海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计.pdf

第 12 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.12 No.9Sept.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计李岳峰1,2，韦银涛1,2，彭宪州1,2，项峰1,2，王杭烽1,2，孙勇1,2，徐卫潘1,2，黄文强1,2（1浙江运达风电股份有限公司，浙江 杭州 310012；2浙江省风力发电技术重点实验室，浙江 杭州 310000）摘要：自然条件恶劣的高海拔地区对储能设备的环境适应性提出了严峻的挑战。而作为储能设备核心的锂电池包，因其在工作过程中会大量产热导致温升、温差过高，因此需要实施严格的热管理方案。显然，海拔高度的变化将直接对锂电池包的散热性能产生影响。因此，为了评估储能锂电池包在不同海拔工况下的热特性，本工作以某强制风冷系统为研究对象，首先阐述了海拔高度变化对于电池系统参数的具体影响，接着通过数值模拟探究了海拔高度从04000 m变化对于电池温度特性的影响，最后针对高海拔工况提出散热结构的优化方案。结果表明：海拔高度变化主要是通过改变空气参数及风扇特性从而影响风冷系统的热特性；随着海拔高度的提升，电芯温升和温差均有不同程度增加；且当海拔高度高于1000 m后，温升增加率较高；在高海拔工况下，通过增加进风口面积和提升风扇转速的优化方案可以有效降低系统电池的温升和温差。本工作为今后储能电池系统在高海拔的工程应用提供详细的温度数据、规律及优化参考。关键词：储能锂电池；热特性；海拔高度；优化设计doi：10.19799/ki.2095-4239.2023.0365 中图分类号：TM 912 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）09-2954-08Thermal simulation analysis and optimal design for the influence of altitude on the forced air cooling system for energy storage lithium-ion battery packLI Yuefeng1,2,Wei Yintao1,2,PENG Xianzhou1,2,XIANG Feng1,2,WANG Hangfeng1,2,SUN Yong1,2,XU Weipan1,2,HUANG Wenqiang1,2(1Zhejiang Windey Co.,Ltd.,Hangzhou 310012,Zhejiang,China;2Key Laboratory of Wind Power Technology of Zhejiang Province,Hangzhou 310000,Zhejiang,China)Abstract:The environmental adaptability of energy storage equipment is severely hampered by high altitude and harsh natural circumstances.Lithium battery packs,as the core of energy storage equipment,require stringent thermal management due to high-temperature rise and temperature differences caused by large amounts of heat generation during operation.It is obvious that changes in altitude directly influence the thermal characteristics of the lithium battery pack.In evaluating the thermal characteristics of the energy storage lithium-ion battery under different altitude conditions by adopting a forced air cooling system,this research elucidated 储能测试与评价收稿日期：2023-05-29；修改稿日期：2023-06-09。基金项目：浙江省科学技术厅项目（2023C01123）。第一作者及通讯联系人：李岳峰（1995），男，博士，高级工程师，研究方向为储能、发电机热管理及涡轮叶片主动热防护技术，E-mail：。引用本文：李岳峰,韦银涛,彭宪州,等.海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计J.