特种储能方舱电池系统低温快速预热研究-【蓝狮平台】

特种储能方舱电池系统低温快速预热研究

作者：谭伟马克徐伟晶米林陈楷翼

单位：重庆理工大学车辆工程学院

引用：谭伟,马克, 徐伟晶, 等. 特种储能方舱电池系统低温快速预热研究[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(11): 3369-3378.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0471

摘要 针对高原高寒环境无外界供能条件下，特种储能方舱电池系统冷启动困难，启动时间长，供电性能衰减严重导致的应急支援保障能力下降问题，进行特种储能方舱低温快速预热自启动方法研究。通过分析储能方舱电池系统容量需求、温度边界条件与低温启动时间需求，计算储能电池组和低温启动电池组的容量配比；建立电池组三维产热模型，采用数值模拟方法，确定热管最佳布置方式。通过正交试验法探究预热结构中各因素对电池系统升温性能的影响，并进行参数选优。设计了采用闭环液体预热耦合加热管的预热系统并建立仿真分析模型，对热管对流换热下的电池系统升温性能进行了仿真，结果表明：在-20 ℃的环境温度下，储能方舱电池系统可在10 min内快速预热至5 ℃以上的正常工作温度，满足应急支援保障需求。

关键词 储能方舱；锂离子电池；低温预热；闭环热耦合

特种储能方舱作为一种灵活性高的锂离子电池储能装置，可为野外军事训练、应急支援、科考勘探、通信维修等场合提供稳定的供电保障。但在高原高寒环境下，无外界保温加热能源供应，储能电池系统受低温环境影响，冷启动时间长，供电性能衰减，导致应急支援保障能力严重下降。因此，设计特种储能方舱高效快速的冷启动方案与预热系统具有重要意义。

低温环境下，锂离子电池的峰值功率和可用电量大幅度下降。Herreyre等为解决电解质溶液导电性较差的问题，引入乙酸乙酯和丁酸甲酯保证锂离子电池的低温性能，研究表明锂离子电池在低温环境下性能衰减的主要原因是电极扩散减弱，并排除电极表面性能变差的可能性。阮海军采用敏感性分析方法确定电化学模型的高敏感参数，通过对不同模型参数的电池充放电情况进行量化分析，最终确定造成锂离子电池低温可用容量衰减的主要因素为较低的固相扩散系数。上述研究表明，要使低温环境下锂离子电池系统供电性能得到提升，必须进行电池系统的预热，使电池系统工作在合适的温度区间。

目前，关于储能方舱的预热系统研究较少，一般借鉴车辆动力电池的预热技术，主要为外部预热方案。外部加热方法根据预热介质的不同分为空气预热、液体预热、固体预热。空气预热的优点在于结构简单容易实现，但会造成单体电池之间的温度不均匀性，同时在低温环境下，空气预热会和外界有较大的对流换热，能效较低。液体预热则是利用水、丙二醇、氟化液等流动介质直接或者间接为电池加热，预热效果快速高效。王发成等针对动力电池组设计了一种空气自加热装置，对比研究该装置在吹气模式、吸气模式和吹吸气混合模式的加热性能，结果表明吸气加热模式能实现大温差换热，换热效率最高，加热效果最佳。栗晓杰研究了电池系统在低温下采用液热和加热膜的加热性能，结果表明不同加热方式下电池系统的充电容量和能量接近，但采用液热耦合加热膜加热方式的温升速率约等于液热和加热膜加热两种方式分别加热的温升速率之和。Lei等对35 Ah大功率锂离子电池进行低温充放电特性实验，提出宽线金属膜加热电池的方法。研究表明，使用宽线金属膜加热可以显著改善电池组性能，加热后的电池组可实现大电流充放电，功率接近80%。尽管上述预热方法对电池系统的性能提升明显，但预热过程较长，一般需要20 min时间，存在着较长的能源供应空窗期，无法满足特种应用场景下的快速供能需求。同时，特种储能方舱一般作为独立的供电设施，还存在无外部预热能源供应问题。

针对上述问题，本文提出一种低温电池与储能电池组合配比方案，并设计快速高效的预热系统，可有效缩短特种储能方舱预热启动时间，降低预热能耗，拓展特种储能方舱的使用场景范围，提升应急支援电源体系和军民机动供电保障能力。

1 特种储能方舱低温自预热策略设计

1.1　锂离子电池选型与性能分析

在储能锂离子电池类型中，三元锂电池的储能能量密度高，但低温性能差，钛酸锂电池低温性能优越，但能量密度低。为使特种储能方舱同时满足高能量密度和高低温性能需求，方舱电池系统采用三元锂电池储能电池组和钛酸锂低温加热辅助电池组的组合形式。

