本文亮點(diǎn)：1.目前對于液冷儲(chǔ)能電池包在極限環(huán)境下的熱適應(yīng)性研究較少，而這方面恰恰是儲(chǔ)能電站面臨的重要困難之一，本文所研究的極限環(huán)境熱適應(yīng)性應(yīng)具有較高價(jià)值；2.目前對于已經(jīng)投產(chǎn)實(shí)用的液冷鋰離子電池包所做的全周期熱測試研究較少，本文較完整地提供了該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以供相關(guān)行業(yè)內(nèi)研究人員參考。
（本文來源：微信公眾號 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù) ID：esst2012）
摘 要 對液冷儲(chǔ)能電池包進(jìn)行室溫環(huán)境下熱仿真分析，與相同工況下電池包熱測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，并結(jié)合實(shí)際工藝水平對熱仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以對標(biāo)測試結(jié)果，保證測點(diǎn)的仿真值與實(shí)驗(yàn)值誤差在1 ℃之內(nèi)。利用相同熱仿真參數(shù)對高溫及低溫的極限環(huán)境工況對電池包進(jìn)行熱仿真計(jì)算，其中高溫工況電芯發(fā)熱狀態(tài)為放電末態(tài)，低溫工況為電芯靜置狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明高溫工況下電芯平均溫度為39.2 ℃，最高溫度為41.2 ℃，低溫工況下電芯平均溫度為7.8 ℃，最低溫度為3.7 ℃，表明該型液冷電池包產(chǎn)品在極限環(huán)境下均可以讓電芯處在正常工作溫度區(qū)間。運(yùn)用本文所述熱仿真方法可以較為全面地分析電池包在極限環(huán)境下電池包的熱狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)成本較高或條件無法滿足的情況下評估儲(chǔ)能系統(tǒng)熱性能。
隨著國家對能源問題及環(huán)境問題的愈發(fā)重視，可再生能源和清潔能源得到了更好的發(fā)展，在國家能源結(jié)構(gòu)占比中越來越大。在此背景下，新型儲(chǔ)能電站得到大力推廣，其中以鋰離子電池儲(chǔ)能占主要地位，目前占比達(dá)90%以上。相較于其他形式儲(chǔ)能，鋰電池儲(chǔ)能具有成本低、效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝存儲(chǔ)方便等優(yōu)勢，但其安全性和使用壽命一直是業(yè)內(nèi)研究的重難點(diǎn)。由于鋰電池結(jié)構(gòu)和材料的特殊性，其對運(yùn)行溫度有著較高的要求，溫度較高時(shí)會(huì)加快電芯內(nèi)部副反應(yīng)的產(chǎn)生，以至于誘發(fā)熱失控、熱蔓延等事故，低溫時(shí)電芯內(nèi)阻增加，鋰離子更易析出，會(huì)降低電池包使用壽命。
當(dāng)前在儲(chǔ)能領(lǐng)域，對于電池的熱管理系統(tǒng)，更多的是關(guān)注在室溫狀態(tài)下包內(nèi)電芯所處溫度狀態(tài)，劉周斌等利用數(shù)值模擬評估了室溫下儲(chǔ)能電池包不同冷卻方式和結(jié)構(gòu)對散熱性能的影響，并對冷卻流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了電池包溫升和溫差。但實(shí)際上儲(chǔ)能電站在不同氣候區(qū)域都有應(yīng)用，例如新疆等地夏季氣溫可達(dá)50 ℃以上，而北方地區(qū)冬季最低溫度一般都在-20 ℃以下，這就要求儲(chǔ)能電站熱管理系統(tǒng)在寬溫場景下仍可保證其容量穩(wěn)定性和安全性，在這樣的環(huán)境工況下，電池包內(nèi)電芯是否仍可處在正常工作溫度下值得深入研究。李岳峰等研究了不同海拔高度下風(fēng)冷電池包的熱特性，結(jié)果表明，海拔高度的提升會(huì)導(dǎo)致電芯溫升和溫差不同程度地增加；劉磊等通過搭建低氣壓測試平臺，研究了風(fēng)冷電池包在不同海拔高度下的熱特性，結(jié)果表明電池包的散熱性能和熱穩(wěn)定性隨著海拔高度升高而降低。而對于目前廣泛應(yīng)用的液冷電池包在極端工況下的熱適應(yīng)性還少有研究。
針對上述情況，本文選取本公司某液冷電池包為研究對象，測試其在室溫環(huán)境下的溫升情況，然后在相同工況下對該型電池包做數(shù)值模擬熱仿真分析，調(diào)整其中的不可控參數(shù)以對標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用相同的熱仿真參數(shù)及設(shè)置對電池包進(jìn)行高溫及低溫工況下的熱仿真分析，最后依據(jù)分析結(jié)果評估電池包在寬溫場景下的適應(yīng)性，并對熱管理系統(tǒng)提出了若干優(yōu)化建議。
1 研究對象及工況
本文研究對象為公司自研儲(chǔ)能電站3.72 MWh液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)中單個(gè)電池包主體，含4×12=48個(gè)單體電芯，單個(gè)電芯容量280 Ah，冷卻方式為底部液冷，冷卻液進(jìn)出口分布在同側(cè)，液冷板上表面涂覆絕緣漆，然后與電芯之間以導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠黏接。電芯按正負(fù)極交錯(cuò)排列，每個(gè)匯流排分別與電芯的正、負(fù)極焊接。根據(jù)熱管理系統(tǒng)設(shè)定，液冷板入口流量為5 L/min，入口溫度20 ℃，介質(zhì)為50%乙二醇水溶液。
對于計(jì)算模型，與數(shù)值模擬熱仿真相關(guān)性較小的部件以及線束等進(jìn)行了省略，對端板、PC板等結(jié)構(gòu)件的圓角、窄縫作簡化處理。發(fā)熱該電池包充放電速率為0.5C，整個(gè)充放電過程中單個(gè)電芯發(fā)熱功率會(huì)隨著容量變化，由于實(shí)驗(yàn)測得的溫度最高點(diǎn)通常在放電過程的最后半小時(shí)，本研究以放電過程最后半小時(shí)的平均發(fā)熱功率為準(zhǔn)，此狀態(tài)下單個(gè)電芯發(fā)熱功率約12 W，匯流排電流為140 A，表1列出了本研究的主要工況參數(shù)。