储能科学与技术,2023,12(9):2954-2961.Citation：LI Yuefeng,Wei Yintao,PENG Xianzhou,et al.Thermal simulation analysis and optimal design for the influence of altitude on the forced air cooling system for energy storage lithium-ion battery packJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(9):2954-2961.第 9 期李岳峰等：海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计the specific effects of altitude on the battery system parameters,investigated the influence of altitude(04000 m)on the temperature characteristics of the battery,and then proposed an optimum scheme for the heat-dissipating structures at high altitude condition.The results showed that a change in altitude influences the thermal characteristics of the forced air cooling system by altering air parameters and fan characteristics.The temperature rise and difference of cells increase in varying degrees with altitude,and the rate of temperature increaseis relatively high after 1000 m.Under high altitude conditions,optimization of increasing the inlet area and fan speed decreases the temperature rise and difference for the system battery.This researchprovides detailed temperature regular and optimization references for future engineering applications of energy storage battery systems under high altitude conditions.Keywords:energy storage lithium-ions battery;thermal characteristics;altitude;optimal design近年来，在“碳达峰，碳中和”战略的推动下，大规模储能需求逐渐增加。2022年7月，国家发改委公开表示“大力推进以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点大型风电光伏基地建设”，这也对配建高效储能提出了更高的要求。沙漠、戈壁和荒漠主要位于我国西北部，这些地区往往自然条件恶劣，海拔较高，对储能设备的环境适应性提出了严峻的挑战。作为储能设备核心的锂电池，需要执行严格的热管理，这是因为其在充放电过程中会大量产热导致温升、温差过高，严重时极可能造成整个系统热失控1,2。锂电池主要通过与周围空气的对流换热散热，而随着海拔高度的提升，空气性质(如密度、压强等)会发生显著改变，空气性质变化将会对电池温升、温差产生影响。因此，探究海拔高度变化对电池热特性的影响是十分必要的。然而当前，海拔高度变化对于系统散热影响的研究绝大多数限于计算机、散热器等设备3-9。不同海拔对于锂电池热特性影响的研究少之又少。仅刘磊等10通过实验手段研究了海拔高度分别为0 m和4000 m时风冷电池包的热特性。通过对比发现：随着海拔高度的上升，电池温升增大，温度均匀性下降。但该研究并未给出定量的温升和温差变化情况，同时由于海拔工况较少，因此无法总结出一定的温度变化规律。针对上述情况，本工作选取了某强制风冷电池包系统作为研究对象，首先详细阐述了海拔变化对于该系统性质的影响，接着通过数值仿真定量探究了海拔高度从04000 m变化对于电池温升、温差的影响情况，最后针对高海拔工况提出有效的散热结构优化方案。本工作旨在为今后储能电池系统在高海拔的工程应用提供一定的温度数据、规律及优化参考。1 理论分析1.1物理模型本工作选取自研储能锂电池包强制风冷散热系统作为主要研究对象，系统结构及工作原理如图1所示。整个电池包共由22个电芯组成，排成对称两列。在该系统同排相邻电芯间隙外侧设置若干矩形送风口，用于输送来自外界的冷气；异排电芯间设有内部风道结构，电芯最前端设置排气风扇，用于及时汇集并排出电芯产热。