[干货]一文了解5MWH储能集装箱液冷板设计方法和案例分析
液冷式预制舱储能系统冷却液回路如图1所示。冷却液通过液冷机组水泵加压进入液冷管路，流至电池包内液冷板，与电池热交换，再通过液冷管路回流至液冷机组。液冷机组将热量排出预制舱。
液冷式预制舱储能系统冷却液回路
液冷板设计
液冷板设计与电池包结构有关。对于当前常用的含3至4排电芯的电池包，本文提出一种通用的液冷板结构，给出其相关参数的计算方法。
2.1 流道形状设计
从工程实用角度出发，液冷板结构设计需考虑的因素包括：(1)为节约空间，便于冷却液回路安装与检修，液冷板进液与出液口宜安装在电池包同一面；(2)从制造复杂度考虑，液冷板宜布置在电池包底面；(3)为减小流阻，流道宜采用弧形并减少拐弯。
考虑上述因素，本文提出一种U形流道结构，如图2所示，包含1个进液口和出液口，2条边流道与2条中间流道。为保证电芯换热量相同，对于3排电芯，中间流道宽度为边流道一半，两条中间流道与一排电芯换热；对于4排电芯，中间流道宽度与边流道相同，每条流道与一排电芯换热。
图2 液冷板结构示意图
2.2 流道宽度设计
流道宽度设计从电池换热的需求入手。电池的换热需求包括散热与制热需求。散热需求为设计的最大充放电倍率下电池的发热功率，可由电池测试得到。制热需求在电池运行于低温环境下才会存在，电池在低温静置后可能需要经过加热才能达到可工作状态，所需的加热功率即为制热需求。制热需求也可由电池测试得到。
取散热与制热需求的较大值作为电池换热需求。冷却液与液冷板发生对流换热，热对流换热公式为：
2.3 流道高度设计
在冷却液流量确定的情况下，液冷板高度不是唯一确定值。液冷板高度的选择需考虑如下因素：(1)电池包空间的限制；(2)宽度在大于2.2节设计值的基础上，可以结合高度一起调整。流量一定时，宽度与高度影响截面大小，从而影响冷却液流速，流速越大，冷却液回路总流阻(进出口压力差)越大。这将决定液冷机组水泵选型。
通常液冷板高度取10 mm内可满足要求。实际应用中，可初步确定流道高度，在系统其余参数也确定后，通过冷却液回路仿真，检验系统流阻和流量，流阻和流量满足即确定冷板高度。
以某海岛微电网1 MW/2 MWh预制舱储能系统为例。该储能系统结构如图5所示，电池舱主要参数如下：电池额定容量为280 Ah，额定电压3.2 V，最大充放电倍率0.5 C，电池长、宽、高分别为174、68、207 mm；单电池包含3排共33个电池，电池包长、宽、高分别为1 060、640、230 mm；单电池簇含7个电池包。该系统共有10个电池簇，在热管理上划分为2个子系统，每个子系统含5个电池簇，液冷回路独立设置。
4.2.1 液冷板
在评估电池换热的需求时，本工程所用电芯在设计的最大充放电倍率0.5 C下的发热功率为12 W。由于工程运行的环境温度不低于0 ℃，根据所用电芯特性，在不低于0 ℃条件下可进行0.5 C充放电，对制热量要求很低，因此换热需求Pcell为12 W。
利用式(1)和式(2)求取流道宽度。传热系数h为670 W/(m2·K)；制冷时冷却液控制的目标温度为18 ℃，电池的目标温度为25 ℃，因此ΔTdiff =7 ℃；电芯厚度W为68 mm。计算得到流道宽度最小值D为38 mm。
在考虑流道高度时，电池包高度对流道高度有一定的限制作用。注意到电芯长度为174 mm，比流道宽度D的初设值大很多，说明流道宽度的可调整裕度大。因此高度的设计值确定为3 mm，后续将通过调整宽度D来改变截面大小，从而调整系统总流阻。
