李韩伟
比亚迪汽车工业有限公司
摘要：现如今，集装箱式储能系统的应用越来越广泛。但是集装箱式储能系统并不完善，最突出的问题就是系统充放电会导致大量的热量产生，影响到电池的使用性能、使用寿命。文章就此结合实例展开了分析，先是简单介绍了集装箱式储能系统的构成及其缺陷，然后在分析储能系统实测数据、模拟热分析数值的基础上，提出了添加空调挡风板的优化措施，最终对其优化效果进行了分析。
关键词：集装箱式；储能系统；热分析；优化
通过对集装箱式储能系统进行热分析可以了解到其内部机构及造成内部温度过高的原因，在此基础上就可制定针对性的优化措施就可解决温这一问题，提升集装箱储能系统的运行水平。
一、集装箱储能系统介绍
文章以某大型集装箱储能系统为例，对其通风冷却结构进行了分析，并结合实际情况提出了优化措施。具体来说，是通过实际检测深入分析了集装箱电池Pack内温度分布均匀、空调运行状况的关联，然后进行了数值模拟分析了集装箱缺陷，最后提出了优化措施，并对优化效果进行了分析。
该集装箱储能系统主要是由多个电池Pack串、并联在一起的，其数量非常多。但是外界温度环境对电池Pack的影响大。若储能系统在充放电过程中产生较多的热量，会导致内部温度升高，进而影响到电池的使用性能、寿命。尤其是系统功率越大，充放电功率也会变大，所产生的热量也会更多，发热问题会越严重。最重要的是内部温度不够均匀，还会影响到电池Pack的充放电SOC。而结合实际来看，该储能系统共有电池Pack360个，数量非常多，内部温度差也比较大。只有采取有效的冷却措施，才能保证储能系统的正常运行，延长电池Pack的使用性能、寿命。
通过查阅各种文献不难发现：通风散热方式是一种非常经济、可靠的冷却方式。但是依据实际需求，该系统选择的是空调冷却方式，且共设置了四台空调。在正常运行状态下，空调处于制冷模式。当不再需要制冷时，空调就会启动通风模式。这两种工作模式能很好地适应工作环境，将集装箱内的电池温度控制在295K~313K之间。
二、实测数据
考虑到集装箱内的电池组比较多。所以为了方便后续数据检测工作的开展，可对不同位置的电池PACK进行编号。如图1 所示。
在实测前，需先在放电末端放置软件。这样在集装箱储能系统进行连续充电、放电时，就可实时采集集装箱储能系统内部的温度数据，并以图表形式直观、形象地展示出温度分布情况。通常每个Pack的温度主要是以长方体呈现出来的。另外，为了保证测量数据的精确性、适用性，还可在每个module上设置两个温度采样点。
在实测过程中还可边检测边观察现象、分析，直至测试结束就能得到完整的数据图，再以此为基础就可深入分析储能系统的散热情况。结合实际来看，在测试的过程中，测试人员发现其中存在少量的空调并没有开启制冷模式，而是开启了通风模式。而且从数据结果来看，不同Pack存在较大的温度差，且编号示意图中的Bank1、Bank2、Bank4的温度差现象最为明显。也就是说，整体来看集装箱内储能系统中确实存在着严重的温度差现象，会给电池Pack的使用带来影响。
三、热分析数值模拟
结合集装箱式储能系统来看，其中存在的传热方式主要包括对流热交换、固体热传导。若是进行计算，可以采用K-e湍流模型，并灵活选择经验数值。除此之外，还可应用N-S方程组、离散计算方法、边界条件计算方法等方法。本文重点介绍的是边界条件及其计算方法。
从该系统构成来看，该系统的主要发热体是电芯发热。但是电池产热的情况非常复杂，且相关影响因素比较多。但在研究中不可能兼顾多种因素。因此，在实际仿真计算中可尝试简化计算，尽量不考虑多余因素的影响。具体可按照以下方案进行：第一，认为电池组的材料相同，比热容、密度等参数也一致，尤其是各位置处的材料热导率相同；第二，认为温度、SOC变化等因素不会影响到电池材料的性质及运行参数；第三，认为电池组在充放电时，各处的电流密度分布比较均匀，不存在产热速率不同的问题。在假定这些前提条件后，再开展集装箱式储能系统热分析工作，会更加容易。
1.划分网格
