先进的储能系统：电池风冷和相变材料PCM热管理仿真不可少

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：随着新能源技术的快速发展，储能系统的应用需求也逐步增长，锂电池储能具有环境友好、比能量高和循环特性较好等优点，在电化学储能中占据着主导地位。随着电池容量、系统功率密度的扩张，储能系统在进行充放电时会产生大量的热量，锂电池的热安全性和成组热寿命问题制约着储能系统的发展。

因此，设计一个冷却性能优异的储能电池热管理系统至关重要，传统的单一空气冷却系统已经无法满足日益增长的散热需求，复合式热管理系统可以实现优势互补，提高冷却性能，相变冷却具有系统简单，所需能耗少，恒温吸热等优点，对电池组具有较好的控温效果，被认为具有广泛的应用前景。

一、基于空气冷却的热管理

空气冷却散热采用空气作为换热介质，根据冷却形式的不同，可以分为被动式冷却和主动式冷却。被动式冷却是指不借助任何辅助能量，采用自然风进行冷却换热，其结构简单，成本低，但是冷却效果差，受限于自然环境且散热性能无法控制。主动式冷却采用强制对流进行换热，借助风扇将低温空气送至电池模组，进行热量交换后从出风口排出，因其具有体积小、结构简单、设计灵活性高、成本低、和可靠性高的优点，在工程实践中得到了较为广泛的应用。

在风冷设计中电池组设计改进包含了电池排列形式和电池间距两方面的研究工作，如下图，对齐排列具有最佳的冷却性能和温度均匀性，其次是交错排列，最后是交叉排列；冷却性能随进气速度的增加而增加，然而，冷却性能的改善有一个阈值，因为随着进气速度的增加，功耗呈指数增长。

冷却通道的优化是风冷系统优化中较为重要的一部分，合理的搭配送风口位置和送风速度，可以在电池尾部产生绕流效应进行高对流换热，从而改善冷却性能，新型的空气冷却设计，如空气分布管的新颖冷却通道。如图所示，空气分配孔沿纵向排列作为子流道，气流管道上均匀排列的孔口将进入的冷空气分配到电池单元的不同部分，通过电池单元之间的空隙将热量吹向电池组的四个边缘。

通过改变进出口的数量和位置来优化气流组织的路径，或者添加扰流结构来改变气流的流向，都不失为提高冷却性能的有效方法。如图所示，不同风冷BTMS 的入口/出口位置，经过CFD 模拟后得出结论，最佳入口和出口位置均位于电池组宽度侧的中间，与最初的“Z 型”通道设计相比，最高温度降低了4.3 K，而最大温差降低了6.0 K。

二、基于相变材料的热管理

相变冷却系统利用相变材料（Phase Change Materials，PCM）在相变过程中的高潜热性吸收或释放热量，进而实现对电池组进行换热。PCM 由于其固有的优点，如高潜热、高比热和相变过程中体积变化小、化学稳定性好、无毒、无腐蚀性以及降低冷却系统复杂度，被认为具有广泛的应用前景。尽管PCM 有很多优点，但限制其应用在BTMS 的最大阻碍因素之一是PCM 的低导热性，因此，当前对于相变冷却系统的研究方向大多为制备高导热性的复合相变材料（Compound Phase Change Materials，CPCM）或借助金属翅片、金属泡沫来构建传热网络进行加强传热，从而达到对电池组高效散热的目的。

1、使用金属材料改性的CPCM

金属泡沫是一种具有多孔结构的多孔材料，孔隙通常充满液体和气体。材料的骨架部分通常称为基质，金属泡沫基质随机分布在金属泡沫内部。多孔结构在PCM 中的连续分布提高了热导率，使融化和凝固过程更加均匀。如图所示的以铜纤维为支撑材料的石蜡基CPCM，用自然空气冷却、纯石蜡、泡沫铜/石蜡CPCM、铜纤维/石蜡CPCM 测试了BTMS 的热管理能力，结果表明，铜纤维/石蜡CPCM 能有效提高传热性能和电池温度的均匀性。

2、使用碳材料改性的CPCM

碳材料因其高导热性和低密度的优异性能而成为提高导热性的最佳填充剂之一。常见的碳基材料有碳纤维、碳纳米管、石墨烯和膨胀石墨等，其中膨胀石墨具有优异的导热性并易于结合有机PCM，被广泛用于提高PCM 的导热性。压实的膨胀石墨具有高表面积与体积比的多孔结构，膨胀石墨基质的毛细力可以将PCM 拉入基质中，通过这种方式，增加PCM 热导率的同时也防止融化后发生泄漏。

3、复合热管理系统

在储能系统热管理领域，随着储能系统容量越来越高，电池越来越集中，放电倍率越来越大，由于空气固有的比热容低，导热系数低的问题，单一的空气冷却技术已不能满足日益增长的散热要求。此外，不同于电动汽车的单一电池包结构，储能集装箱内部是由众多的电池包构成，已有的储能热管理方案大多是从集装箱整体出发进行设计，缺少对内部单个储能电池包以及单个储能电池的个性化热处理方案的研究。

在传统空气冷却的基础上借助PCM 的吸热特性可以更加高效安全的对储能系统进行热管理，然而在过去对空冷-相变复合式热管理系统的研究中，其应用对象主要为电动汽车，因内部空间限制，空气冷却和相变冷却无法得到很好的结合，具体表现在空气冷却无法参与电池放电时的控温过程以及在PCM 潜热恢复期间空气冷却对内层PCM 不能及时的冷却，这无疑增加了系统的不稳定性。储能系统对于内部空间的要求比电动汽车的要求宽松很多，这为相变冷却与风冷的结合提供了有利的条件，因此，当单一的风冷技术已经不能满足日益增长的储能系统的散热要求时，新型的复合热管理技术成为亟待解决的重要内容。

