液冷散热式预制舱储能系统冷却液回路设计

摘要：随着液冷式预制舱储能推广，亟需冷却液回路设计方法。从工程实用角度出发，针对液冷板，提出了普适于常见3至4排电芯电池包的U形流道结构，分析了流道宽度、高度设计方法；针对液冷管路，提出管路并联式排布和管路变径的方案，阐述了管路流量、节流孔尺寸设计方法。依托1 MW/2 MWh海岛储能工程，分析了工程设计实例。收集并分析了现场运行情况，所设计方案能将电池温度控制至预定区间，电池温差不超过3 ℃。

  关键词：液冷式储能；冷却液回路；参数设计

  储能预制舱空间密闭，随着系统容量提高，电池密集程度越来越高，对散热的要求不断提升[1]。传统风冷方式散热速度和散热效率不高，且难以维持电池温度均匀性[2]。在其他散热方式中，液冷的散热速度和散热效率较高，易于保证电池温度均匀性，其成本介于空气冷却和相变冷却/热管冷却之间，技术经济优势凸显了出来[3-4]。在储能领域，液冷技术正开始推广。

  冷却液回路包括液冷板与液冷管路。现有研究提出了许多液冷板结构型式，但结构复杂难以实用化；并且侧重于仿真研究，缺乏工程实用的设计方法。文献[5-6]以仿真入手，研究了进水口宽度、流道数量等参数不同组合的效果，参数的计算方法未进行研究。液冷管路设计在现有研究中较少涉及，但值得重视，因为在预制舱电池密集堆叠的环境下，液冷管路的合理设计对冷却液分配和最终散热效果具有重要影响。

  针对冷却液回路设计问题，本文提出了具有工程普适性的液冷板结构，给出其参数的计算原则与方法；提出液冷管路并联排布方式，给出了管路的变径设计思路与方法。依托1 MW/2 MWh实际储能工程，给出了冷却液回路设计实际案例，分析了其现场运行效果，为液冷式预制舱储能系统设计提供借鉴。

  一、预制舱储能系统冷却液回路

  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。

图1 液冷式预制舱储能系统冷却液回路

  二、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。

  三、液冷管路设计

  3.1 管路排布方式设计

  储能预制舱含多个电池簇，电池簇含多个电池包。为使电池包冷却液流量均匀，本文提出并联式液冷管路排布方案，即电池簇管路并联，单电池簇内各电池包管路也并联，如图3所示。

图3 液冷管路并联结构

  3.2 管路流量设计

  3.3 节流孔孔径设计

  为了保证各电池包流量均衡，避免下层电池包流量不足，本文采用变径管路设计。为减少设计制造成本，管路一般采用标准化管路，变径的思路在于采用节流三通，即图4所示的不同层次电池包三通采用不同的内径。三通内径按如下方法确定。

图4 节流三通设计方案

  均衡流量的本质是使冷却液到达不同电池包的压力损失相同。冷却液流过管路产生的压力损失包括沿程损失、截面缩小损失和扩大损失。对于不同层次电池包而言，沿程损失的差异为冷却液在垂直方向上的路程差异；截面缩小和扩大损失为流经三通的损失，既存在于垂直方向，也存在于水平方向。

  式(10)中的变量为管路与三通内径。由于采用标准管路，管路内径可先确定，因此式(10)的变量为三通内径。进一步的，为避免三通尺寸过多，三通垂直方向出入口内径可保持一致，则式(10)的变量仅为顶部与底部三通的水平方向出口内径。在设计顶部与底部三通的水平方向出口内径后，其他层级电池包对应的三通水平方向出口内径，从上往下递增。

  四、工程设计实例

  4.1 储能系统主要参数

  本文以某海岛微电网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。

图5 某海岛1 MW/2 MWh预制舱储能系统

  4.2 初步设计

  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。

  4.2.2 液冷管路

  首先计算管路流量。冷却液水乙二醇的比热容c为3.3 kJ/(kg·℃)，密度为1 071 kg/m3；冷却液允许温升ΔTrise取2 ℃。计算得到电池包支管路流量要求Qpack为3.4 L/min，通过式(4)可计算电池簇和主管路的流量要求。主管路流量要求为至少120 L/min。

  在计算节流三通孔径时，管路采用标准管路，主管路、电池簇支管路、电池包支管路内径分别选取为32、16、12 mm，三通垂直方向出入口内径选取为14 mm；水乙二醇粘度μ为0.003 94 Pa·s，每段电池簇支管路长度l为280 mm。通过式(5)~(10)计算，当底部三通水平方向出口内径选取为10 mm，计算得到顶部三通水平方向出口内径为5.6 mm。因此，三通水平方向出口内径应从5.6 mm到10 mm递增。

  4.3 优化与校验

  本工程电池温差的目标是不超过5 ℃。在4.2节初步设计结果的基础上进行优化与校验。首先，液冷板流道高度不调整，通过调整宽度调节流阻。其次，虽然节流三通孔径理论上应从上到下严格递增，但为了避免孔径类型过多给制造和选型带来困难，在优化与校验中，电池簇上层3个三通水平出口孔径将选择一种参数，下层4个三通水平出口孔径选择一种参数。这样能够兼顾流量均衡与制造难度。最后需通过仿真校验电池温差目标得到满足。