1.2海拔高度变化对风冷系统空气性质的影响1.2.1大气压强随着海拔高度的增加，地球万有引力减小。因此在高海拔处，压力产生的效果被削弱，大气压强呈下降趋势，风冷系统的空气压强减小。海拔高度图1储能锂电池包强制风冷散热系统结构示意图Fig.1The schematic of forced air cooling system for energy storage lithium-ions battery pack29552023 年第 12 卷储能科学与技术和大气压强的关系可用公式(1)表示：P(H)=P01-(2.25577)(10-5)H 5.2599(1)式中，P表示大气压强；P0表示海平面大气压强；H表示海拔高度。1.2.2空气密度随着海拔高度的增加，空气中分子的分布随着其势能的增加而衰减，导致风冷系统空气密度呈下降趋势。不同海拔高度的空气密度可用公式(2)计算：(H)=P(H)RdaT 1+1.608w(H)1+w(H)(2)式中，表示系统空气密度；H表示海拔高度；P表示大气压强；w表示空气湿度；Rda表示气体常数。1.2.3环境温度海拔高度与环境温度的关系通常用公式(3)表示：T(H)=15-0.005H(3)式中，T表示环境温度；H表示海拔高度。显然，随着海拔高度的增加，空气温度呈下降趋势。因此对于本工作的强制风冷散热系统来说，工作时需提前将周围环境温度提升至电池正常工作的温度范围内。1.2.4空气黏度空气黏度大小与环境温度变化有关。随着海拔高度的增加，环境温度下降，分子运动削弱，因此系统空气黏度有所降低。空气黏度和环境温度的关系可用萨特兰公式表示：/0=()T T032()T0+BT+B(4)式中，表示空气黏度；T表示环境温度；B表示与气体种类有关的常数，空气气体常数B=110.4 K；下标0表示温度为15 时的基准工况。1.3海拔高度变化对风冷系统风扇的影响对于强制风冷散热系统，位于电芯最前端的排气风扇由于具有及时散出电芯热量的能力，因此其工作强度成为决定风冷系统散热水平的重要指标之一。而决定风扇性能的主要是静压-流量(P-Q)曲线，由参考文献11可知：风扇的P-Q曲线会随着海拔高度的升高而变化。此外，据实测经验，随着海拔高度的变化，风扇转速也发生了一定程度的改变。因此，海拔高度的变化影响了风扇的散热性能。风扇法则(fan law)：Q2=Q1(N2N1)(5)P2=P1(21)(N2N1)2(6)式中，Q表示流量；P表示大气压强；N表示风扇转速；下标1、2分别表示海拔高度变化前后工况。由此可见，P和Q主要由系统空气的密度及风扇转速决定。因此，海拔变化后风扇的P-Q曲线可由式(5)、式(6)重新评估。2 数值仿真2.1计算模型本工作计算域主要由电芯域、系统空气域及风扇域组成，如图2所示。图2也显示了强制风冷系统的散热模式，即冷气从侧边矩形进风口吹入同侧电芯间隙，在和电芯表面对流换热后，产热汇入内风道，最终由风扇将高温空气抽出。2.2计算工况及边界条件通 过 数 值 仿 真 模 拟 了 海 拔 高 度 从 0 m 到4000 m变化时强制风冷散热系统内电池包的温度变化情况。根据1.2节公式推算出不同海拔高度下空气压强及密度情况。表1列出了待研究海拔工况及相对应的空气参数变化情况。对于系统风扇，由于在4000 m内风扇随海拔高度变化较小，因此忽略转速变化。由1.3节中公式，可认为流量Q不随海拔高度的变化而发生改变，同时根据空气密度变化推算静压P变化，从而得到不同海拔高度下P的变化情况。风扇不同海拔高度下的压强-速度(P-v)性能曲线如图3所示。表2中列出了主要计算边界条件。表3列出了电芯热物性参数，考虑电芯内部导图2计算域示意图Fig.2The schematic of the computational domain2956第 9 期李岳峰等：海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计热的各向异性。2.3计算设置本工作选取某商业软件进行仿真。其中，湍流模型选取Realizable k-模型，空气密度采用boussinesq假设。残差收敛标准设置如下：连续性、动量及湍流方程残差低于1.010-5，能量方程残差低于1.010-7。在空气域内设置若干监测点，确保残差收敛时监测点温度达到稳定。将二阶迎风格式应用于各项方程离散，同时采用Coupled 算法进行高精度稳态计算，调节各项松弛因子保证计算的稳定性和收敛性。2.4网格生成和无关性验证分别对流体区域和固体区域进行高精度多面体网格划分，得到网格如图4所示。对电芯附近的流体区域进行网格加密，同时在靠近壁面附近共划分12层边界层网格，其中第一层网格高度设置为0.05 mm，伸展率为1.1。为确保网格精度，需进行数值结果的网格无关性测试。表4列出了三组网格方案的网格数量及数值预测结果。显然，综合预测准确度及计算成本考虑，网格方案#2是最佳选择。因此，最终确定网格方案#2用于后续计算，网格总数约为1024万。2.5实验验证通过对电池包样品进行0.5 C倍率下的充放电实验对本节仿真计算的准确性进行验证。电池包放置于常温室内，散热风扇开启，在电池包每个电芯表面布置若干温感点用于测量温度变化。