冷风送风方式对储能电池簇降温效果影响的模拟_葛苏槿.pdf

第 12 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.12 No.1Jan.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology冷风送风方式对储能电池簇降温效果影响的模拟葛苏槿，张龙，杨晓华，单文豪，徐广强（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）摘要：储能电池簇工作期间释放的大量热易造成电池模块工作温度升高，从而影响系统的充放电性能及安全性能，有效的降温措施对于保证储能电池簇的安全高效运行具有重要意义。本工作利用CFD技术对上送风、下回风和下送风、上回风两种冷风送风方式下储能电池簇内冷空气的流动换热特性进行了数值模拟。并根据冷空气流场及温度场的模拟结果，对比分析了不同冷风送风方式对储能电池簇降温效果的影响。模拟结果表明：当送风方式为上送风、下回风时，冷风向下前方流动，靠近冷风入口处的正下方出现冷却盲区，该区域电池模块表面温度较高。该送风方式下，在距离顶部送风口2 m处实现冷风全覆盖。当送风方式为下送风、上回风时，冷风向上前方流动，靠近冷风入口处的正上方出现冷却盲区，相较于上送风方式，该方式下冷却盲区范围减少。在下送风、上回风的冷风送风方式下，在距离底部送风口1.5 m处实现冷风全覆盖，冷风覆盖范围增大，截面平均温度降低。由此可以看出，两种冷风送风方式相比，下送风、上回风的冷风送风方式对于电池簇的降温冷却效果更好。关键词：储能电池簇；送风方式；降温效果；数值模拟doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0461 中图分类号：TB 21 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）01-150-05Simulation study on the influence of air supply method on the cooling effect of energy storage battery clusterGE Sujin,ZHANG Long,YANG Xiaohua,SHAN Wenhao,XU Guangqiang(Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.,Ltd.,Jinan 250013,Shandong,China)Abstract:The significant amount of thermal energy released by the battery cluster during operation can readily rise the temperature of the battery module,thereby affecting the systems efficiency and safety.Effective cooling methods are extremely important to maintain battery clusters safe and efficient operation.Herein,computational fluid dynamics technology is used to numerically simulate the flow and heat transfer properties of cold air in a battery cluster under two air supply systems:cold air enters from above and cold air enters from below.Additionally,according to the simulation results of the cold air flow and temperature fields,the impact of various cold air supply techniques on the cooling effect of the battery cluster is compared and examined.The simulation results show that when the cold air enters from above,it flows downward and forward,and there is a cooling blind area below the cold air inlet,and the surface temperature of the battery module in this area is high.In this air supply system,full coverage of cold air is achieved at a distance of 2 m from the air inlet.As the cold air comes from below,it flows upward and forward,and there is a cooling blind area above the cold air inlet.As opposed to the air supply method where the cold air is introduced from above,the cooling blind area is reduced in this method.When the cold air arrives from below,储能系统与工程收稿日期：2022-08-19；修改稿日期：2022-08-22。第一作者及通讯联系人：葛苏槿（1996），女，硕士，研究方向为暖通空调，E-mail：。