1.1.1　三元锂电池

某型号三元锂电池的放电实验特性曲线如图1所示。

图1 不同倍率下三元锂电池环境温度影响容量衰减曲线

实验结果表明，在25 ℃的环境温度下，不同倍率下放电容量变化不大，三元锂电池在0.2 C、0.3 C、0.5 C、0.7 C、1 C放电倍率下的保持率分别为100.1%、99.8%、98%、97.6%、97%。在-20 ℃低温环境下，三元锂电池进行1 C倍率放电时，由于端电压在放电的瞬间掉到保护电压，因此无法放出电量。在同样的放电倍率，不同的环境温度下，容量保持率分别为79%、74%、60%、43%、0%。三元锂电池的能量密度较高，但是低温性能较差。

1.1.2　钛酸锂电池

某型号钛酸锂电池的放电实验特性曲线如图2所示。

图2 不同倍率下钛酸锂电池环境温度影响容量衰减曲线

实验结果表明，钛酸锂电池在25 ℃环境温度下，不同的放电倍率对放电容量的影响较小。同时钛酸锂电池由于其正负极材料对低温的耐受性，在-20 ℃的环境温度下，其放电容量依然维持在90%以上。钛酸锂电池的低温性能较好，但是能量密度较低。

1.2　电池系统自预热与供能策略设计

为了满足持续性供电和电池性能可靠性，结合实际应急支援保障条件下的供能需求，将储能电池组的预热时间设定为10 min。在前10 min内，由于储能电池组无法低温放电，处于供能空窗期，此时由低温性能好的钛酸锂电池组供能，同时钛酸锂电池组在10 min内将储能电池组预热至正常工作温度；10 min后，储能电池组预热达到目标温度，控制将储能电池组能量导至输出端进行供电，持续对外供能，钛酸锂电池组将辅助适应负载侧的功能变化，如图3所示。

图3 供能策略和预热策略

1.3　储能电池组预热目标温度分析

根据储能方舱的使用工况，设计了环境温度在25 ℃、5 ℃、0 ℃和-20 ℃时的循环充放电对比试验。实验结果如图4所示。

图4 三元锂电池循环测试容量保持曲线

分析图4可知，在25 ℃的30次测试中，18650B三元锂电池的放电容量稍微有所波动，但一直维持在标定容量的附近，没有任何衰减的迹象。在5 ℃的30次测试中，其放电容量有轻微下降，第30次的放电容量为3098 mAh，对比第1次的放电容量降低了37 mAh，容量衰减1.2%。在-20 ℃的30次测试中，电池的放电容量有明显下降，第30次的放电容量为1640 mAh，对比第1次的放电容量降低了402 Ah，容量衰减19.7%。-20 ℃时，电池容量从2042 mAh衰减至1640 mAh仅仅使用了30次，而本批次电池的使用寿命为600～1000次，显而易见，低温下充放电对电池的循环使用寿命影响巨大。当温度为0 ℃时，18650B三元锂电池容量曲线在前20次测试过程中，容量呈现出整体缓慢下降的趋势。但后续放电容量呈现振荡变化，主要原因是该恒温箱的实际误差在1 ℃左右，当测试温度设置为0 ℃时，其内腔实际温度在-1 ℃到1 ℃来回变化，而该批次的电池对于0 ℃左右的温度变化较为敏感，因此出现上述情况。

通过在不同温度下的实验结果对比，将三元锂电池储能组的预热目标温度设定为5 ℃，即可保证储能方舱对外供能需求。

2 储能方舱电池系统容量配置与拓扑设计

2.1　储能电池组容量配置与拓扑设计

研究容量配置时，应该先确定储能方舱的各项性能要求。本工作研究的储能方舱的性能需求如表1所示。

表1 储能方舱性能参数

因负载侧持续输出要求为200 kWh，查电芯参数表，得知该型三元锂电池属于具有代表性的典型电芯，其最大持续放电倍率为1 C，理论电池系统总容量最小配置值为

式中，P为负载侧持续输出功率，为200 kW；t为输出持续时间；C为放电倍率；图片为逆变效率，取0.95。

三元锂电池在5 ℃左右，日常使用容量保持约为常温25 ℃的90%～95%，因使用场景要求严苛，故取最低限值90%，同时对三元锂电池储能系统进行冗余设计，修正容量Q1为

5 ℃左右时，需要260 kWh的纯逆变输入容量，方可满足200 kW×1 h的逆变输出需求。同时为满足户外、救灾、抢修供电等应急场景之需求，储能方舱的可拆卸使用单元电压需满足家用电器的电压要求，即大于或等于220 V。电池系统的储存电量公式为

式中，u0为18650B三元锂电池的电压值，取3.7 V；A0为18650B三元锂电池的容量，取3.4 Ah，n为串联电池的节数；m为并联电池的节数。最终确定的储能方舱电池系统如表2所示。

