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简化电池储能系统中含加热电池模块的流动动力学与传热特性
由电池组成的大规划储能系统（ESS）在应对其时动力应战方面展现出潜力，但系统运转时发生的热量耗散至关重要。本研讨聚集于简化ESS电池架中的浮力对流活动。天然对流一般并非首要的冷却策略，但在电池模组过热或或许发生热失控的反常工况下具有重要作用。我们选用核算流体动力学方法，对参数化简化规划的电池架内部活动动力学与传热机制进行研讨。虽然结构简略，该配备仍能出现真实电化学储能系统（ESSs）预期的许多要害特征，无需触及模块几何细节或硬件参数，使得研讨结论可独立于制作商特定规划而具有普适性。我们首要通过流场可视化及夹藏量、热通量与压力的测量打开研讨。为说明系统参数的依托联系，我们建立了均匀温度方程的积分规范分析方法，用以突显主导源项的作用机制。我们运用该分析成果推导出一个由简略代数表达式组成的稳态网络模型，以供给通过机架夹藏的一阶猜想。该网络模型完结了依据对流质量通量的雷诺数与依据热源的格拉晓夫数之间的线性比例联系。我们推导出以外表均匀努塞尔数为函数、相关模块间换热量的阅历联系式，该努塞尔数表现为局部雷诺数和瑞利数的函数。最后，我们研讨了模块与机架在展向间隔怎样形成活动旁路，然后导致不同活动途径的现象。
导言
大规划电池储能系统通过存储来自代替动力的电能，并在电网需求高峰期重新分配这些能量，然后协助应对高峰时段的动力需求[1]。部署大型储能系统面临的首要应战之一是确保系统安全性。热失控是一种众所周知的现象，当电池因乱用条件（电气、机械或热乱用）或制作缺陷导致内部短路等原因引发不可控放热反应时，电池会开端自发热，然后引发该现象。热失控进程伴随电解液泄放及随后喷发热挥发性气体与颗粒物[2][3][4][5]。这些气体一般具有可燃性[6]，但或许因缺少可用氧化剂而抑制燃烧。若发生的热量与产品未得到妥善处理，热失控极易向储能系统中的其他电池延伸[7][8]。部分首要潜在传热机制包含：电池与模组间的传导[9]、高温排放燃料费碰击引发的对流[10]、热颗粒在相邻电池上的热堆积[11]，以及排放燃料费燃烧发生的辐射与对流[12]。这些效应的作用程度高度取决于ESS内部摆放方法。
在热失控引发上述极点事情前，电池一般会出现继续升温现象（时间规范约为十分钟量级）[13]。此类温升现象在惯例充放电循环中相同存在，或许导致电池加快劣化[14][15][16][17]。在此期间，系统会发动不同散热机制以抑制温升。关于小型非固定式电化学储能系统（即（即多组电池并联运转时），选用强制风冷对流散热是常见做法[18][19]。如Rao与Wang所述[20]，相较于液体冷却或相变冷却等其他方法，该方法具有显着优势。强制风冷的首要吸引力在于可以获取低温空气（如环境空气），并将加热后的废气直接排回环境。关于大型固定式储能系统（即由电池模组构成的集群或更大规划系统），强制风冷还通过多种方法完结，包含运用电扇推进空气穿过模组，或选用暖通空调系统运送冷空气。但随着储能系统规划扩展，因流道长度增加导致的相对压力丢失上升，强制风冷的效能会相应降低。这然后增强了浮力效应对热空气混合与涣散的影响[4][21][22]。
本研讨旨在讨论浮力驱动的天然对流在典型电池架中导入新鲜空气与排出热量的作用。遍及观念以为仅靠天然对流不足以有用排出运转中储能系统(ESS)发生的热量[6][23]，我们支撑这一结论。可是，通过移除强制风冷配备，更简略辨识浮力天然对流的作用机制，以及当强制冷却失效时反常工况下存在的应战。此外，现有制作工艺对强制风冷存在严重依托，这一特性无法通过通用电池架模型表现。本研讨选用核算流体力学(CFD)方法，探索与其他研讨[24]具有可比性的实验相关参数空间。
本研讨旨在加添其时文献中的两个空白范畴，以提高对未选用泄压或强制风冷条件下、模块长期处于高温状况时模块间热传递机制的理解与猜想能力。这一研讨最终将改善不同模块间热失控传达的猜想精度。
- •无法通过机架级参数空间探索来说明基础行为。以往在机架级及更大规划的核算作业一般捕捉了验证建模方法的互补性实验中更精密的细节[25][26][27]。虽然这对验证至关重要，但难以识别和调查最具影响力的参数，原因在于：(i)核算成本限制了很多模型履行的可行性，或(ii)模型参数空间极为庞大。
- •传热、空气卷吸与浮力非线性耦合的未知简化方式。为猜想模块间火势延伸，连续介质层面的流体动力学核算虽可显着提高精度[28]，却会带来巨大的核算担负。即使不考虑泄压条件，因为非线性效应（如流体动力不安稳性的引进、燃料费的堆集、浮力导致的卷吸量改变等[29][30]），传热、空气卷吸与浮力的耦合作用也难以简化为核算友好的代数方式。
加添这些空白将有助于理解电池和模组规范的继续研讨怎样遭到机架规范的影响，反之亦然。此外，一旦发生泄压，因为射流冲击[31]和燃烧加热[32]导致的延伸或许性将取决于机架中其他模组的预热程度[33]。
本研讨聚集于机架规范（即模块集合体，有时称为"集群规范"），因为该规范一般用于小型设备（如居处场景）[34]，而更大规划的公用事业级储能系统往往由多个机架组成[35][36]。通过对现有制作商机架规范规划的扼要调研，发现所谓"规范"机架存在显着差异性，首要包含但不限于以下方面：(i)模块的规范与长宽比；(ii)模块的垂直和/或水平摆放方法；(iii)电池化学系统；(iv)电池单体与模组间的空气流通途径[34][35][36]。为坚持与具体规划计划的无关性，本研讨聚集于电池架的理想化模型。在该理想化设定中，模组被简化为空间温度均匀且时间安稳的长方体，垂直堆叠于架体内。这种简化消除了实践运用中特定硬件（如极耳、线缆、电扇等）对空间的局部占用所带来的复杂性[6]，一起规避了单体与模组规范所需的参数化（例如单体构型、化学系统、间隔、空隙材料、反应机制等[9]）。
虽然我们的原型机架供给了一个直接的检验途径，但与实践运用场景比较仍存在一些差异。我们将其视为提示全体流体与热力学底层联系的必要妥协。例如，因为继续热交换最终导致排气，实践模块温度并非安稳不变；可是流体动力学呼应的典型时间规范远快于模块温升进程。此外，实践模块的外表温度一般并不具有空间均匀性[37]。可是，因为模块内部热导率较高，模块内部的热传递速度一般远快于模块间的热传递。这些设定代表了我们为减缩参数空间所作的初步近似。系统规划者若需选用本研讨的某些成果，有必要确保本文的简化处理符合其特定系统的技能要求[38]。