海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0365

储能科学与技术 ›› 2023, Vol. 12 ›› Issue (9): 2954-2961.doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0365

海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计

李岳峰¹^,²(), 韦银涛¹^,², 彭宪州¹^,², 项峰¹^,², 王杭烽¹^,², 孙勇¹^,², 徐卫潘¹^,², 黄文强¹^,²

^1.浙江运达风电股份有限公司，浙江杭州 310012
^2.浙江省风力发电技术重点实验室，浙江杭州 310000

收稿日期:2023-05-29 修回日期:2023-06-09 出版日期:2023-09-05 发布日期:2023-09-16
通讯作者: 李岳峰 E-mail:lyf0304@mail.ustc.edu.cn
作者简介:李岳峰（1995—），男，博士，高级工程师，研究方向为储能、发电机热管理及涡轮叶片主动热防护技术，E-mail： lyf0304@mail.ustc.edu.cn。
基金资助:
浙江省科学技术厅项目(2023C01123)

Thermal simulation analysis and optimal design for the influence of altitude on the forced air cooling system for energy storage lithium-ion battery pack

Yuefeng LI¹^,²(), Yintao Wei¹^,², Xianzhou PENG¹^,², Feng XIANG¹^,², Hangfeng WANG¹^,², Yong SUN¹^,², Weipan XU¹^,², Wenqiang HUANG¹^,²

^1.Zhejiang Windey Co. , Ltd. , Hangzhou 310012, Zhejiang, China
^2.Key Laboratory of Wind Power Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310000, Zhejiang, China

Received:2023-05-29 Revised:2023-06-09 Online:2023-09-05 Published:2023-09-16
Contact: Yuefeng LI E-mail:lyf0304@mail.ustc.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

自然条件恶劣的高海拔地区对储能设备的环境适应性提出了严峻的挑战。而作为储能设备核心的锂电池包，因其在工作过程中会大量产热导致温升、温差过高，因此需要实施严格的热管理方案。显然，海拔高度的变化将直接对锂电池包的散热性能产生影响。因此，为了评估储能锂电池包在不同海拔工况下的热特性，本工作以某强制风冷系统为研究对象，首先阐述了海拔高度变化对于电池系统参数的具体影响，接着通过数值模拟探究了海拔高度从0～4000 m变化对于电池温度特性的影响，最后针对高海拔工况提出散热结构的优化方案。结果表明：海拔高度变化主要是通过改变空气参数及风扇特性从而影响风冷系统的热特性；随着海拔高度的提升，电芯温升和温差均有不同程度增加；且当海拔高度高于1000 m后，温升增加率较高；在高海拔工况下，通过增加进风口面积和提升风扇转速的优化方案可以有效降低系统电池的温升和温差。本工作为今后储能电池系统在高海拔的工程应用提供详细的温度数据、规律及优化参考。

关键词: 储能锂电池, 热特性, 海拔高度, 优化设计

Abstract:

The environmental adaptability of energy storage equipment is severely hampered by high altitude and harsh natural circumstances. Lithium battery packs, as the core of energy storage equipment,require stringent thermal management due to high-temperature rise and temperature differences caused by large amounts of heat generation during operation. It is obvious that changes in altitude directly influence the thermal characteristics of the lithium battery pack. In evaluating the thermal characteristics of the energy storage lithium-ion battery under different altitude conditions by adopting a forced air cooling system, this research elucidated the specific effects of altitude on the battery system parameters, investigated the influence of altitude (0—4000 m) on the temperature characteristics of the battery, and then proposed an optimum scheme for the heat-dissipating structures at high altitude condition. The results showed that a change in altitude influences the thermal characteristics of the forced air cooling system by altering air parameters and fan characteristics. The temperature rise and difference of cells increase in varying degrees with altitude, and the rate of temperature increaseis relatively high after 1000 m. Under high altitude conditions, optimization of increasing the inlet area and fan speed decreases the temperature rise and difference for the system battery. This researchprovides detailed temperature regular and optimization references for future engineering applications of energy storage battery systems under high altitude conditions.

