(nèi)徑后,其他層級電池包對應(yīng)的三通水平方向出口內(nèi)徑,從上往下遞增。
本文以某海島微電網(wǎng)1 MW/2 MWh 預(yù)制艙儲能系統(tǒng)為例。該儲能系統(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0.5C,電池長、寬、高分別為174、68、207 mm;單電池包含3 排共33 個電池,電池包長、寬、高分別為1 060、640、230 mm;單電池簇含7個電池包。該系統(tǒng)共有10 個電池簇,在熱管理上劃分為2 個子系統(tǒng),每個子系統(tǒng)含5 個電池簇,液冷回路獨立設(shè)置。
圖5 某海島1 MW/2 MWh預(yù)制艙儲能系統(tǒng)
4.2.1 液冷板
在評估電池?fù)Q熱的需求時,本工程所用電芯在設(shè)計的最大充放電倍率0.5C下的發(fā)熱功率為12 W。由于工程運行的環(huán)境溫度不低于0 ℃,根據(jù)所用電芯特性,在不低于0 ℃條件下可進行0.5C充放電,對制熱量要求很低,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。計算得到流道寬度最小值D為38 mm。
在考慮流道高度時,電池包高度對流道高度有一定的限制作用。注意到電芯長度為174 mm,比流道寬度D的初設(shè)值大很多,說明流道寬度的可調(diào)整裕度大。因此高度的設(shè)計值確定為3 mm,后續(xù)將通過調(diào)整寬度D來改變截面大小,從而調(diào)整系統(tǒng)總流阻。
4.2.2 液冷管路
首先計算管路流量。冷卻液水乙二醇的比熱容c為3.3 kJ/(kg·℃),密度ρ為1 071 kg/m3;冷卻液允許溫升ΔTrise取2 ℃。計算得到電池包支管路流量要求Qpack為3.4 L/min,通過式(4)可計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。
在計算節(jié)流三通孔徑時,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度l為280 mm。通過式(5)~式(10)計算,當(dāng)?shù)撞咳ㄋ椒较虺隹趦?nèi)徑選取為10 mm,計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。
本工程電池溫差的目標(biāo)是不超過5 ℃。在4.2節(jié)初步設(shè)計結(jié)果的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化與校驗。首先,液冷板流道高度不調(diào)整,通過調(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多給制造和選型帶來困難,在優(yōu)化與校驗中,電池簇上層3 個三通水平出口孔徑將選擇一種參數(shù),下層4 個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。最后需通過仿真校驗電池溫差目標(biāo)得到滿足。
通過仿真,當(dāng)下層4 個三通水平方向出口孔徑選擇10 mm,上層3 個三通水平方向出口孔徑選擇6~7 mm 時,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,各電池包流量的差異有所增加。因此上層3 個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,對不同管路流量、液冷板流道寬度進行仿真,分析電池溫差與進出液口壓差。部分結(jié)果如表1 所示,可得到如下結(jié)論:
表1 選取不同參數(shù)的設(shè)計結(jié)果
(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,進出液口壓差將增加。當(dāng)流量增大到一定程度時,減小電池溫差的效果已經(jīng)不明顯。對于液冷板流道寬度66 mm 而言,流量250 與200 L/min 的條件下,電池溫差基本相同。
綜上考慮,優(yōu)化后的方案為上層3 個和下層4 個節(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。
對優(yōu)化后的方案進行仿真。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)計值基本一致。由于兼顧實際孔徑選擇的便利性,上層流量有所偏高。本文進一步通過溫度場仿真驗證溫差控制效果。
圖6 管路流場仿真結(jié)果
針對流量最高和最低的電池包,進行電池包溫度仿真,電池工作于最大充放電倍率0.5C,賦予電芯內(nèi)部極片發(fā)熱功率,電池長度方向間距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5 ℃的溫差目標(biāo)。
圖7 電池包溫度場仿真結(jié)果
對第4 節(jié)設(shè)計的海島1 MW/2 MWh 預(yù)制艙儲能工程實例開展現(xiàn)場運行分析。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。
圖8 熱管理策略
(1)制冷:當(dāng)電池最高溫度Tcell_max>30 ℃時,啟動制冷,下發(fā)液溫目標(biāo)值Tset=18 ℃和回差ΔTmargin=3 ℃。制冷至Tcell_max降至25 ℃時結(jié)束。
(2)制熱:當(dāng)電池最低溫度Tcell_mmin<15 ℃時,啟動制熱,下發(fā)液溫目標(biāo)值Tset=30 ℃和回差ΔTmargin=5 ℃。制熱至Tcell_min升至20 ℃時結(jié)束。
實際工程中在電池包內(nèi)布置6 個溫度傳感器,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、液冷機組的出水和進水口溫度。
圖9 電池包內(nèi)溫度傳感器布置
對含系統(tǒng)完整充放電循環(huán)的某9 h 進行分析,充放電倍率為設(shè)計的最大充放電倍率0.5C。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)大約在時間t=0.5 h,電芯最高溫度>30 ℃,啟動制冷;大約在t=6 h,電芯最高溫度<25 ℃,制冷結(jié)束。
(2)制冷過程中,管路進口液溫在15~22 ℃波動,電芯溫度維持在34 ℃以下。
(3)電芯最大溫差不超過3 ℃。
在某96 h 時段內(nèi),儲能系統(tǒng)靜置,但由于氣溫低,熱管理系統(tǒng)在此期間自動進入制熱模式。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)大約在時間t=72.68 h,子系統(tǒng)1 電芯最低溫度<15 ℃,啟動制熱;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 啟動和停止制熱的時間大約在t=36.5 h 和t=43.9 h。
(2)加熱過程中,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3 ℃。
本文對液冷散熱式預(yù)制艙儲能系統(tǒng)冷卻液回路展開了設(shè)計。液冷板方面,提出一種可通用于常見的含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)計方案,闡述了液冷管路流量、節(jié)流三通尺寸的設(shè)計方法。
以某海島1 MW/2 MWh 預(yù)制艙儲能為例,開展工程設(shè)計實例分析。運用所提方法設(shè)計了冷卻液回路參數(shù),通過仿真對參數(shù)進行了優(yōu)化與校驗。
現(xiàn)場運行情況表明,設(shè)計方案能夠?qū)㈦姵販囟瓤刂圃?0~25 ℃區(qū)間,電池溫差不超過3 ℃。