中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
本文亮點(diǎn)：（1）在針對(duì)單個(gè)電池盒的優(yōu)化過(guò)程中，相對(duì)于在上壁面開(kāi)孔，采用側(cè)壁開(kāi)孔的方案能夠獲得更為優(yōu)越的性能表現(xiàn)。這種優(yōu)勢(shì)在于，在單個(gè)電池的情況下，溫度差從過(guò)去的6.01 K減少至3.68 K，降幅達(dá)到28.2%，從而充分滿足了電池的散熱需求。（2） 在整個(gè)電池堆熱優(yōu)化過(guò)程中，通過(guò)在側(cè)壁開(kāi)孔的策略，成功將單列電池架內(nèi)的最大溫差從7.66 K降低至4.32 K，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)43.6%的顯著改善。（3） 開(kāi)孔數(shù)量并非越多越好，開(kāi)孔孔徑也不是越大越好，優(yōu)化效果與這些參數(shù)并非線性關(guān)系。但各種開(kāi)孔工況都成功降低了溫度差。因此，開(kāi)孔設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)電池箱內(nèi)溫度場(chǎng)的更均勻分布，從而提升整體散熱效果。
摘 要 針對(duì)當(dāng)前儲(chǔ)能電池系統(tǒng)熱管理仿真研究存在忽略電池堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)熱性能影響的問(wèn)題，本文引入了精細(xì)化熱設(shè)計(jì)理念，提出了一種基于電池箱體開(kāi)孔的溫度均勻性調(diào)配方法，并借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真模擬方法，系統(tǒng)考慮了開(kāi)孔數(shù)量和大小對(duì)電池?zé)嵝阅艿挠绊?，并從中篩選出優(yōu)化的電池盒設(shè)計(jì)方案。研究結(jié)果表明，在針對(duì)單個(gè)電池盒的優(yōu)化中，相較于在上壁面開(kāi)孔，通過(guò)在側(cè)壁開(kāi)孔能夠獲得更為優(yōu)越的性能。這一優(yōu)勢(shì)在于，單個(gè)電池的溫差從過(guò)去的6.01 K降低至3.68 K，降幅達(dá)28.2%，從而充分滿足了電池的散熱需求。進(jìn)一步地，在整個(gè)電池堆層面，通過(guò)在側(cè)壁開(kāi)孔的方式，得以將單列電池架內(nèi)的最大溫差從7.66 K減少至4.32 K，大幅度提升了43.6%。該研究結(jié)果在電池堆外風(fēng)管與電池箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了耦合熱求解，為未來(lái)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的熱管理策略提供了有益的參考。
關(guān)鍵詞 儲(chǔ)能電池；溫差；開(kāi)孔；熱管理；電池芯
儲(chǔ)能技術(shù)是推動(dòng)世界能源清潔化、電氣化和高效化，破解能源資源和環(huán)境約束，實(shí)現(xiàn)全球能源轉(zhuǎn)型升級(jí)和“雙碳”目標(biāo)的核心技術(shù)之一。然而儲(chǔ)能電池堆在工作的時(shí)候由于排列緊密導(dǎo)致熱流密度大，產(chǎn)生大量的熱能，若散熱不及時(shí)，會(huì)造成電池堆內(nèi)溫度分布不均勻，電池堆內(nèi)催化劑達(dá)不到最佳活性點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致電池的壽命顯著下降。因此，儲(chǔ)能電池的熱設(shè)計(jì)和熱分析技術(shù)得到了普遍的重視和發(fā)展。風(fēng)冷以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)成為電池散熱的一個(gè)重要的研究方向。然而，由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)低，風(fēng)冷式BTMS存在溫度均勻性差、散熱能力有限等不足之處。因此，為了提高風(fēng)冷式BTMS的冷卻性能，人們進(jìn)行了大量的研究，主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和流動(dòng)配置改進(jìn)上。