Key words: energy storage lithium-ions battery, thermal characteristics, altitude, optimal design

中图分类号:

TM 912

李岳峰, 韦银涛, 彭宪州, 项峰, 王杭烽, 孙勇, 徐卫潘, 黄文强. 海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(9): 2954-2961.

Yuefeng LI, Yintao Wei, Xianzhou PENG, Feng XIANG, Hangfeng WANG, Yong SUN, Weipan XU, Wenqiang HUANG. Thermal simulation analysis and optimal design for the influence of altitude on the forced air cooling system for energy storage lithium-ion battery pack[J]. Energy Storage Science and Technology, 2023, 12(9): 2954-2961.

图/表 18

图1

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表1

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表 3

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参考文献 11

1	LI J H, GAO F J, YAN G G, et al. Modeling and SOC estimation of lithium iron phosphate battery considering capacity loss[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2018, 3(1): 5.
2	GRANDJEAN T, BARAI A, HOSSEINZADEH E, et al. Large format lithium ion pouch cell full thermal characterisation for improved electric vehicle thermal management[J]. Journal of Power Sources, 2017, 359: 215-225.
3	黄延平, 曹国华, 王淑坤. 高海拔地区电子设备散热分析[J]. 郑州大学学报(工学版), 2014, 35(6): 113-117.
	HUANG Y P, CAO G H, WANG S K. Heat dissipation analysis of electronic equipment in high altitude area[J]. Journal of Zhengzhou University (Engineering Science), 2014, 35(6): 113-117.
4	黄延平. 海拔高度对计算机散热影响的研究[J]. 电子学报, 2014, 42(12): 2442-2447.
	HUANG Y P. Research on the effects of altitude in computer heat dissipation[J]. ActaElectronica Sinica, 2014, 42(12): 2442-2447.
5	黄延平. 电器空气冷却系统受海拔影响的理论分析[J]. 机械工程学报, 2015, 51(12): 153-160.
	HUANG Y P. Theoretical analysis of the impact of altitude on electrical equipment of air cooling system[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(12): 153-160.
6	孙晓霞, 邵春鸣, 王国柱, 等. 高原车辆冷却系统参数化仿真研究[J]. 车辆与动力技术, 2015(1): 17-23.
	SUN X X, SHAO C M, WANG G Z, et al. Research on cooling system parametric simulation of vehicle in plateau[J]. Vehicle & Power Technology, 2015(1): 17-23.
7	吉华, 罗红英, 段宗幸, 等. 高海拔环境下扇叶安装角对冷却风扇性能的影响[J]. 机械, 2022, 49(10): 62-66.
	JI H, LUO H Y, DUAN Z X, et al. Influence of fan blade installation angle on cooling fan performance in high altitude environment[J]. Machinery, 2022, 49(10): 62-66.
8	王飞, 张浏骏, 许佩佩, 等. 海拔高度对变频器散热影响的研究[J]. 电子机械工程, 2016, 32(1): 9-15.
	WANG F, ZHANG L J, XU P P, et al. Study on effects of altitude on inverter heat dissipation[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2016, 32(1): 9-15.
9	郭欣娟. 高海拔寒冷地区采暖散热器散热性能研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2014.
	GUO X J. Study on heat dissipation performance of heating radiator in highaltitudeandcoldarea[D].Chongqing: Chongqing University, 2014.
10	刘磊, 王芳, 任山, 等. 海拔高度对动力电池性能的影响研究[J]. 电源技术, 2018, 42(11): 1637-1639, 1693.
	LIU L, WANG F, REN S, et al. Influence of altitude on performance of power battery for electric vehicle[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2018, 42(11): 1637-1639, 1693.
11	YOUNES S. Heat Transfer: Thermal Management of Electronics[M]. CRC Press, 2009.

