磷酸铁锂电池组在电网调峰工况下的液冷技术研究

  浩博电池网讯：

  本文亮点：1、对实际调峰工况下的电池进行液冷研究；2、采用调节冷却液流向和增大流量的方式优化液冷，提高冷却的均温性并设置最优流量区间；3、采用最大温度与平均温度的差值来评判均温性是否提高

  摘 要 调峰是电池储能电站重要运行的工况，电池冷却对储能电站电池安全运行至关重要，本文对磷酸铁锂电池组在调峰工况下的液冷技术进行研究。首先对磷酸铁锂电池组在实际调峰工况下的产热以及电池的液冷冷却进行研究，建立磷酸铁锂电池组在调峰工况下的产热模型以及液冷冷却模型，其次对磷酸铁锂电池组在调峰工况下的液冷模型进行优化，通过有限元仿真分析，最后，采用调节冷却液流向以及合理调节流量等方式对液冷冷却进行优化。仿真与实验结果表明：合理设置不同冷却管冷却液流向可有效提高液冷散热的均温性，通过仿真温度云图的对比并创新地采用图片 (最大温度与平均温度的差值)来体现不同方案均温性的优劣；增大流量虽然有助于降温，但液冷倍率达到2.0以上时，冷却效果增加有限，但能耗大大增加，通过仿真结果提出最佳的流量范围为1.5~2.0。本文所提方案均已通过实验验证，并在储能电站电池冷却进行实际应用。

  关键词 锂离子电池；调峰；液冷；有限元仿真

  随着国家“双碳”战略和以新能源为主体的新型电力系统建设不断推进，以风电、光伏为代表的新能源接入给电网带来了巨大的压力，电化学储能是缓解电力-电量平衡矛盾的重要措施。锂离子电池具有比能量/密度高、循环寿命长等优点，成为电网储能电站的首选。当前，锂离子电池产业处于飞速发展阶段，据国家工信部报告，2022年全国锂离子电池产量超过750 GWh，同比增长130%。然而，作为一种极其复杂的电化学系统，锂离子电池仍然面临着显著的安全问题[6]，特别是近年来因锂离子电池故障而引发的起火事件频频发生。缺乏良好的冷却设施是导致电池起火事故的主要原因之一，因此，本文对电网调峰模式下电站储能电池液冷冷却进行研究，并对目前储能电站冷却方式进行优化。

  目前，储能电站液冷散热通过较强的热交换对电池进行快速降温，是国内外学者关注的焦点。Bernardi等学者基于能量守恒的基本原理，对电池进行热力学计算，得到了目前广泛应用的电池模型。

  在电池液冷方面，孙广强等学者设计了一种冷却固定一体化冷板，采用数值模拟方法探究了冷却液入口流量、环境温度和冷却固定孔深度等参数对一体化冷板冷却性能的影响，并与蜂窝状冷板进行了性能比较。元佳宇等学者设计了具有单向流通结构和双向对流结构的蛇形管路电池组热管理系统。Mousavi Sepehrd等学者提出了一种结合相变材料(PCM)和液体冷却的新型混合冷却系统，以实现方形电池包的高性能和安全性。但是，当前文献对实际电池参与调峰的产热情况研究较少，特别是对设置不同冷却管冷却液流向模式、最优流量调节策略等均缺少研究。

  在电池参与调峰方面，谭增强等学者分析了煤电机组调峰调频技术的现状，对调峰下电池产热进行了分析。Xue等学者开发分析了一种基于热泵-有机朗肯循环(HP-ORC)的新型调峰的储能系统，并通过温度对电池产热进行了分析。林海等学者对储能调峰电力系统优化做了研究，研究了调峰的储能电池的产热模型。文献[12-14]都是考虑了储能电池参与调峰调频实际工况时的产热，提出了调峰模式下电池的产热模型，但由于受文章篇幅限制，缺乏对于如何进行冷却来控制温度的考虑。

  因此，本文对实际调峰工况下电池的产热方式进行研究，对产热的模型进行液冷冷却仿真分析，通过建立电池组冷却结构模型，对其进行分析并提出优化方案，提出冷却液交叉式流入策略以及流量调节策略。本文研究对调峰工况下提高电池组的使用性能和寿命具有重要的现实意义。

  1 电池热特性及液冷热传导分析

  热特性研究是冷却技术研究的基础，本节首先对调峰工况下的储能电池产热特性进行分析。

  电池应用于电网高峰运行时，进行多次充放电，电池内部会发生氧化还原反应产生热量。磷酸铁电池的放热主要包括反应热、焦耳热、极化热以及副反应热，产热的表达式为：

  2 储能电池产热和散热仿真分析

  以磷酸铁锂电池为研究对象，其正极材料为磷酸铁锂，负极材料为石墨。磷酸铁锂电池储能技术在新能源高效消纳、电力系统灵活调节方面具有独特优势，与三元锂电池相比，磷酸铁锂较好的安全性使其在储能领域更具有应用前景。

  采用Comsol进行冷却研究，Comsol是一款大型的高级数值仿真软件。广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，模拟科学和工程领域的各种物理过程。Comsol是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程(单场)或偏微分方程组(多场)来实现真实物理现象的仿真，本文根据储能电池的实际调峰工况搭建模型，并进行仿真计算分析，分别在调峰工况下对底部液冷和侧边液冷进行分析并得出相关结论。

  2.1　仿真边界条件

  用Comsol软件对电池冷却进行仿真分析时对储能电池冷却系统作出以下几点假设：①固液之间无相对滑动；②忽略流体惯性力以及边界压力差为0；③忽略冷却系统的结构变形；④在考虑电池产热时只考虑占比最大的焦耳热，忽略其他三种热。

  在瞬态求解计算时采用湍流模型进行计算，周边的冷却管内为流体区域，电池设为固体区域，流体固体的接触面为流固耦合的传热边界，环境温度为25 ℃。

  如表1所示为本文仿真分析所用电池的实际参数，以电池工作电压为2.7~3.8 V，单体电量220 Ah，充电最大电流为110 A，电池簇为8块电池串联，电池与电池之间有6 mm的间距。仿真电池的数据与实际电池数据相一致。

表1 仿真与实测用电池簇参数

  2.2　仿真中实际调峰工况

  25 ℃时电池调峰工况110 A恒充恒放曲线如图1所示。将实际工况的电流作为仿真输入，后续对仿真中的电池进行温度的分析。

图1 现场工况下的电流曲线

  2.3　仿真研究

  2.3.1　调峰工况仿真产热研究

  电池仿真产热几何模型如图2所示。

图2 电池产热几何模型图

  仿真前要先进行网格剖分，采用自由四面体网格对电池极柱进行网格剖分，采用自由三角形网格对电池表面进行剖分，仿真软件自动构建网格网络，网格剖分结果如图2所示。

  将实际调峰工况下的电流数据输入到仿真模型当中，电池在调峰工况下110 A恒充恒放时电池产热的结果如图3所示。热仿真步骤如下：①将实际调峰工况波形作为模型输入，以公式(7)传热方程来实现电池传热，电导率理论选择电流接口；②塞贝克系数理论研究选择电流、固体传热以及电化学热进行多物理量耦合；③网格剖分后进行仿真计算。

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