霍克蓄电池储能系统热管理中的导流板与孔板优化

跟着可再生能源的普及，储能体系的快速发展为处理可再生能源消纳问题供给了新思路[1]。电池储能体系（BESS）作为常见的储能方式，经过电化学能与电能之间的彼此转化实现能量的存储与释放。锂离子电池[2]因其高能量密度、无回忆效应和长循环寿数等优势，在BESS中得到广泛使用。但是，跟着电池储能体系（BESS）能量密度的不断进步，电池热失控引发的安全问题日益凸显[3]。曩昔五年间，全球储能电站火灾爆破事故已超越30起[4]。2018年，韩国某水泥厂[5]因BESS起火爆破导致300万美元经济损失；2019年美国一处2MW的BESS发生爆破，形成8人受伤[6]。因而，为BESS规划安全高效的电池热办理（BTM）体系至关重要。
另一方面，电池功能与工作温度密切相关。一般而言，锂离子电池的最佳工作温度范围为288.15K至308.15K[7]。温度过高会加速电池老化并影响预期寿数，而温度过低则会导致内阻增大进而影响电池功能[8]。此外，电池储能体系（BESS）包含很多单体电池模块，各电池模块间的温度均匀性也会严重影响体系功能、健康状况及使用寿数[9]。Tian等[10]的研讨标明，当温差从2K增大至5K时，电池模块寿数将缩短30%。Feng等[11]则证实最大温差每增加5K会导致1.5%∼2%的容量衰减。因而，必须将BESS的最大温差控制在5K以内[12]。
电池储能体系(BESS)中的锂离子电池在充放电进程中会产生很多热量。现在干流的电池热办理(BTM)办法包含空气冷却[13]、液体冷却[14]、相变材料冷却[15]、热管冷却[16]以及混合冷却办法[17]。与其他冷却办法不同，空气冷却凭仗其装备简单、安全性高且成本低价的优势[18]，被广泛使用于大规模BESS中。此外，优异的气流均匀性是保证BESS温度均匀性的关键因素。因而，众多学者针对不同空冷场景打开了广泛研讨以进步送风均匀性。Chen等[19]选用牛顿算法优化了进出风管道的锥角，优化后温度均匀性明显改进。Zhang等[20]在平行空冷结构进风管道设置扰流板以进步冷却功能，当扰流板视点为80°时，最高温度与最大温差别离降低了2.11 K和2.77 K。Sheng等文献[21]提出一种非笔直改进型Z字风道结构与传统Z型风道进行对比，电池模组的最高温度与最大温差别离降低4.01K和0.62K。Chen等[22]对电池模组进出风口位置进行数值优化，结果标明对称结构比非对称结构具有更优的冷却功能，且最大温差小于3.0K。Wang等[23]探讨了电池布局结构与空气供给战略对电池模块热功能的影响。结果标明，选用5×5方形布局与顶部供气计划时，电池模块的温度均匀性到达最优。Mahamud与Park[24]以及Na等[25]别离选用周期性往复气流与分层气流处理了电池模块固有的温度梯度问题，研讨证实该办法可明显进步电池模块的温度均一性。
上述学者均以小型电池模组为研讨目标，研讨主要环绕风道结构改进、电池布局结构优化及送风战略立异等方面打开。但是针对大规模电池储能体系（BESS）的热办理研讨较为匮乏。因为包含更多电池模组，BESS更简单呈现温度散布不均现象，进步各电池模组的送风均匀性成为保证体系温度均匀性的关键。现在，电池储能体系（BESS）的现有热办理战略存在送风特性过量且不均匀的问题[26]，仍需进一步优化。Xu等[27]经过加装导流板对储能集装箱的气流散布进行优化，结果标明平均温度、最高温度及最大温差别离降低了4.57K、4.30K和3.65K。但优化后的集装箱仍坚持39.50K的较大温差。Yan等[28]优化了电池储能体系顶部空调百叶窗的视点。当百叶窗视点为90°时，体系的平均温度与最大温差别离降低了18.00%和23.00%。Zhu等[29]选用个性化送风代替粗放式送风，主要优化了风道内挡板的数量与视点。根据送风均匀性系数评估风道改进效果，该系数值越小标明体系送风均匀性越好。在最优计划中，体系送风均匀性系数从60.3%降至12.6%。
此外，在实践使用进程中，数据中心（服务器机架）与电池储能体系（BESS）在散热场景上的相似性，使得将数据中心的处理计划迁移至BESS热办理问题成为可能。现在数据中心选用的送风优化战略主要包含三种办法：改进送/回风方式、优化机柜布局位置以及进步架空地板气流组织特性[30]。Lu等[31]体系分析了冷通道关闭与热通道关闭两种办法的优势与局限性。在不考虑成本的情况下，冷通道关闭计划具有更优的散热功能。Yuan等[32]在机柜进风口处设置柔性挡板以改进气流组织，当挡板视点为75°、长度为200 mm时，体系冷却功能到达最佳状况，热点温度降低了1.5 K。Cho和Kim[33]选用机柜顶部挡板结构，有用避免了冷热气流直接短路现象，优化后温度差异减少超越5 K。Nada和Said[34]的研讨标明，当架空地板高度为600 mm、孔隙率为0.2时，空气冷却体系具有最佳冷却功能。受数据中心制冷计划的启示，Lin等[35]有用处理了空气旁通问题。选用地板送风-天花板回风模式时，体系温度均匀性到达最优。与传统送风模式相比，该体系最大温差与平均温度别离降低了27.7 K和5.8 K。
综上所述，已有研讨标明传统大范围送风办法存在送风量大、气流散布不平等问题。受数据中心热办理技能启示，选用全关闭风道可避免冷热气流触摸，从而进步电池储能体系（BESS）的冷却效果。此外，Zhu[29]等学者经过在冷却风道内设置很多挡板来改进送风均匀性。但该结构需在风道内装置超越500块挡板，极大增加了BESS的规划复杂度。优化后体系的最大温差为13℃。15 K，这一数值仍未能满足BTM最大温差小于5 K的要求。因而，为进步送风均匀性并简化风道结构复杂度，本研讨提出一种新型复合风道结构。导流板的规划可处理各电池柜之间及各电池模块之间送风散布不均的问题，而孔板规划则能处理主风道至支风道、支风道至电池模块的气流散布不均匀问题。基于正交分析法，完成了支风道与主风道导流板结构的优化规划。结合功耗分析，确认了风道孔板的孔隙率。经过上述风道结构，可将电池储能体系（BESS）的送风均匀性系数与最大温差别离控制在10%和5K以内。总体而言，本研讨可为未来BESS风道规划与优化供给思路。