Xun等研究了電池放電過(guò)程中的熱行為，發(fā)現(xiàn)冷卻通道的逆流布置或周期性的改變共流布置的流動(dòng)方向有助于熱管理。Na等研究了一種新型的電池結(jié)構(gòu)，并對(duì)其內(nèi)部隔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，比較了不同氣流配置(即單向氣流和反向分層氣流)對(duì)電池組的影響。他們發(fā)現(xiàn)，反向分層的氣流顯著改善了溫度均勻性。結(jié)果還表明，相鄰電池之間的距離對(duì)最高溫度和溫度均勻性有顯著影響。Chen 等對(duì)U型流并聯(lián)風(fēng)冷BTMS的冷卻效率進(jìn)行了研究，并通過(guò)優(yōu)化氣腔寬度和進(jìn)、出口寬度對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。Liu等研究了一種新型的J型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并在J型、U型和Z型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，顯著降低了電池包的最高溫升。Zhang等在傳統(tǒng)U型和Z型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了風(fēng)冷T型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(T-BTMS)。與Z-BTMS和U-BTMS相比，T-BTMS在提高冷卻性能方面更有效，且功耗更低。并探討了電池布局、頂部?jī)A角、進(jìn)出口結(jié)構(gòu)參數(shù)、冷卻管道和控制變量對(duì)T-BTMS冷卻性能的影響。在冷卻管道中增加擋板和調(diào)整電池間距，大大提高了BTMS的冷卻性能。與原始模型相比，最大溫度和最大溫差分別降低了2.2%和90.8%。
上述研究極大地改善了空氣冷卻的效率，但是現(xiàn)有的集裝箱儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的熱管理方案卻存在著送風(fēng)不均且阻力特性較大等問(wèn)題。王曉松通過(guò)在風(fēng)道內(nèi)部布置擋板的方式來(lái)對(duì)集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使得流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布更加均勻。張子峰等對(duì)某型集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了散熱仿真，通過(guò)在風(fēng)墻入口位置設(shè)置合理的導(dǎo)流板，保證了儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部電池溫度的均勻性。王麗娜等通過(guò)改變導(dǎo)流板的漸縮和漸擴(kuò)情況，保證了流場(chǎng)的均勻性同時(shí)減少了渦流的產(chǎn)生。梁昌杰等在電池組間隙中加入導(dǎo)流板，通過(guò)改變導(dǎo)流板形狀、位置等結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究電池系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布情況，得到導(dǎo)流板相對(duì)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)一步提高電池的輸出功率、安全性以及壽命。Lin等提出了一種改善電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)氣流分布的解決方案，對(duì)冷卻性能進(jìn)行了定量分析，并研究了給定操作配置下的流動(dòng)模式。改造后的電池單體最大溫差由31.2 ℃降至3.5 ℃，平均溫度由30.5 ℃降至24.7 ℃，性能系數(shù)(COP)提高4倍。Khaboshan等研究了矩形、三角形、梯形、工字型和波浪型等不同翅片形狀對(duì)最佳BTMS的影響，結(jié)果表明，PCM、金屬泡沫和翅片組合的最佳BTMS可使電池表面溫度降低3 K。Kwon等提出了一種新型的帶有導(dǎo)風(fēng)器和流動(dòng)循環(huán)器的ESS結(jié)構(gòu)，對(duì)熱泵排風(fēng)角和導(dǎo)風(fēng)角對(duì)熱泵冷卻性能的影響進(jìn)行了數(shù)值研究，電池架的最高溫度和平均溫度可分別降低11.9%和11.17%。Zhu等提出了一種新型的集裝箱儲(chǔ)能電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，將主風(fēng)道送風(fēng)口采取漸縮的形式，在主風(fēng)道出口上方設(shè)置導(dǎo)流板使得主風(fēng)道出口風(fēng)速的均勻性得到極大地改善。在子風(fēng)道上端六個(gè)出口處加設(shè)角度為45°的導(dǎo)流板有效地提高了出風(fēng)的均勻性。