表2 每层级电压、容量、电量表

2.2　辅助电池组容量配置与拓扑设计

钛酸锂电池的整体对外输出的功能需求主要有2个部分。第一部分为在前10 min，储能电池组因低温无法放电，留有供能空窗期，钛酸锂电池需要对储能方舱负载侧持续输出功率；第二部分是前10 min内，钛酸锂电池对三元锂电池储能系统的预热能量的提供。

理论钛酸锂电池系统的总容量最小配置值为

式中，P为负载侧持输出功率，为200 kW；t为输出持续时间，为10 min；C为放电倍率；图片为逆变效率，取0.95。钛酸锂电池在-20 ℃左右，日常使用容量保持约为常温25 ℃的96.4%～98.6%，因使用场景要求严苛，故取低限值96.4%，同时对三元锂电池储能系统进行冗余设计，修正容量Q1为

-20 ℃左右时，需要6 kWh的纯逆变输入容量，方可在满足10 min内200 kW的逆变输出需求。根据钛酸锂生产厂家的说明与实验论证，钛酸锂电池可以维持10 min以上的120 W最大对外持续放电。实验测试结果如图5所示。

图5 钛酸锂电池循最大持续放电功率

从功率需求方面，钛酸锂电池的数量为

根据预热能量需求：

式中，Qw为预热总能量，Cb为18650B锂电池的比热容，mb为18650B锂电池的总质量，Tb为预热终止温度，E为对流换热的损失能量，C1为其余材料的比热容，m1为其余材料的总质量，T1为其余材料的预热终止温度。最终求解获得整体对电池标准包的预热功率为2400 W。

综上，一共需要2335块钛酸锂电池才能满足储能方舱前10 min的负载侧和预热侧的供能需求。

最终整体的储能方舱的三维结构如图6所示，右侧灰色的区域为储能电池组，左侧的黄色区域为辅助电池组。

图6 储能方舱三维结构图

3 预热系统方案设计仿真与影响因素分析

3.1　电池标准包预热方案设计与仿真

由于电池模组与液热板之间的换热情况和标准包外壳表面的对流为主要换热行为，其余组件与电池或者冷板之间的换热行为可忽略。因此，本工作设计横向双蛇形流道液冷管道布局方案，如图7和图8所示。

图7 横向双蛇形布局的电池标准包内部图

图8 横向双蛇形布局的流道

利用Fluent对该流道布置的液热板预热效果进行仿真。在仿真过程中需要对仿真的边界条件进行设置：箱体的表面设置为对流散热，对流散热系数为5 W/(m2·K)，对流温度为-20 ℃；冷板入口为速度型入口，速度分别设置为0.2 m/s、0.5 m/s、1 m/s，冷板出口为压力型出口；环境温度为-20 ℃。仿真结果如图9～图11所示。

图9 流速为0.2 m/s横向蛇形双流道的仿真结果

图10 流速为0.5 m/s横向蛇形双流道的仿真结果

图11 流速为1 m/s横向蛇形双流道的仿真结果

上述仿真结果表明：采用横向双蛇形布置预热的电池标准包，最高温度都出现在靠近进口端的单体电池的底部，而最低温度出现在靠近出口端的单体电池的顶部。整体电池的温均性随着流速的提高而变换。

3.2　正交实验分析

由于影响电池预热温度和温均性的因素很多，因此本工作基于横向蛇形双流道的液热板布置方案，利用正交优化实验分析各因素对预热效果和能耗的影响。在工程实践中，液体的温度是一个持续变化的过程，很难进行定性分析。研究相关论文可知，液体的温度对电芯的最高温度和最低温度影响较大，对压降和温差影响较小。因此，在分析预热效果对于三因素(液体温度、液体流速和管道宽度)的敏感度时，需要选取某一因素进行变量控制，在设计相关正交试验时只以电芯温差和压降作为评价指标。选择L16(2413)的正交表，设计正交表头如表3所示。

表3 正交因素水平表

根据表3所示的正交因素水平表，由于其并非是标准正交表，需要结合组合法和拟水平法对其进行改造。总计建立17次试验所对应的仿真计算模型，选择电池间最低温度和流体压降为评价指标。利用Fluent软件进行仿真分析，其仿真实验结果如表4所示。

表4 正交试验结果

通过对以上结果进行方差分析，得到如下结论：以压力为对象，流速为高度显著因素、管径为显著因素，温度为不显著因素；以最低温度为目标，液体温度为显著因素，其余为不显著因素；而对于最大温差，这3个因素在范围内均是不显著因素。虽然液体温度是最低温度的显著因素，但分析17组正交试验结果可知，增加入口液体温度并不能彻底解决电芯最低温度偏低的问题。