第 1 期葛苏槿等：冷风送风方式对储能电池簇降温效果影响的模拟the full coverage of cold air is achieved at a distance of 1.5 m from the air inlet,the coverage of cold air is increased,and the average temperature of the section is dropped.It is determined that when the cold air comes from below,the cooling effect of the battery cluster is improved.Keywords:storage battery cluster;air supply method;cooling effect;numerical simulation储能电池簇是由紧密排列在一个空间内的大量电池模块，通过串联或并联的方式连接而成的电池组合体。在充放电过程中，电池簇会释放大量热能，若不能进行有效降温，过高的温度会使电池性能和寿命下降，甚至导致热失控，影响系统安全性1。因此，研究储能电池簇的有效降温技术措施，对保障电储能系统性能及安全性能具有重要意义。目前，储能电池簇的降温技术措施主要分为空冷和液冷2。其中，空冷技术因方案成熟、结构简单、容易维护、成本低，已在储能电池簇热管理中得到广泛应用3，部分学者也对空冷技术进行了大量探究。张子峰等4对上送风方式下电储能集装箱的散热进行了研究，冷风经导风管导入风墙，后经风墙上的小孔排出对电池进行冷却，研究结果表明该送风方式下电池系统只存在2 温差，温度场分布均匀。邹燚涛等5提出了“主风道+立管”形式的均匀送风方案，通过加设导流板、减小出风口面积等措施改善了出风口出风均匀性。Mahamud等6提出了一种采用冷风往复式流动的冷却方式，冷风从上风口进入后，通过阀门控制其流动方向从而实现往复式流动，与单向流动情况相比，往复式流动时电池组温差降低了约4，电池最高温度降低了1.5。王晓松等7采用下送风的冷风送风方式，通过在底部风道内增设导流板的方法降低了电池间温差，使电池表面温度分布更加合理。李淼林等8基于底部进风、顶部出风的冷风送风方式，对进、出角度进行了优化设计，使得电池组最高温度降低9.55%，温差下降25.89%。然而，目前关于储能电池簇冷风送风方式的研究多是采用上送风、下回风模式，对于下送风、上回风的研究相对较少。本工作基于CFD数值模拟，对两种送风方式下储能电池簇内的冷空气速度场及温度场进行对比分析，探究更加有利于电池簇降温的冷风送风方式。1 数学模型1.1控制方程储能电池簇冷风送风过程包含湍流流动、对流换热等传热传质现象，基本控制方程如式(1)(3)所示。连续性方程：t+div(u)=0(1)动量方程：()ut+div(u)u=div(gradu)-div(P)(2)能量方程：(T)t+div(uT)=div(cpgradT)+ST(3)其中，为空气密度；t为温度变化的时间；u为空气速度矢量；为空气动力黏度；P为储能电池簇内空气压力；T为空气温度；为空气导热系数；cp为空气比热容；ST为黏性耗散项。1.2几何模型建立上送风、下回风和下送风、上回风两种冷风送风模型，如图1所示。如图1(a)所示，本工作所建立的储能电池簇箱体的几何尺寸(长宽高)为7000 mm 2200 mm 3000 mm，每个电池模块几何尺寸(长宽高)为650 mm 455 mm 188 mm。如图1(b)所示，在上送风、下回风的送风方式中，冷风由侧壁上风口进入，经顶部风道，从电池簇顶部向下送风，对电池簇进行降温后由侧壁下风口排出。如图1(c)所示，在下送风、上回风送风方式中，冷风由侧壁下风口进入，经下部风道，从电池簇底部向上送风，对电池簇进行降温后由侧壁上风口排出。1.3边界条件对储能电池簇降温模型进行仿真时，采用压力基求解器，稳态求解法。湍流模型选用k-模型，湍流强度为3.57%，水力直径为0.187 m。空调出风口(冷风入口)采用速度入口边界条件，冷风风速为3 m/s，入口温度为293.15 K；空调回风口(冷风出口)采用压力出口边界条件；固体壁面均设置为无滑移壁面，靠近壁面处的边界层内采用标准壁面函数进行处理。本研究在模拟时对电池的生热过程进行了简化，直接将电池模块表面设置为散热面，1512023 年第 12 卷储能科学与技术热流密度为50 kW/m2。空气的物性参数以分段线性函数的形式给出，如式(4)所示。(T)=n+n+1-nTn+1-Tn(T-Tn)(4)其中，代表密度、比热容、导热系数和黏度中的任一物性；n代表第n个数据点处的物性参数，1 n N，N代表温度范围内的数据点个数。本研究的温度范围为293.15393.15 K，范围内共有11个数据点。1.4网格独立性验证采用非结构化网格对图1所示的模型进行网格划分，为检验网格数量对结果的影响，本研究逐步增加网格密度，并分别对下送风、上回风方式下电池簇内的流动换热特性进行计算，得到不同网格密度下电池模块表面平均温度，如图2所示。由图2可知，随着网格密度的增大，电池表面平均温度逐渐趋于稳定。当网格数量为 277.9 万时，电池表面平均温度为306.917 K；网格数量为336.9万时，电池表面平均温度为306.915 K，两者计算结果基本相同，满足网格独立性要求。综合考虑计算精度和计算资源，本工作选取277.9万网格进行数值计算。2 结果分析与讨论2.1上送风、下回风方式下降温特性分析当储能电池簇内采取上送风、下回风的冷风送风方式时，电池表面温度分布如图3所示。由图3可知，当采用上送风、下回风的冷风送风方式时，靠近进风口区域的电池模块表面温度较高，最高温度可达323 K，远离进风口区域的电池模块表面温度较低。结合送风截面的流场分布(如图4所示)对造成上述现象的原因进行分析：沿Y轴方向的冷风在进入电池箱后，速度方向指向下前方，冷风无法吹向靠近进风口的下方区域，从而形成冷却盲区，盲区内冷风风速较小，且有涡流存在，电池热量无法被及时带走