实验电池包样品及温感线布置情况如图5所示。表1海拔工况及空气参数值Table 1Values of altitude and corresponding air parameter海拔/m05001000150020002500300035004000空气密度/(kg/m3)1.18501.13831.09191.04590.99980.95430.90950.86480.8023大气压强/kPa101.395.289.484.078.972.867.261.656.0动力黏度/kg/(ms)1.8410-51.8210-51.8110-51.7910-51.7710-51.7610-51.7410-51.7210-51.7010-5图3不同海拔工况下风扇P-v曲线图Fig.3P-v curves of the fan under different altitude conditions表 3电芯热物性参数Table 3Thermal properties of cells电芯比热容/J/(kgK)1000质量/kg5.43电芯各方向宽度X厚度Y高度Z导热系数/W/(mK)156.49.2表2计算边界条件Table 2 Computational boundary conditions边界位置矩形进风口出风口风扇进口风扇出口电芯边界条件速度入口压力出口内部域风扇条件固体域具体值速度/(m/s)：5温度/：25P-v曲线5251 W/m3图4计算网格示意图Fig.4The schematic of computational mesh表4网格无关性测试方案及预测结果Table 4The scheme of mesh independence test and corresponding prediction results参数网格总数/万电芯均温/#171528.6#2102431.7#3141731.929572023 年第 12 卷储能科学与技术表 5 对比了实验和仿真中整个电池系统中的所有温感监测点所出现的最高温升和最大温差数据。其中，最高温升是指在整个电池包系统中，位于电池表面的所有温度监测点出现的最高温升值；最大温差是指整个电池包系统中，位于电池表面的所有温度监测点出现的最高温升和最低温升的差值。由数据对比可以发现，实验数据与仿真结果匹配良好，这证明了仿真模型、网格及计算方法的可行性。3 结果与讨论图6展示了不同海拔高度工况下8个监测点处的温升情况。监测点位置位于电芯顶部，详见图2。从图中可以发现：随着海拔高度的增加，各监测点温升均呈现逐渐升高的趋势；监测点中温升最高处位于1和8，其分别位于最末端和最前端电芯。海拔从04000 m，1和8处温升平均提高了2.35；而其余监测点温升平均提高了1.98。造成最末端和最前端电芯温升最高的根本原因在于电芯表面不同位置处与空气的对流换热强度有差异：位于两端的电芯处为单入口进风，而中间部位电芯为双入口进风。显然，两端电芯对流换热强度低于其他位置电芯，因此在最末端和最前端电芯处出现了最高温升。图7展示了不同海拔高度工况下电池包系统中电芯的平均温升情况。为了描述电芯在不同海拔范围内的温升增加程度，定义电芯的温升增加率：=tt1 100%=t2-t1t1 100%(7)式中，t表示电芯表面温度；下标1和2分别表示海拔高度变化前后工况。由图7可以发现：随着海拔高度的增加，电芯平均温升呈现逐渐上升的趋势，海拔从0 m上升至4000 m，电芯温升共上升了2.08，海拔高度每升高500 m，温升平均上升0.26；海拔高度0 m H 1000 m 时，平均每 500 m 温度提升0.085，此时温升增加率较小，=2.48%；海拔高度1000 m H 4000 m时，平均每500 m温度提升0.318，此时温升增加率较高，=27.17%。图8展示了不同海拔高度工况下电池包系统中电芯最大温差情况。由图可以发现：海拔高度0 m H 1500 m时，电芯间最大温差均为2.2；表 5实验与仿真结果对比Table 5Comparison of experimental and simulation results项目最高温升/最大温差/实验数据7.11.5仿真数据8.32.3差值-1.2-0.8图5电池包实验样品Fig.5Experimental battery pack图6不同海拔工况下各监测点温升示意图Fig.6The schematic of temperature rise of the monitor pointsunder different altitude conditions图7不同海拔工况下电芯平均温升示意图Fig.7The schematic of average temperature rise of the cellsunder different altitude conditions2958第 9 期李岳峰等：海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计1500 m H 2500 m 时，电芯间最大温差均为2.5；2500 m H 4000 m时，电芯间最大温差为2.82.9；在海拔高度04000 m工况中，电芯间的最大温差总是出现在两端电芯(温升最高)和中部电芯(温升最低)间；随着海拔高度的增加，温差整体呈略微上升的趋势。