用于储能系统锂电池pack热设计的仿真计算与实验研究
Simulation Calculation and Experimental Study of Thermal Design for Lithium Battery Pack Used in Energy Storage System
中文关键词: 储能系统 热设计 电阻一致性 风道设计
作者 单位 E-mail
张研 黄河水利职业技术学院机械工程学院， 开封 475003 79022719@qq.com
曹永娣 黄河水利职业技术学院机械工程学院， 开封 475003
中文摘要:
以26650电池为研究对象，针对用于100 kW·h/480 V储能系统的锂电池pack进行模块化结构设计、数值模拟和试验研究。根据储能系统对电池子系统模块温度一致性、电压电流一致性、机械可靠性、装配工艺性以及模块标准化要求，运用CFD流体传热计算机数值仿真模拟和实验方法对电池模块、集流板以及电池机柜的关键参数进行分析研究。研究表明：合理的电池间隙不仅让冷却风与每个电池进行充分热交换，还能改善风冷通道、减少模块体积；增加斜板设计可以使模块内部各电池组冷却均匀，有效解决电池因热累积带来的温升过高问题；集流板优化设计可以改善电池单体外连接件电阻的一致性，从而改善充放电电流、电压的一致性。为电池模块的开发、大规模储能系统集成以及研制满足国际技术要求兆瓦级储能系统提供参考。
内容节选：
风电、光伏、水电以及传统的火电行业，都存在因弃光、弃风、弃水以及发电谷峰与用电谷峰不匹配带来的能源浪费问题[1-3]。 据 2016 年的统计数据，全国因弃风、 弃光而浪费的电能大约 1 000 亿 kW·h，价值数百亿人民币。 以锂电池为代表的大规模储能系统是解决这一问题的有效手段，这对电池的可靠性和使用寿命提出更高的要求[4-6]。 电池寿命受批量电池一致性、发热特性的影响显著，而电池一致性和热特性又受参数设计、结构设计、加工工艺、使用环境、成组技术和热管理方案等因素的影响。 合适的电池单体成组技术和热管理技术，可改善电池的一致性和发热性能[7]。
采用电池储能系统既可以保证上网电压的稳定，又可以补偿有功功率，不会对系统产生不利的影响。 储能电池体系主要有钠硫电池、液流电池、锂电池、超级电容器、铅酸电池以及飞轮储能、蓄水储能和压缩空气储能等[8-10]。 锂电池凭借其较高的能量效率、较长的循环寿命、合适的响应时间以及较成熟的规模化市场，在电力调频中展示了很好的应用前景。 目前，锂蓄电池已朝着大功率、高比能量和高循环寿命方向迅速发展，大型锂电池模块已经作为储能电池进入了电力储能系统[11-12]。
为开发满足国际技术要求兆瓦级储能系统，本文以 26650 电池为研究对象， 针对 100 kW·h/480 V储能电池子系统进行模块化结构设计、数值模拟和试验研究。 根据储能系统对电池子系统模块温度一致性、电压电流一致性、机械可靠性、装配工艺性以及模块标准化要求， 运用 CFD 流体传热计算机数值仿真模拟和实验方法对电池模块、集流板以及电池机柜的关键参数进行分析研究。 研究表明：合理的电池间隙不仅让冷却风与每个电池进行充分热交换，还能改善风冷通道、减少模块体积；增加斜板设计可以使模块内部各电池组冷却均匀，有效解决电池因热累积带来的温升过高问题；集流板优化设计可以改善电池单体外连接件电阻的一致性，从而改善充放电电流和电压的一致性。
详情内容请戳☟
参考文献(共12条):
[1] 金标, 周明涛, 刘方方, 等. 磷酸铁锂动力锂离子电池穿刺实验[J]. 电池, 2017, 47(1):23-26. Jin Biao, Zhou Mingtao, Liu Fangfang, et al. Nail penetration test for lithium iron phosphate power Li-ion battery[J]. Battery Bimonthly, 2017, 47(1):23-26(in Chinese).
[2] 余剑武, 范光辉, 雷吉平, 等. 动力电池组汇流排过载能力及电流均衡性影响因素研究[J]. 中·国机械工程, 2017, 28(20):2426-2433. Yu Jianwu, Fan Guanghui, Lei Jiping, et al. Research on overloading capacity of bus bars in battery module and the influence of current balance[J]. China Mechanical Engine-ering, 2017, 28(20):2426-2433(in Chinese).
[3] Lin Chunjing, Xu Sichuan, Li Zhao. Thermal analysis of large-capacity LiFePO4 power batteries for electric vehicl-es[J]. Journal of Power Sources, 2015, 294(10):633-642.
[4] Hong J S, Maleki H, Al Hallaj S, et a1. Electrochemical-ca-lorimetric studies of lithium-ion cells[J]. Journal of the Elec-trochemical Society, 1998, 145(5):1489-1501.
[5] Sauvéplane J B, Tounsi P, Scheid E, et al. 3D electro thermal investigations for reliability of ultra low on state resistance power MOSFET[J]. Microelectronics' Reliability, 2008, 48(8):1464-1467.
[6] A1-Hallaj S, Prakash J, Selman J R. Characterization of commercial Li-ion batteries using electrochemicalcalorimetrelectrochemicalcalorime-tricic measurements[J]. Journal of Power Sources, 2000, 87(s1-2):186-194.
[7] 桂长青. 温度对LiFePO4锂离子动力电池的影响[J]. 电池, 2011, 41(2):88-91. Gui Changqing. Influence of temperature on LiFePO4 Li-ion power battery[J]. Battery Bimonthly, 2011, 41(2):88-91(in Chinese).
[8] Endergast D R, Demauro E P, Fletcher M, et a1. A rec-hargeable lithium-Ion battery module for underwater use[J]. Journal of Power Sources, 2011, 196(2):793-800.
[9] 赵永胜, 韩恩山, 黄金辉. LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2/Li4Ti5O12锂离子电池的制备与性能[J]. 电池, 2011, 41(6):322-324. Zhao Yongsheng, Han Enshan, Huang Jinhui. Preparation and performance of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2/Li4Ti5O12 Liion bat-ter[J]. Battery Bimonthly, 2011, 41(6):322-324.
[10] Chen Dafen, Jiang Jiuchun, Kim C H, el. al. Comparison of different cooling methods for lithium ion battery cells[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 94(2):846-854.
[11] Bai Xiaoqing, Wei Hua. Semi-definite programming-based method for security-constrained unit commitment with operational and optimal power flow constraints[J]. IET Gener-ation, Transmission & Distribution, 2009, 3(2):182-197.
[12] Troxler Y, Wu B, Marinescu M, et al. The effect of thermal gradients on the performance of lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2014, 247(2):1018-1025.
此文章来自电源学报
链接：http://www.jops.cn/dy/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=201809170316&journal_id=dy
|
收藏
分享
津公网安备 12010402000296号