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大功率储能Discover蓄电池系统热管理结构设计与全寿命周期温控特性研究
在"双碳"目标下，国际社会逐渐加大减碳力度，可再生能源发电工业持续打开壮大[1]。可再生能源发电的波动性与间歇性是关键性应战，阻碍了发电侧与电网侧的协调控制与作业[2]。跟着社会用电需求的持续增加，可再生能源大规模并网加重了电网供需调理背负，对电网深度调频调峰构成二次应战[3]。依托大容量、快呼应、高功率等优势[4]，EESS可供给包含调频、调峰与调压在内的辅助服务，处理可再生能源出力不规则性及其并网引发的问题，维持电网电压与频率稳定性[5,6]。
电池在电池储能系统（BESS）运用中具有决定性效果，直接影响其能量功率、运用寿数和安全性[[7], [8], [9]]。其时BESS的研讨要点与热门包含锂离子电池、铅酸电池、液流电池及固态电池储能[10,11]，其间磷酸铁锂电池（LFPs）凭仗高能量密度、低成本、长循环寿数和快速充放电等优势，最能满足调频功用要求[[12], [13], [14], [15]]。现在LFPs在所有投运的电化学储能项目中仍占有主导地位[16]。此外，BESS由很多高容量电池组成且作业工况凌乱多变[17]，电池的热安全问题和pack层级的热寿数问题严重限制着BESS的打开[18,19]。为前进电池功用与寿数，并满足大规模储能运用的热处理需求，需规划高效的电池热处理系统（BTMS）以保证充分的安全性与可靠性[20,21]。
现在，储能系统常见的热处理技能首要包含风冷、液冷和直接制冷剂冷却[[22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]]，国内外学者在电池储能系统（BESS）散热方法研讨方面已获得必定效果。Su等[34]针对280Ah方形锂离子电池（LIBs）提出了一种依据谐波板耦合相变材料的风冷混合电池热处理系统（BTMS），研讨了放电倍率与风道类型对热处理功用的影响。效果标明，在2C放电条件下，电池模组的最高温度为45.15°C，最大温差为3.89°C。Li等[35]为12个方形磷酸铁锂电池组成的模组规划了不同方法的液冷BTMS，研讨了结构规划和作业参数对冷却功用的影响。效果显现，在3C充电倍率下，电池模组的最高温度为39.85°C，最大温差为5.00°C。Wang等[36]选用R134a作为制冷剂规划了直接冷却BTMS，研讨了制冷剂饱满温度和潜热对BTMS功用的影响。效果标明，在3C放电条件下，直接冷却可明显下降电池模组的最高温度，最大温差可降至4.6°C。
现有研讨标明，其时关于空气与液冷电池热处理系统（BTMS）的研讨效果大多选用独立风冷或独立液冷方案。可是，独立风冷方案存在散热功率低、气流均匀性差等缺陷，易导致电池组间温差过大，难以满足大功率、高能量密度电池储能系统（BESS）的散热需求。虽然独立液冷方案具有更高的散热功率和更优的温度均一性，但其系统结构凌乱、布局难度较大；现在广泛选用的底部冷却和双面冷却方法易出现顶部热量堆积现象，无法满足大功率充放电及快速充电的工况要求。虽然直接制冷剂冷却能快速下降电池温度，但由于其对耐压性和密封性要求高、走漏危险大且温度均匀性控制难度大，在储能系统中的运用受到限制。与此同时，虽然直接制冷剂冷却能快速下降电池温度，但由于其对耐压性和密封性要求高、走漏危险大且温度均匀性控制难度大，在电池储能系统（BESS）中的运用同样受限。因此，为处理上述研讨缺少，亟需构建一种结合空气与液冷的风液混合电池热处理系统（BTMS），以提高电池储能系统的散热功率、温度均匀性及作业稳定性。
此外，电池老化也是储能热处理的中心重视点[[37], [38], [39]]。现在，研讨人员已对锂离子电池的老化衰减机制打开了广泛研讨，并获得了较为明晰的知道，如图1所示[40]。