相比于温升，温差对于海拔变化不敏感，从海拔0 m上升至4000 m，最大温差仅提升了约0.6，且在一定海拔范围内，温差几乎保持不变。4 高海拔下系统散热结构优化设计针对上一节出现的电池温升、温差随着海拔高度增加而提升的问题，本节对强制风冷系统的散热结构进行优化改进，旨在提升高海拔工况下风冷系统的热性能。4.1优化方案提高电池散热性能的根本在于增加空气与电芯表面的对流换热强度。由此，针对本工作的强制风冷散热系统提出具体改进如下。（1）增加矩形进风口高度：进风高度增加，电芯表面与空气的接触面积显著增加，因此理论上对流换热强度提升。优化前后进风口尺寸如表6所示。（2）提高风扇转速：风扇转速提升，气流速度加快，有助于高温空气排出系统，对流换热能力增强。由风扇法则可知，风扇转速的提升使得流量Q和静压P增加。由此确定高海拔工况下适合运行的风扇选型。优化前后风扇P-Q曲线对比如图9所示。4.2优化结果图10展示了海拔4000 m时，风冷系统结构优化前后电芯表面温度分布云图。由图可以明显发现：相比优化前，优化后电芯表面的整体温度明显降低。图11展示了海拔4000 m时，各监测点温升及电芯平均温升情况。由图可以发现：经过优化后，各监测点温升明显降低；电芯表面平均温升从8.9 下降至7.5，共下降了1.4。图12展示了海拔4000 m时，优化前后最大温差变化情况。从图中可以看出，经过优化温差略微降低了0.1。图9优化前后风扇P-Q曲线对比Fig.9Comparison of P-Q curves of the fans before and after the optimization图10优化前后高海拔(4000 m)下电芯表面温度对比Fig.10Comparison of temperature on the cell surfaces under high altitude(4000 m)before and after the optimization图8不同海拔工况下电芯最大温差示意图Fig.8The schematic of maximum temperature difference of the cells under different altitude conditions表6优化前后进风口几何尺寸Table 6Geometric parameters of the inlets before and after the optimization项目进风口高度/mm进风口宽度/mm优化前808.5优化后1108.529592023 年第 12 卷储能科学与技术5 结论本工作针对强制风冷电池包散热系统，详细探究了海拔高度变化对其热特性的影响。首先从理论上阐述了海拔高度变化对于系统参数性质的具体影响；接着通过数值模拟定量探究了海拔高度从04000 m变化对于电池温度特性的具体影响；最后提出高海拔工况下散热结构的具体优化方案，并通过仿真验证了优化方案的有效性。本工作主要结论如下。（1）海拔高度变化主要通过影响空气参数(压强、密度、黏度等)及风扇(转速、静压、流量等)性质，从而影响强制风冷电池包系统的热特性。（2）海拔从04000 m，电芯平均温升提高了2.08。海拔高度每升高500 m，温升平均上升0.26；海拔低于1000 m，温升增加率较小，平均每500 m温度提升0.085；海拔高于1000 m，温升增加率较高，平均每500 m温度提升0.318。（3）海拔高度增加，温差略微上升。但相比于电池温升，温差对于海拔变化不敏感：海拔从0 m上升至4000 m，最大温差仅提升了约0.6，且在一定海拔范围内，温差基本保持不变。（4）同时增加进风口面积和风扇转速有效地降低了高海拔工况下电池温升和温差。经过优化电芯表面平均温升下降了 1.4，最大温差降低了0.1。符号说明B 空气常数，KH 海拔高度，mN 风扇转速，r/minP 大气压强，PaQ 流量，m3/sT 环境温度，t 电芯温度，v 速度，m/sw 空气湿度，%RH 空气密度，kg/m3 空气黏度，kg/(ms)温升增加率，%Rda 气体常数，量纲为1下标0 表示环境温度为15 时的工况1 表示海拔高度变化前的工况2 表示海拔高度变化后的工况参 考 文 献1 LI J H,GAO F J,YAN G G,et al.Modeling and SOC estimation of lithium iron phosphate battery considering capacity lossJ.Protection and Control of Modern Power Systems,2018,3(1):5.2 GRANDJEAN T,BARAI A,HOSSEINZADEH E,et al.Large format lithium ion pouch cell full thermal characterisation for improved electric vehicle thermal managementJ.Journal of Power Sources,2017,359:215-225.3 黄延平,曹国华,王淑坤.