海拔/m	空气密度/(kg/m³)	大气压强/kPa	动力黏度/[kg/(m·s)]
0	1.1850	101.3	1.84×10^-5
500	1.1383	95.2	1.82×10^-5
1000	1.0919	89.4	1.81×10^-5
1500	1.0459	84.0	1.79×10^-5
2000	0.9998	78.9	1.77×10^-5
2500	0.9543	72.8	1.76×10^-5
3000	0.9095	67.2	1.74×10^-5
3500	0.8648	61.6	1.72×10^-5
4000	0.8023	56.0	1.70×10^-5

边界位置	边界条件	具体值
矩形进风口	速度入口	速度/(m/s)：5 温度/℃：25
出风口	压力出口	—
风扇进口	内部域	—
风扇出口	风扇条件	P-v曲线
电芯	固体域	5251 W/m³

电芯比热容/[J/(kg·K)]	质量/kg	电芯各方向	导热系数/[W/(m·K)]
1000	5.43	宽度X	15
		厚度Y	6.4
		高度Z	9.2

参数	#1	#2	#3
网格总数/万	715	1024	1417
电芯均温/℃	28.6	31.7	31.9

项目	实验数据	仿真数据	差值
最高温升/℃	7.1	8.3	-1.2
最大温差/℃	1.5	2.3	-0.8

海拔高度对储能锂电池包强制风冷系统影响的热仿真分析及优化设计

Thermal simulation analysis and optimal design for the influence of altitude on the forced air cooling system for energy storage lithium-ion battery pack

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[1]	胡茜芮, 张朝阳, 洪芳军. 高温相变胶囊梯级储热系统实验研究[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(8): 2526-2535.
[2]	廖丹, 胡章茂, 王唯, 田红, 宣艳妮, 陈冬林. 立方体填充料结构内换热与流动特性[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(3): 676-684.
[3]	闵凡奇, 吕桃林, 付诗意, 张立恒, 党国举, 晏莉琴, 解晶莹, 高云智. 锂离子电容器的热特性及热模型[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2629-2636.
[4]	韦雪晴, 邓海鹏, 周宇, 王冰川. 锂离子电池组的三维电化学-热耦合仿真分析[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(12): 3965-3977.
[5]	贾增昂, 凌志斌, 李旭光. 正弦脉动电流充放电下的锂离子电池发热特性[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 2260-2268.
[6]	吴炜, 李守成, 谢纬安. 翅片参数与PCM材料对散热器传热影响实验研究[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 2303-2311.
[7]	王星, 李文, 朱阳历, 左志涛, 陈海生. CAES轴流涡轮弯导叶优化设计与流动损失控制机理[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(5): 1524-1535.
[8]	吴玉庭, 宋阁阁, 张灿灿, 寇真峰, 鹿院卫. 超临界压缩空气储能系统蓄冷换热器优化设计[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(4): 1374-1379.
[9]	令狐友强, 徐德厚, 岳秀艳, 周学志, 徐玉杰, 盛勇, 左志涛, 陈海生. 沸石-液态水吸附储热系统的释热特性[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(3): 1103-1108.
[10]	王海民, 王寓非, 胡峰. 石墨-石蜡复合相变材料的圆柱型动力电池组热管理性能[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(1): 210-217.
[11]	王子逸, 徐玉杰, 周学志, 陈海生, 盛勇, 徐德厚, 令狐友强, 丁捷. 跨季节复合储热系统储/释热特性[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(6): 1837-1846.
[12]	张志超, 郑莉莉, 杜光超, 戴作强, 张洪生. 基于多尺度锂离子电池电化学及热行为仿真实验研究[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(1): 124-130.
[13]	杜光超, 郑莉莉, 张志超, 王栋, 冯燕, 戴作强. 圆柱形高镍三元锂离子电池高温热失控实验研究[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(1): 249-256.
[14]	马龙, 文华. 锂离子电池温度变化过程仿真与验证[J]. 储能科学与技术, 2018, 7(4): 712-717.
[15]	张阳1，左志涛2，梁奇1，周鑫2，陈海生2. 离心压缩机可调叶片扩压器优化设计与调节分析[J]. 储能科学与技术, 2017, 6(6): 1231-.

项目	优化前	优化后
进风口高度/mm	80	110
进风口宽度/mm	8.5	8.5