全电动船舶HAWKER蓄电池(BESS)的热均衡设计

选用全电动船只是应对航运业气候改变和污染环境应战的重要一步。本研究具体论述了一艘2000吨级散货船的电池储能体系（BESS）及其风冷热办理体系的优化规划。与将气流分为8个横向分支的传统分流器（FS-I）比较，引入了两种新型规划——FS-II（将气流分为2、4和8个分支）以及FS-III（将气流分为2、4、8和16个纵向及横向分支）。FS-II将活动均匀度从0.42（FS-I）提高至0.86，但导致压降增加至881.47 Pa。FS-III进一步将活动均匀度提高到0.97，同时将压降降低至191.99 Pa。在极点条件和整个飞行周期下，别离对选用FS-I、FS-II和FS-III的三组电池箱进行了热功能归纳评价。FS-III体现出更优异的热调理才能，在整个飞行过程中始终将最高温度控制在33.9 °C以下。这些发现为电动船只热办理体系的规划供给了名贵的见解。

图文摘要

航运业作为全球交易的支柱[1]，承当了世界总交易量的90%[2]。但是，正如Sun等[3]所指出的，该职业对重油的依靠导致其贡献了全球近3%的CO2排放量。Suneet Singh等[4]和Wang等[5]强调，发展电动船只是航运业减缓碳排放的有用战略。Maja等[6]评价了用电动代替计划替代柴油动力船只的环境和经济效益，结果显现CO2排放削减了46%，NOx排放削减了98%，运营本钱降低了约30%。Hee等[7]猜测，到2035年，改造传统船只可将美国航运业的温室气体排放量降至2022年水平的73%。Sina等[8]和Kersey等[9]经过剖析锂离子电池的价格趋势，进一步证明了电动船只的经济可行性。电动船只的发展为这个严峻依靠传统燃料的职业供给了一种可持续的代替计划。
作为电动船只的主要动力源，Battery Energy Storage System (BESS) 必须将其温度维持在恰当规模内以保证安全运转[10]。与电动轿车比较，海洋储能体系需求更大的容量来满足续航需求，因而运用更多且更大的电池单元。此外，高温、高湿和盐雾等苛刻的海洋环境对热办理体系的功率和耐用性提出了更高要求。Li等人[11]强调了海洋电池的严格安全要求，而Zhang等人[12]深入剖析了电池热失控问题，并开发了热失控的多标准猜测模型。Wang等人[13]提出了优化电动船只电池柜散热的战略，为热办理体系的规划供给了要害数据和理论基础。Chang等人[14]探讨了开发船只锂电池办理体系所面临的应战，Fang等人[15]则综述了大容量海洋储能体系，并提出了进一步改进的建议。
近年来，marine battery热办理技能取得了明显发展，特别是在提高安全性和冷却功率方面。Nasiri等[16]总结了冷却办法和安全措施的创新发展，而Li等[17]为轿车热办理技能在船只上的运用供给了名贵见解。Shi等[18]强调了运用耐腐蚀资料和简化规划关于保证长时间可靠性及削减维护需求的重要性。各种技能计划各有利弊。Wei等[19]指出，虽然liquid cooling技能具有高冷却功率，但其体系架构复杂且本钱高昂[20]。Phase Change Material (PCM)冷却技能能明显降低能耗[21,22]，但其高昂的本钱和空间要求约束了它在小型船只上的运用[23]。Thermoelectric cooling体系以其紧凑的规划和易于集成的特色著称[24]，却存在能量功率低且依靠外部能源的问题[25]，这约束了它们在船只上的运用。关于中小型电动船只而言，air-cooling技能因其简略、低维护和高性价比已成为主要关注点。Fan等[26]证明了air-cooling在海洋环境中的可行性，Ortiz等[27]则对锂离子电池ther方面的最新发展进行了全面综述。
在风冷热办理技能中，保证均匀的气流散布关于维持电池组温度的一致性、防止局部过热、提高冷却功率、延伸电池寿数以及降低热失控等安全风险至关重要。此外，均匀的气流可以最大限度地削减能量损失并提高整个体系的功率。为了完成这一方针，研究人员正致力于优化导风管规划和气流散布战略。Kwon等人[29]结合运用挡风板和循环器，使电池最高温度和平均温度别离降低了11.9%和11.17%。Feng等人[30]提出并优化了一种对称式电池热办理体系，证明其在4C放电倍率下具有优异的冷却功能和相对较低的能耗。Zhu等人[31]经过选用锥形出口和挡风板改进了气流均匀性，而Li等人[32]则经过增加进气和排气歧管的数量来优化U型风冷体系，从而增强了气流散布。
现有研究表明，传统的流道规划辅以挡板和导流片，在恒定进口条件下可以完成均匀的流量散布。但是，这些规划在面临动态改变的进口条件时往往体现欠安。在实际运转中，电池发热量不断改变，要求热办理体系相应地调整其冷却才能，以满足能效方针。因而，体系可以在宽规模的进口流量下保持均匀的流量散布至关重要。为应对这一应战，本文引入了两种分流器——FS-II和FS-III——专门针对风冷并联流道规划，以保证在明显的流量波动下仍能完成有用分配。文中供给了全面的剖析，突出了分流器的功能优势，并探讨了结构参数对其有用性的影响。此外，本研究验证了装备FS-III的电池箱在一个完好运转周期内的温度控制才能，证明了该规划的有用性。这些发现为优化电动船只的热办理体系供给了名贵的见解。

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本研究具体论述了一艘2000吨级散货船的BESS及其风冷热办理体系的优化规划，重点关注热办理体系中温度均匀性的优化。首要，依据船只运转需求准确核算BESS容量，归纳考虑本钱、能量密度及职业标准挑选合适的电池单元，并对其热特性进行剖析。随后规划了带有分流器的风冷平行流模型，并对分流器进行了结构优化。最终，经过实际船只运转工况下的仿真验证该规划的有用性与可行性。研究方针总结如下：a. 规划适用于风冷平行流通道的分流器；b. 优化分流器以平衡流量散布均匀性、压力损失与空间功率；c. 在船只运转工况下验证BTMS的功能。