新型储能总装机将再翻一番！自学集装箱储能电池热管理设计仿真

导读：国家能源局发布的最新数据显示，截至今年一季度末，全国已建成投运新型储能项目累计装机规模达3530万千瓦/7768万千瓦时，较去年一季度末增长超210%。随着新型储能被写入政府工作报告以及国家能源局发布的《关于做好新能源消纳工作 保障新能源高质量发展的通知》等政策的支持，集装箱储能市场将迎来更广阔的发展空间。中国科学院工程热物理研究所所长陈海生预计，2024年中国新型储能总装机将再翻一番。

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专家预计，未来两年新增储能装机仍呈快速增长态势，将超额完成目前各省的规划目标。集装箱储能作为新型储能技术的重要形式之一，其市场前景广阔。2024年6月16日20时，仿真秀主办《能源与工业装备仿真专题月》第八期报告将关注《集装箱储能热管理设计和仿真解决方案》，详情见后文。

一、储能热管理设计    

储能热管理设计主要是液冷板的设计，风扇和管路接头选型，液冷/风冷机组的选型，系统的流量均匀行设计。通过以上设计适合使得电芯在合适的温度区间工作。

1、风扇的选型

目前风流主流的形式为吹风和抽风，风扇将空气推入外壳，风扇在较冷空气中运行，延长使用寿命，风扇靠近过滤器，会降低过滤器的效能和流动效率，但应用外壳内气流不均

风扇将空气抽出外壳，由于增加了风扇与过滤器的距离，优化过滤效果及经过过滤器的流量，便于根据排风温度进行闭环温度控制，外壳内气流更均匀，风扇在较暖环境下运行，但风扇寿命缩短。

集装箱式电池储能系统内部空间狭小，对风道结构设计要求较高，风道包括与空调出口连接的主风道、主风道内的挡风板、风道出口以及电池架两端的挡风板，其中主风道用于将空调输出的气流输送至各风道出口处；主风道内的挡风板用于分配各风道出口的气体流量，保证各出口流量一致；电池架两端的挡风板用于防止气流从电池架与集装箱内壁间的间隙逸出。

2、液冷机组的选型

液冷机器工作原理, 制冷剂在压缩机中经压缩，将低温低压的制冷剂气体压缩为高温高压的气体，由压缩机的排气口送入冷凝器，高温高压气态的制冷剂，进入冷凝器中，由轴流风扇对冷凝器中的制冷剂进行散热，制冷剂经降温后转变为低温高压的液态，经单向阀后送入干燥过滤器中滤除水分和杂质，经过膨胀阀节流降压输出低温低压的液态制冷剂，将低温低压液态制冷剂送往蒸发器的管路中。蒸发器中低温低压液态制冷剂，通过与冷却液进行热交换后变为常温低压气态的制冷剂，再次入压缩机中完成制冷循环。

（1）压缩机：空气中的热量被压缩机吸收，并将其压缩成高压气体。这个高温、高压的气体通过管道输送到冷凝器。

（2）冷凝器：当高压气体通过冷凝器时，它被冷却并转化为液体。这个液体流经蒸发器，然后到达膨胀阀。

（3）蒸发器：蒸发器内的液体被蒸发成低压气体，吸收周围的热量。该气体通过管道进入压缩机，重新开始循环。

（4）膨胀阀：膨胀阀控制着高压气体流入蒸发器的速度。它保持系统的压力稳定，并确保制冷剂以恰当的速度流动。

储能系统的液冷回路采用并联方式，各支路采用变径设计，保证各个电池包冷却液的流速和流量均衡,液冷机组的选型关系到整个系统的cop，具体的选型计算，直播时在和大家讨论

3、液冷板的设计和选型

目前储能主流的两种工艺液冷板，型材+摩擦焊接和冲压钎焊

• 型材+摩擦焊接

利用挤压工艺将冷板流道直接成型，再通过机加方式打通循环，通常采用摩擦焊接、钎焊焊接等焊接工艺进行密封，此工艺生产效率高，成本低；具有可靠性好、承重能力好、表面平整度好、换热效果好等优点，但由于其厚度较厚且加工方式复杂，因此成本高、重量重且空间占有率高。

• 冲压钎焊薄板/冲压钎焊下地板

冲压式液冷板具有流道可任意设计、接触面积大、换热效果好、生产效率高、耐压与强度好等优点，但由于其需要开模，因此成本较高，且对平整度要求高，安装难度大。

二、热管理仿真分析

本文研究电池机柜由8个电池PACK串联组成，电池簇采用液冷方式冷却，成组方式为1P416S，电池包采用1P52s串并联，主要包括：上下箱体，液冷板，导热垫、隔热护板、绝缘板、模组等结构，由4个模组成，每个模组由13个320Ah方形电芯组成，电芯发热量充电16.29W，放电14.08W。液冷板采用冲压加钎焊的加工工艺，流道定义的自由度较高。液冷热管理系统由液冷板、液冷机组、液冷管路、高低压线束和冷却液组成。

1、冷却策略

当 Tmax≥32 ℃时，开启制冷模式，冷却的目标值为20℃，当 Tmax≤27 ℃时，停止制冷模式，进口的流量为40L/min。

2、前处理

通过分析数模的结构组成及各部件的作用以评估各部分对热系统的影响，进而决定对部件的保留、简化、还是舍弃。模型简化的原则，在尽可能仿真精度的情况下，通过简化减少网格的数量同时提高网格质量，提高计算效率。

流场模型前处理：在处理几何模型时，应保留所有管道的内径和液冷板内流道尺寸不变，对管路弯曲、管道变径、局部弯头等细节特征保留，水管要做到不扭曲，弯角过度平滑，同时保证简化后接头装配良好，对管路、接头、冷板的外部可进行适度的简化以减少网格量。

模组箱体前处理：模型中的线束、挂耳、螺丝螺套、铜排、bms管理部件等对热管理系统影响较小，可舍弃；对于热管理系统影响较大的零件几何特征可以适当简化，如倒角结构、结构对齐等。简化完成后，检查整个模型是否有干涉和其他问题，如有问题，可用ANSYS-SCDM软件对其进行修复，如无问题，可利用SCDM对模型进行流体域的抽取。

3、仿真分析

在环境温度为 25 ℃的情况下进行充电0.5C+放电0.5C+静置30min循序2次仿真，冷却系统进口目标温度20℃，流量40L/MIN，在整个充电过程中，监测各电池包的温度变化情况，电池监测点最高温34.6℃，其最大温升小于 10 ℃，最大温差4.9℃。NTC在2715s最高温达到32℃，空调系统开始工作，开启水泵和制冷，进口目标温度20℃，充放电过程中，冷却系统出口温度稳定后在22.5℃波动，进口温度维持在20℃。

通过仿真验证表明，储能系统温度一致性较好，但仍有优化空间，温升符合要求，液冷集装箱系统减少了内部风道的设计，采用外维护系统，不用设置内部走廊空间，采用大电池包设计，最大限度地提高了能量密度。

三、集装箱储能热管理公开课

2024年6月16日20时，仿真秀主办《能源与工业装备仿真专题月》第八期报告将邀请仿真秀优秀讲师——LEVEL做《集装箱储能热管理设计和仿真解决方案》线上报告。感兴趣的朋友可报名，支持反复回看。以下是讲座安排：

能源与工业装备仿真（八） ：集装箱储能热管理设计和仿真解决方案-仿真秀直播