4、PCM 特性

自然界中的很多物质是以多种状态存在的，当物质从一种状态转变为另一种状态时，即发生相变，在相变的过程中吸收和释放大量的能量且保持温度不变，这类材料被称为PCM。PCM 种类非常多，根据相变形式可以分为固-固相变、固-液相变、固-气相变等；根据材料类型又可分为有机PCM、无机PCM 和共熔物。

不同的PCM 应用于不同的需求中，应用在电池热管理系统中的PCM 应具备以下特性：

（1）相变温度适宜；

（2）具有高潜热，高导热，高比热容；

（3）化学稳定性好；

（4）无毒，无腐蚀；

（5）易于封装，成本低廉；

（6）具有一定的阻燃性和隔热性。

在电池热管理方向，目前的研究主要集中在有机PCM，如石蜡、聚乙二醇和有机酸等。其中，石蜡作为一种常见的固-液相PCM，具有成本低廉、化学稳定性好、相变温度范围选择广和相变潜热大等优点，较为符合电池热管理的需求，但其导热系数较低。常见的增强石蜡传热的方法有添加膨胀石墨制成CPCM或者耦合金属翅片。

四、相变传热模型

求解相变传热问题主要有显热容法和焓法，其中，显热容法适合研究PCM 为单一成分且相变温度较为固定的传热过程，该方法分别对液相区和固相区建立能量方程，进行温度分布的求解；焓法模型不仅可以用于求解单一成分的PCM 的传热过程，也可以用于求解CPCM 传热，CPCM 在相变过程中存在一个固液两相糊状共存区，这里的相变温度是一个范围，该方法把焓作为因变量，在整个相变区域建立统一的能量方程。

五、相变仿真模型有效性验证

Yang 等人通过实验对包裹在18650 电池外面的石蜡的融化过程进行了研究，并使用摄像机拍下了石蜡在不同时刻的融化情况，其实验模型示意图如图所示。

按照实验模型建立了仿真模型，模型从内向外分别是电池、石蜡、外壳以及隔热底座，其中电池的产热是由内置加热棒实现的。

仿真模拟结果与实验对比如图所示，从图中可以看出，实验结果与模拟结果存在着少许误差，模拟中PCM 的融化形式和实验中的融化形式略有差别，但是整体趋势相符合。

六、储能电池箱风冷和相变材料复合冷却仿真方法

传统的在石蜡中添加膨胀石墨制成高导热的CPCM，还是耦合金属翅片来增强传热，均可以有效的弥补石蜡热导率低所导致的散热不及时，电池温度过高的不足。但同时也存在着一些缺点，在与风冷进行耦合时，无法充分利用风冷来提升冷却性能，耦合效果差，在整个放电过程中，几乎完全依赖相变冷却进行散热，降低了整个风冷-相变冷却系统的可控性和稳定性。此外，风冷在恢复相变潜热的过程中首先是对最外侧的PCM 进行恢复，位于内侧的PCM则最晚得到恢复，降低了风冷-相变冷却系统的性能和效率。为解决上述问题，提出了一种新型风冷-相变复合式锂电池储能电池组散热结构，该结构可以较好的将风冷与相变冷却进行耦合，提高了系统的冷却性能和稳定性。

1、储能电池箱模型

风冷-相变复合式储能电池组分别由电池模块，CPCM 模块，内壳模块以及外壳模块组成，其中CPCM 模块填充的是石蜡和膨胀石墨制成的CPCM，厚度为3mm，在内壳模块中，内壳的两侧壁面分别与CPCM 模块和电池模块接触，中间通过竖直翅片进行连接并预留空气流道供气体流通，电池组的排列方式为顺序排列，内壳与外壳的材料均为合金。

组成的电池箱模型如图，通过PCM与风冷对电池箱进行复合冷却。

2、电池组网格划分

电池组模型结构相对复杂，包含着细小的狭缝与薄壁外壳，使用结构性网格进行划分较为困难，因此，通过STAR-CCM+进行了非结构性网格的划分。模型中包含了气相、固相和液相，为了增加流体流动的稳定性和提高模拟的准确度，在外壳表面和液相区进行了网格加密并添加了边界层。

3、STAR-CCM+仿真模拟设置

电池模组内的换热过程非常复杂，其中包括外壳与空气的对流换热、翅片的导热与对流换热、PCM 融化过程中的导热与对流换热，采用强制通风结合相变冷却的方式对电池组进行冷却，气流经送风口进入电池组箱体中，流经电池外壳表面，与外壳和翅片进行对流换热后从出风口离开，整个流动过程较为复杂。

计算类型属于流固耦合换热，划分网格时需要注意流体与固体交界面的处理。交界面的类型设置为耦合传热类型；箱体入口处设置为速度入口，出口处设置为标准压力出口，静压值为一个标准大气压；电池内部设置为固定热源，电池箱体壁面与外界环境进行自然对流换热，壁面无相对滑移。

4、储能电池箱风冷和相变材料复合冷却结果分析

如图所示为电芯温度变化，在开始阶段，电芯生热导致电池温度逐渐升高，当相变材料PCM到达41℃熔点后，相变材料开始融化，融化过程吸收大量的热，且融化过程温度保持恒定，使得电池温度进入一个缓慢的平台期，当石蜡融化完后，电池温度在迅速升高，该过程充分说明了，在有相变材料时，相变材料融化吸热，能够控制电池的温度基本不升高，这也是相变材料的优势。