储能热管理仿真和设计|电池柜热管理仿真优化案例分析

储能热管理形式多样，风冷系统散热效率低、温差控制较差且占地面积大，适用范围相对有限。随着储能项目单体规模与能量密度的不断提升，风冷系统在散热效率上的短板将逐渐显现。液冷系统散热能力强且全生命周期成本较低，有望成为未来发展趋势。由于冷却液的换热 系数与比热容更高且不受海拔和气压等因素影响， 液冷系统拥有比风冷系统更强的散热能力， 更加适应储能项目大规模、高能量密度的发展趋势。综上，液冷有望逐步替代风冷成为主流的储能温控形式。

l电池柜基础信息

本文研究电池机柜由8个电池PACK串联组成，电池簇采用液冷方式冷却，成组方式为1P416S，电池包采用1P52s串并联，主要包括：上下箱体，液冷板，导热垫、隔热护板、绝缘板、模组等结构，由4个模组成，每个模组由13个320Ah方形电芯组成，电芯发热量充电16.29W，放电14.08W。液冷板采用冲压加钎焊的加工工艺，流道定义的自由度较高。液冷热管理系统由液冷板、液冷机组、液冷管路、高低压线束和冷却液组成。

l冷却策略

液冷机组具备制冷、制热以及除湿功能，液冷机组热管理系统的策略和工作模式紧密相关。文中，Tmax指电池监测点NTC最高温度；Tmin指电池监测点NTC最低温度。

当 Tmax≥32 ℃时，液冷机组进入制冷模式，压缩机开启，高温高压的制冷剂从压缩机中排出，进入冷凝器冷凝，放热降温后，通过膨胀阀进行节流降压，然后进入蒸发器，并与冷却液进行换热，制冷剂在蒸发器中吸热蒸发后流回压缩机吸气口，完成一个制冷循环。此时，水路中的水泵开启，PTC加热器不开启，冷却液在板式蒸发器中冷却后进入电池包液冷板，对电池进行冷却，将热量带出，从而达到冷却电池的目的.当 Tmax≤27 ℃时，停止制冷模式。

l仿真前处理

通过分析数模的结构组成及各部件的作用以评估各部分对热系统的影响，进而决定对部件的保留、简化、还是舍弃。模型简化的原则，在尽可能仿真精度的情况下，通过简化减少网格的数量同时提高网格质量，提高计算效率。

流场模型前处理：在处理几何模型时，应保留所有管道的内径和液冷板内流道尺寸不变，对管路弯曲、管道变径、局部弯头等细节特征保留，水管要做到不扭曲，弯角过度平滑，同时保证简化后接头装配良好，对管路、接头、冷板的外部可进行适度的简化以减少网格量。       

模组箱体前处理：模型中的线束、挂耳、螺丝螺套、铜排、bms管理部件等对热管理系统影响较小，可舍弃；对于热管理系统影响较大的零件几何特征可以适当简化，如倒角结构、结构对齐等。简化完成后，检查整个模型是否有干涉和其他问题，如有问题，可用ANSYS-SCDM软件对其进行修复，如无问题，可利用SCDM对模型进行流体域的抽取。

l电池包仿真分析

单个电池包压力5.18KPA,由于空间限制，直角转接导致系统主要压损在进出口地方。流道中间截面的流速1m/s不到，对于冷却系统来说，流速可以进一步提高，提高换热能力。

工况：常温充放电循环，0.5C充电+0.5C放电+静置20min+0.5C充电+0.5C放电，液冷策略32开，27关，进口目标温度20℃，流量5L/MIN，

整个充放电过程中，系统最高温34.4℃，最大温差3.5℃。NTC在2715s最高温达到32℃，空调系统开始工作，开启水泵和制冷，进口目标温度20℃，流量5L/MIN,充放电过程中，冷却系统出口温度大概在22.5℃，进口温度维持在20℃。

冷却系统采用两并然后串联的设计，由于流道串联特性决定，进口到出口温度渐渐升高，A模型的温度明显低于B模组，特别在B模组出口附件，温度最高。导电排的温度和模组上表面的温度趋势接近。

优化思路：单个电池包最大温差3.5℃，一般我们设计要求在3℃内，如何优化温差尼？增加高温区域散热量，降低低温区域散热量。增加散热能力措施：增加流速，增加面积，降低温度，降低低温区域散热量方法则和上诉相反。

增加流速：优化流道增加高温区域流量

增加面积：在高温区域增加流道面积

降低温度：温度和前面两个措施相关，通过改变流速和面积，使得在低温区域换热减少，在高温区域

l管路均匀性分析

   进口流量50L/min，冷却液采用50%冷却液，系统压降19.5Kpa，分别监测8个不同电池包的流量，额定流量为89.5g/s，最大99.3g/s，偏差+11.17%，最小为82.3g/s，偏差-7.81%，整个系统流量最大偏差19%，一般设计要求最大偏差控制在10%以内，流量均匀性优化空间较大。

l电池簇仿真分析

液冷集装箱储能系统在环境温度为 25 ℃的情况下进行充电0.5C放电+静置30min+0.5C+静置30min循序2次仿真，冷却系统进口目标温度20℃，流量40L/MIN，在整个充电过程中，监测各电池包的温度变化情况，电池监测点最高温34.5℃，其最大温升小于 10 ℃，最大温差4.9℃。

通过仿真验证表明，储能系统温度一致性较好，但仍有优化空间，温升符合要求，液冷集装箱系统减少了内部风道的设计，采用外维护系统，不用设置内部走廊空间，采用大电池包设计，最大限度地提高了能量密度。