结合该集装箱储能系统来看，其内部不仅设有空调，而且还设有风道，风量为3000m3/h。另外，空调的启动温度为295K。也就是说，在外界环境温度达到295K时，空调就会启动制冷模式进行降温。但是为了降低分析难度，简化模型，在该研究中可选择空调的进风温度为295K，入风速度2.57m/s，回风口模式为out-flow。另外，由于集装箱外侧属于自然对流模式，所以可将其内部的气固耦合面设置为非滑移面壁。这样更方便处理、分析。
由于电池Pack的实际运行情况也比较复杂。所以在研究中也可将其简化。具体可采取以下方法；第一，对于正在运行的电池Pack，可在其出口位置安装风扇。这样就可利用风扇进行电池Pack的冷却，并实现内外气体的对流，削弱风扇对其内部流场的影响。第二，基于第一点在进行有限元模拟时，对于风扇处就可应用Fan边界条件，并对电池Pack、风道等气固流场等进行网格划分、设置边界条件。其网格划分情况如图2所示。
2.分析计算结果
通过分析利用软件所得到的流场分析图能够发现：①确实存在风速不均匀的现象，影响到了空调的运行。具体来说，Bank1、Bank4的空调冷风会直接吹向与其邻近的空调回风口。即Bank2、Bank3的回风口。而这一现象会直接导致Bank2、Bank3的空调检测失误，使得其冷风模式无法开启。一旦空调的冷风模式模无法打开，集装箱内部的温度就会升高，最终就会影响到储能系统电池的使用性能、寿命。②通过分析软件所得到的电池Pack温度云分布图、实测温度云分布图能够发现，其实两者的分布情况大体上是相似的。这也就证明了在模拟分析中设置的边界条件是可靠的、有效的。③经过分析模拟数值、实测数据还能够发现导致不同电池Pack温度分布不均匀的根本原因是温度比较高的电池架、风速会比较下，空气流通会比较慢。况且Bank2、Bank3空调检测的是Bank1、Bank4的冷风，不能开启空调制冷模式。
3.优化措施
针对上述情况，可在回风口处添加挡板使Bank2、Bank3处的空调无法检测到冷风，进而开启冷风模式，降低其内部环境的温度，从而有效改变集装箱内部的冷空气流动状态，确保电池Pack能正常、稳定的运行。
3.效果分析。
通过加设挡板改变冷风流动路径可以有效降低集装箱内的屋内的温度差。在应用之后发现该方法发挥出了显著的作用。具体表现在以下几个方面：第一，添加挡板之后，集装箱内部的温度分布、气体流动速度等情况发生明显改变。而且，部分空气则从下端直接进入气体回流体系，使得流场更加一致。②添加挡板后，电池组的温度差也发生了改变。表现在分布图上主要就是温度差数值也出现了不断减少的现象，且集装箱电池组的最高温度也会有所下降。总的来说，在具有空调风道的储能系统中，加装空调挡封板不仅可以提高空调检测的准确性，确保空调能开启制冷模式。而且还可以降低电池组温度，改变集装箱内存在的温度差。
综上所述，在深入分析集装箱式热分析的基础上，可以清楚地了解到集装箱式储能系统的构成状况及其产热、散热情况，然后就可以结合实际情况，提出针对性的优化措施，优化储能系统结构。也只有这样才能真正提高集装箱式储能系统的运行水平，延长电池的使用性能、寿命。
参考文献
[1]罗军,田刚领,张柳丽,李占军,魏金勇.集装箱式储能系统温度特性研究[J].电器与能效管理技术,2019(09):48-52.
[2]朱运征,李志强,王浩,高翔,郑益,屈园,徐剑虹,谢建江.集装箱式储能系统用梯次利用锂电池组的一致性管理研究[J].电源学报,2018,16(04):80-86.
[3]沈毅.集装箱式储能系统的热分析及优化[J].电子世界,2017(11):29-30.
[4]张子峰,王林,陈东红,王骁雄,朱东梅,李丽娜.集装箱储能系统散热及抗震性研究[J].储能科学与技术,2013,2(06):642-648.
论文作者:李韩伟
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：系统论文; 温度论文; 储能论文; 电池论文; 空调论文; 集装箱论文; 箱式论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;