摘 要 對液冷儲能電池包進行室溫環(huán)境下熱仿真分析，與相同工況下電池包熱測試結果進行對比分析，并結合實際工藝水平對熱仿真參數(shù)進行調整以對標測試結果，保證測點的仿真值與實驗值誤差在1 ℃之內(nèi)。利用相同熱仿真參數(shù)對高溫及低溫的極限環(huán)境工況對電池包進行熱仿真計算，其中高溫工況電芯發(fā)熱狀態(tài)為放電末態(tài)，低溫工況為電芯靜置狀態(tài)。計算結果表明高溫工況下電芯平均溫度為39.2 ℃，最高溫度為41.2 ℃，低溫工況下電芯平均溫度為7.8 ℃，最低溫度為3.7 ℃，表明該型液冷電池包產(chǎn)品在極限環(huán)境下均可以讓電芯處在正常工作溫度區(qū)間。運用本文所述熱仿真方法可以較為全面地分析電池包在極限環(huán)境下電池包的熱狀態(tài)，在實驗成本較高或條件無法滿足的情況下評估儲能系統(tǒng)熱性能。
隨著國家對能源問題及環(huán)境問題的愈發(fā)重視，可再生能源和清潔能源得到了更好的發(fā)展，在國家能源結構占比中越來越大。在此背景下，新型儲能電站得到大力推廣，其中以鋰離子電池儲能占主要地位，目前占比達90%以上。相較于其他形式儲能，鋰電池儲能具有成本低、效率高、環(huán)境適應性強、安裝存儲方便等優(yōu)勢，但其安全性和使用壽命一直是業(yè)內(nèi)研究的重難點。由于鋰電池結構和材料的特殊性，其對運行溫度有著較高的要求，溫度較高時會加快電芯內(nèi)部副反應的產(chǎn)生，以至于誘發(fā)熱失控、熱蔓延等事故，低溫時電芯內(nèi)阻增加，鋰離子更易析出，會降低電池包使用壽命。
當前在儲能領域，對于電池的熱管理系統(tǒng)，更多的是關注在室溫狀態(tài)下包內(nèi)電芯所處溫度狀態(tài)，劉周斌等利用數(shù)值模擬評估了室溫下儲能電池包不同冷卻方式和結構對散熱性能的影響，并對冷卻流道進行了優(yōu)化設計，降低了電池包溫升和溫差。但實際上儲能電站在不同氣候區(qū)域都有應用，例如新疆等地夏季氣溫可達50 ℃以上，而北方地區(qū)冬季最低溫度一般都在-20 ℃以下，這就要求儲能電站熱管理系統(tǒng)在寬溫場景下仍可保證其容量穩(wěn)定性和安全性，在這樣的環(huán)境工況下，電池包內(nèi)電芯是否仍可處在正常工作溫度下值得深入研究。李岳峰等研究了不同海拔高度下風冷電池包的熱特性，結果表明，海拔高度的提升會導致電芯溫升和溫差不同程度地增加；劉磊等通過搭建低氣壓測試平臺，研究了風冷電池包在不同海拔高度下的熱特性，結果表明電池包的散熱性能和熱穩(wěn)定性隨著海拔高度升高而降低。而對于目前廣泛應用的液冷電池包在極端工況下的熱適應性還少有研究。
針對上述情況，本文選取本公司某液冷電池包為研究對象，測試其在室溫環(huán)境下的溫升情況，然后在相同工況下對該型電池包做數(shù)值模擬熱仿真分析，調整其中的不可控參數(shù)以對標實驗結果，使用相同的熱仿真參數(shù)及設置對電池包進行高溫及低溫工況下的熱仿真分析，最后依據(jù)分析結果評估電池包在寬溫場景下的適應性，并對熱管理系統(tǒng)提出了若干優(yōu)化建議。
1 研究對象及工況
本文研究對象為公司自研儲能電站3.72 MWh液冷儲能系統(tǒng)中單個電池包主體，含4×12=48個單體電芯，單個電芯容量280 Ah，冷卻方式為底部液冷，冷卻液進出口分布在同側，液冷板上表面涂覆絕緣漆，然后與電芯之間以導熱結構膠黏接。電芯按正負極交錯排列，每個匯流排分別與電芯的正、負極焊接。根據(jù)熱管理系統(tǒng)設定，液冷板入口流量為5 L/min，入口溫度20 ℃，介質為50%乙二醇水溶液。
對于計算模型，與數(shù)值模擬熱仿真相關性較小的部件以及線束等進行了省略，對端板、PC板等結構件的圓角、窄縫作簡化處理。發(fā)熱該電池包充放電速率為0.5C，整個充放電過程中單個電芯發(fā)熱功率會隨著容量變化，由于實驗測得的溫度最高點通常在放電過程的最后半小時，本研究以放電過程最后半小時的平均發(fā)熱功率為準，此狀態(tài)下單個電芯發(fā)熱功率約12 W，匯流排電流為140 A，表1列出了本研究的主要工況參數(shù)。