  通过仿真，当下层4个三通水平方向出口孔径选择10 mm，上层3个三通水平方向出口孔径选择6~7 mm时，各电池包流量的差异变化不大；选取6~7 mm范围之外的参数时，各电池包流量的差异有所增加。因此上层3个三通水平方向出口孔径最终选择为7 mm。

  在确定流道高度、节流三通孔径的基础上，对不同管路流量、液冷板流道宽度进行仿真，分析电池温差与进出液口压差。部分结果如表1所示，可得到如下结论：

  (1)流量120 L/min、流道宽度66 mm可以将温差控制在目标5 ℃临界，增大流量能减小温差；

  (2)适当增加液冷板流道宽度增加了换热面积，能减小电池温差、减小流阻；

  (3)当流量从200 L/min提高至250 L/min，进出液口压差将增加。当流量增大到一定程度时，减小电池温差的效果已经不明显。对于液冷板流道宽度66 mm而言，流量250与200 L/min的条件下，电池温差基本相同。

表1 选取不同参数的设计结果

  综上考虑，优化后的方案为上层3个和下层4个节流三通水平出口孔径分别为7和10 mm，液冷板流道宽度66 mm，液冷板流道高度3 mm，主管路流量选取200 L/min。

  对优化后的方案进行仿真。由主管路流量值200 L/min，可折算出电池包支管路流量设计值为5.71 L/min。图6展示了电池包支管路流量，顶部与底部电池包支管路流量分别为6.18、4.72 L/min。流量均值为5.62 L/min，与设计值基本一致。由于兼顾实际孔径选择的便利性，上层流量有所偏高。本文进一步通过温度场仿真验证温差控制效果。

  针对流量最高和最低的电池包，进行电池包温度仿真，电池工作于最大充放电倍率0.5 C，赋予电芯内部极片发热功率，电池长度方向间距4 mm，厚度方向间距1.8 mm。电池包内温度如图7所示，两个电池包内电池最大温差分别为2.9和3.0 ℃，两电池包所有电池最大温差为3.0 ℃，满足不超过5 ℃的温差目标。

图6 管路流场仿真结果

图7 电池包温度场仿真结果

  五、现场运行情况

  对第4节设计的海岛1 MW/2 MWh预制舱储能工程实例开展现场运行分析。热管理策略如图8所示，目标是将电池温度控制在20~25 ℃区间，分为制冷和制热模式。

  (1)制冷：当电池最高温度Tcell_max>30 ℃时，启动制冷，下发液温目标值Tset=18 ℃和回差ΔTmargin=3 ℃。制冷至Tcell_max降至25 ℃时结束。

  (2)制热：当电池最低温度Tcell_mmin＜15 ℃时，启动制热，下发液温目标值Tset=30 ℃和回差ΔTmargin=5 ℃。制热至Tcell_min升至20 ℃时结束。

图8 热管理策略

  实际工程中在电池包内布置6个温度传感器，如图9所示。温度传感器将数据上送电池管理系统。调取电池管理系统数据，分析电芯温度、液冷机组的出水和进水口温度。

图9 电池包内温度传感器布置

  5.1 制冷工况

  对含系统完整充放电循环的某9 h进行分析，充放电倍率为设计的最大充放电倍率0.5 C。子系统1、2的电流、荷电状态(state of charge, SOC)、电芯温度及液冷管路进出口液温如图10所示。

图10 制冷模式温度曲线

  从图10可以得出：

  (1)大约在时间t =0.5 h，电芯最高温度＞30 ℃，启动制冷；大约在t =6 h，电芯最高温度＜25 ℃，制冷结束；

  (2)制冷过程中，管路进口液温在15~22 ℃波动，电芯温度维持在34 ℃以下；

  (3)电芯最大温差不超过3 ℃。

  5.2 制热工况

  在某96 h时段内，储能系统静置，但由于气温低，热管理系统在此期间自动进入制热模式。子系统1、2的电流、SOC、电芯温度及液冷管路进出口液温如图11所示。

图11 制热模式温度曲线

  从图11可以得出：

  (1)大约在时间t =72.68 h，子系统1电芯最低温度＜15 ℃，启动制热；大约在t =80 h，电芯最低温度＞20 ℃，结束制热。类似的，子系统2启动和停止制热的时间大约在t =36.5 h和t =43.9 h。

  (2)加热过程中，加热速率稳定在约0.95 ℃/h，电芯温度维持在14~22 ℃。

  (3)电芯最大温差不超过3 ℃。

  六、结论

  本文对液冷散热式预制舱储能系统冷却液回路展开了设计。液冷板方面，提出一种可通用于常见的含3至4排电芯电池包的U形流道结构，给出了流道宽度、高度参数的设计方法；液冷管路方面，为均衡各电池包流量，提出管路并联式排布以及管路变径的设计方案，阐述了液冷管路流量、节流三通尺寸的设计方法。

  以某海岛1 MW/2 MWh预制舱储能为例，开展工程设计实例分析。运用所提方法设计了冷却液回路参数，通过仿真对参数进行了优化与校验。

  现场运行情况表明，设计方案能够将电池温度控制在20~25 ℃区间，电池温差不超过3 ℃。

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【责任编辑：孟瑾】