基于综合平衡考虑，选择0.5 m/s和30 mm管径的方案。

4 电池标准包闭环液热耦合加热膜的预热系统仿真与优化

在实际工程低温环境的应用场景中，液体温度应该是与环境温度一致。预热过程实际是预热元器件对液体进行加热，水泵开始转动，预热液体通过液热板给电池预热。同时，增加入口液体温度并不能彻底解决电芯最低温度偏低的问题。

为解决上述问题，本节设计闭环液热耦合加热膜预热系统。该系统包括用UDF语言实现液体闭环预热、加热元器件对液体预热、加热膜对电池正极预热3个部分。闭环预热的实现过程是首先定位出口的ID，获取出口处的每个节点的面积和温度值；然后计算所有节点面积的加和以及所有节点的面积和温度乘值的加和，获得水口温度的算术平均值；最后以分析时间步为基准，将前一计算步的出口温度的算术平均值赋值给下一计算步的入口。

进水口的水温应该是出水口温度的算术平均值，公式(9)如下所示。

式中，Tinlet为入口液体温度，Ti为每个节点的温度值，ci为每个节点的面积，其中i=1, 2…n。

本工作将PTC材料放置在进水口侧用于预热进水口的液体。同时在储能电池的正极覆盖一层厚度为0.25 mm的聚酰亚胺加热膜。

最终，基于闭环液热耦合加热膜的标准包预热系统的三维结构如图12所示(箱体和电池模组上层绝缘层做了透明化处理)。

图12 基于循环冷链和加热膜的电池标准包

4.1　PTC恒定功率工作状态下的仿真

利用Fluent软件对标准包进行仿真，将PTC视为体积热源，其工作状态为2340 W恒功率。在电池模组的上绝缘层设置薄壳传热，薄壳厚度为0.25 mm，功率为2.5 W/cm2。设置环境温度为-20 ℃，加载UDF程序，设置仿真时间为600 s。仿真结果如图13～图15所示。

图13 进出口平均温度曲线

图14 标准包温度云图

图15 单体电池温度云图

由图13可知，出口的时间温度曲线和进口的时间温度曲线完全吻合，这表示UDF中的将出口液体的面网格温度的算术平均值赋给下一步的入口温度的功能成功实现。由图14可知，在PTC恒定功率预热600 s后，整体电池的最低温度在5.98 ℃，满足预热需求。但是由于PTC一直处于恒定功率工作状态，液体处于持续加热状态，靠近入口的液体温度一直持续升高，导致靠近入口区域的电池负极温度较高，最高温度达到18.8 ℃。液体经过在液热板内的对流换热，到出口处的液体温度降低，因此出口侧的电池平均温度最低，最终导致整个电池标准包温差较大，电池间的最高温差达到12.82 ℃。如图15所示，单体电池的正负极温差达到9 ℃。较大的温差不仅会引起电池的性能不一致性，还会造成较高的能量损失，该预热结果能够满足系统需求，但造成电池的均温性较差，因此需要对PTC工作状态进行调整。

4.2　PTC恒定功率转恒温工作状态下的仿真

本节将首先设置PTC陶瓷加热器为恒功率工作状态，持续对液体进行加热，同时监测液热板进口处的液体温度。当检测到进入液热板的液体温度为10 ℃时，此时PTC加热器转为恒温工作状态，将液热板进口处的液体温度始终保持在10 ℃。整个预热总时间依然为10 min。设置环境温度为-20 ℃，利用Fluent软件对电池标准包进行仿真。结果如图16～图18所示。

图16 进出口液体温度曲线

图17 0～450 s电池标准包温度云图

图18 450～600 s电池标准包温度云图

由仿真结果可知，在0～450 s内，PTC陶瓷加热器处于恒定功率区间，液体温度从-20 ℃一直上升至10 ℃。在闭环循环冷链的作用下，PTC进水口的液体温度和出水口的液体温度几乎完全重合。从451 s开始到600 s结束，PTC处于恒温工作状态，保证进口的液体温度一直维持在10 ℃。将PTC设置为恒温状态预热150 s后，电池的最低温度达到5.4 ℃，电池的最高温度出现在最靠近液热板入口的电池正负极区域，最高温度为9.9 ℃。电池之间的最大温差仅为4.5 ℃。PTC恒功率转恒温的预热方案不仅能满足整体的电池预热需求，还能将电池之间的温差控制在5 ℃以内，保证电池温度的一致性。同时，将电池的最高温度控制在10 ℃以内，减少预热系统的能量损失。

4.3　电池簇预热仿真分析

储能方舱中储能电池系统的几何模型庞大，结构复杂。若将整个储能电池系统进行热仿真，存在计算量大，求解时间长的问题。而储能电池系统是由7簇电池簇并联构成，且电池簇的额定电压为220 V，满足电压使用需求。因此电池簇具有典型的代表性，故本工作将只进行电池簇的热仿真分析。电池簇几何模型见图19。