高海拔地区电子设备散热分析J.郑州大学学报(工学版),2014,35(6):113-117.HUANG Y P,CAO G H,WANG S K.Heat dissipation analysis of electronic equipment in high altitude areaJ.Journal of Zhengzhou University(Engineering Science),2014,35(6):113-117.4 黄延平.海拔高度对计算机散热影响的研究J.电子学报,2014,42(12):2442-2447.图11优化前后高海拔工况(4000 m)下监测点温升及电芯平均温度对比Fig.11Comparison of temperature rise of the monitor points and average temperature of the cells under high altitude condition(4000 m)before and after the optimization图12优化前后高海拔工况(4000 m)下电芯最大温差对比Fig.12Comparison of maximum temperature difference of the cells under high altitude condition(4000 m)before and after the optimization2960第 9 期李岳峰等：海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计HUANG Y P.Research on the effects of altitude in computer heat dissipationJ.ActaElectronica Sinica,2014,42(12):2442-2447.5 黄延平.电器空气冷却系统受海拔影响的理论分析J.机械工程学报,2015,51(12):153-160.HUANG Y P.Theoretical analysis of the impact of altitude on electrical equipment of air cooling systemJ.Journal of Mechanical Engineering,2015,51(12):153-160.6 孙晓霞,邵春鸣,王国柱,等.高原车辆冷却系统参数化仿真研究J.车辆与动力技术,2015(1):17-23.SUN X X,SHAO C M,WANG G Z,et al.Research on cooling system parametric simulation of vehicle in plateauJ.Vehicle&Power Technology,2015(1):17-23.7 吉华,罗红英,段宗幸,等.高海拔环境下扇叶安装角对冷却风扇性能的影响J.机械,2022,49(10):62-66.JI H,LUO H Y,DUAN Z X,et al.Influence of fan blade installation angle on cooling fan performance in high altitude environmentJ.Machinery,2022,49(10):62-66.8 王飞,张浏骏,许佩佩,等.海拔高度对变频器散热影响的研究J.电子机械工程,2016,32(1):9-15.WANG F,ZHANG L J,XU P P,et al.Study on effects of altitude on inverter heat dissipationJ.Electro-Mechanical Engineering,2016,32(1):9-15.9 郭欣娟.高海拔寒冷地区采暖散热器散热性能研究D.重庆:重庆大学,2014.GUO X J.Study on heat dissipation performance of heating radiator in highaltitudeandcoldareaD.Chongqing:Chongqing University,2014.10 刘磊,王芳,任山,等.海拔高度对动力电池性能的影响研究J.电源技术,2018,42(11):1637-1639,1693.LIU L,WANG F,REN S,et al.Influence of altitude on performance of power battery for electric vehicleJ.Chinese Journal of Power Sources,2018,42(11):1637-1639,1693.11 YOUNES S.Heat Transfer:Thermal Management of ElectronicsM.CRC Press,2009.2961