如图1所示，锂离子电池在长期运用进程中会出现SEI膜成长与降解、活性物质丢掉及锂离子损耗等现象，其外部表现为电池容量衰减和内阻增大[[41], [42], [43], [44]]。可是电池内阻升高会直接导致电池产热添加，加重极化现象，进一步扩大产热效应，形成内阻与产热持续增加的恶性循环[[45], [46], [47]]。除循环老化与日历老化形成的衰减叠加效应外，热老化同样是加速电池老化的要素之一[[48], [49], [50]]。储能型锂离子电池最佳作业温度区间为10∼35°C，且温差不该逾越5°C[51]。高温文过大的温差不只会加速SEI膜成长速率、下降活性材料的热稳定性，还会加重循环老化与日历老化的叠加效应[52,53]，形成热老化的二次恶性循环[54]。长期来看，这必定导致电池热稳定性下降并添加热失控危险[55,56]。因此，为下降电池老化对BESS的影响、保证BTMS的有效性与BESS的安全性，亟需打开以老化电池热处理功用为中心的研讨[[57], [58], [59]]。
现在，关于老化电池热处理的开始研讨现已打开。Zhao等[60]系统研讨了大容量LFPs老化与热特性的关联性，建立了模组老化前后的热处理模型。效果标明，在0.75C充放电倍率下，电池在10°C、25°C和40°C环境下的老化速率顺次递加。模组老化后最高温度逾越55°C且最大温差逾越5°C，导致BTMS有效性下降。Liang等[61]比照了53Ah方形电池模组在5C放电倍率下选用扁平热管冷却时老化前后的热处理功用。研讨发现，高耐受水平与电池老化均会导致电芯部分温升及模组内部温差过大，致使BTMS功用恶化。
可以看出，其时关于老化热处理的研讨首要会集在比照电池模组老化前后的热处理功用，而分析电池热处理系统（BTMS）有效性的研讨较少。此外，大都研讨仅针对单一老化程度的电池模组打开，既未分析电池模组在全生命周期不同老化阶段的热处理功用，也未考虑电池模组老化的不一致性问题。因此，为补偿上述研讨缺少，有必要分析电池模组在不同老化阶段的热处理功用，并根究电池热处理系统（BTMS）在全生命周期中的有效性。
综上所述，现在同时重视2P高功率作业工况下气液双循环电池热处理系统（BTMS）结构规划，以及全生命周期不同老化阶段电池模组在老化不一致情况下的温控功用与BTMS有效性的研讨仍较为匮乏。因此，本文以具有2P FM功用的100Ah磷酸铁锂储能电池为研讨目标，在尽可能保证系统能量密度的前提下规划BTMS，提出耦合三面冷却与顶部电扇的气液双循环散热构型，并确立最高温度低于35°C、最大温差小于5°C的温控有效性指标。此外，本研讨选用老化随机分布函数方法，获取电池模块在全生命周期不同老化阶段各方位的老化概率特征，并经过试验与仿照相结合的方法，打开了储能电池热处理系统（BTMS）结构规划优化、全生命周期热处理功用分析及温控效能的研讨作业。
本文具体研讨内容如下：首要，经过测试获取电池在2P恒功率放电条件下不同老化阶段的内阻与发热功率。其次，从增大接触面积与强化内部空气循环两个维度，提出三面冷却加顶部电扇的热处理构型。第三，选用正交仿照法分析了冷却液入口温度、冷却液入口流速及电扇转速三个要素对最高温度与最大温差的影响特性。终究，针对储能电池在寿数终止时健康状况分布不均导致的电池热处理系统（BTMS）温度均匀性控制缺少问题，本研讨分析了电池储能系统（BESS）在不同健康状况（SOH）分布差异范围内，老化随机分布模块对温度控制效果与有效性的影响。
- 2电池储能系统(BESS)的热规划与建模方法
该BESS电站由39个串联电池簇构成，每个电池簇包含8个串联电池模块，合计312个模块。每个模块由52个电芯以1并52串（1P52S）构型排列组成。单个模块能量容量为16.146千瓦时，系统总能量容量达5.037兆瓦时。电芯选用磷酸铁锂（LFP）类型，额定容量为100安时。这些电芯支撑2P倍率（相对于额定容量的功率乘数）的恒功率充放电，最大恒功率充放电倍率达4P，可满足高功率调频（FM）需求。具体电芯参数详见表1。
- (1)热处理系统规划
原始底部表面液冷规划方案（规划A）如图2(a)所示，其冷板与电池底部表面接触，供给0.28平方米的接触面积。依据规划A，本研讨提出一种气液双循环规划方案（规划G），如图2(b)所示。电池系统顶部安置有十二个散热电扇，冷板则与电池底部及两边表面接触，总接触面积到达0.81平方米两种规划中的冷板内部流道结构均选用平行流道构型。冷板与电池间的接触界面涂抹导热硅脂，相邻电池空隙则填充气凝胶（一种隔热材料）。两种规划中各部件的尺度参数详见图2(c)。22