以上學(xué)者的研究主要集中在風(fēng)道通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)力輸配和電池箱內(nèi)部熱特性的獨(dú)立研究上。雖然也有一些學(xué)者對(duì)集裝箱內(nèi)的風(fēng)道和電池箱進(jìn)行了耦合性能研究，但由于計(jì)算模型的復(fù)雜性，導(dǎo)致了龐大的計(jì)算網(wǎng)格量，進(jìn)而極少關(guān)注電池箱內(nèi)部芯體的熱性能。因此，為了解決上述問(wèn)題，本文在考慮集裝箱送風(fēng)管路風(fēng)力輸配的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬技術(shù)，研究了風(fēng)道系統(tǒng)通風(fēng)后電池內(nèi)部單個(gè)芯體的溫度分布情況。同時(shí)，本研究提出了通過(guò)在電池盒中開(kāi)設(shè)適當(dāng)開(kāi)孔的措施，優(yōu)化電池之間的溫差，從而最終實(shí)現(xiàn)舒適性的目標(biāo)效果。本文的研究結(jié)果旨在為優(yōu)化電池集裝箱設(shè)計(jì)提供新的思路，并為電池芯溫度管理策略的制定提供有益的見(jiàn)解。
1 計(jì)算模型與理論基礎(chǔ)
1.1 幾何模型
本文所描述的儲(chǔ)能電池系統(tǒng)及設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。電池架由7個(gè)電池柜組成，從左到右依次為1~7號(hào)電池柜，每個(gè)電池柜疊放有10個(gè)電池箱。每個(gè)電池箱內(nèi)放置4×4個(gè)電池，電池之間緊密均勻排布，電池箱采取由兩側(cè)送風(fēng)的冷卻方案，在電池箱的兩個(gè)側(cè)壁設(shè)置送風(fēng)入口，在電池箱的前后箱壁設(shè)置出風(fēng)口，如圖2所示。冷卻風(fēng)道由一個(gè)主風(fēng)道和13個(gè)子風(fēng)道組成，從左到右依次為1~14號(hào)子風(fēng)道，其中2~5號(hào)、8~13號(hào)子風(fēng)道為兩兩共用一個(gè)壁面的雙側(cè)子風(fēng)道，1號(hào)、6號(hào)、7號(hào)及14號(hào)子風(fēng)道為不具有共用壁面的單側(cè)子風(fēng)道，在各子風(fēng)道上面開(kāi)設(shè)有出口，從上到下依次為1~10號(hào)送風(fēng)出口。主風(fēng)道出口上方和子風(fēng)道上端六個(gè)出口處設(shè)置導(dǎo)流板，使得冷卻空氣相對(duì)均勻；在冷卻風(fēng)道出口與電池箱進(jìn)口之間采用管道連接。設(shè)計(jì)的冷卻方案為冷卻空氣從送風(fēng)口進(jìn)入后，由主風(fēng)道分配給子風(fēng)道，再由子風(fēng)道分配給電池箱，冷卻空氣完成對(duì)電池的冷卻后通過(guò)電池箱上的出風(fēng)口流出，至此整個(gè)冷卻過(guò)程結(jié)束。
圖1 儲(chǔ)能電池系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)
圖2 電池箱幾何結(jié)構(gòu)
1.2 邊界條件
本文中，分別采用恒定速度和恒定壓力作為入口和出口邊界條件，入口速度設(shè)置為2.91 m/s(進(jìn)風(fēng)量為3200 m3/h)，絕熱條件施加于除了電池表面之外的所有壁面。電池和冷卻空氣的熱物性參數(shù)如表1所示。
表1 電池和冷卻空氣的熱物性參數(shù)
1.3 控制方程
基于上述假設(shè)，在確定控制方程之前，需判斷冷卻風(fēng)道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)，由公式(1)計(jì)算得到冷卻風(fēng)道入口處的雷諾數(shù)為1.6×105，遠(yuǎn)大于2300的臨界值，因此本研究中冷卻空氣在系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)為湍流流動(dòng)。
式中，圖片為空氣的速度，圖片為密度，圖片為空氣的運(yùn)動(dòng)黏度，圖片為特征長(zhǎng)度。
利用控制方程、初始條件和邊界條件模擬物理模型中的流體流動(dòng)和溫度分布。不可壓縮流體的控制方程如式(2)~(4)所示，分別表示連續(xù)性、動(dòng)量和能量守恒方程。
式中，圖片為平均速度矢量(m/s)，圖片為空氣的密度，圖片為空氣的比熱容，圖片為空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)，圖片為空氣的溫度，圖片為靜壓。
由于k-ε湍流模型在內(nèi)部流動(dòng)中簡(jiǎn)單有效，因此選擇它作為黏性湍流模型，即
湍流黏度系數(shù)圖片由圖片和圖片聯(lián)合計(jì)算如下:
本文使用Fluent對(duì)以上邊界條件的控制方程進(jìn)行求解。數(shù)值計(jì)算中，采用SIMPLE算法解決壓力-速度耦合問(wèn)題，并選擇增強(qiáng)壁面函數(shù)。
1.4 熱流密度試驗(yàn)驗(yàn)證
本節(jié)對(duì)電池進(jìn)行放電試驗(yàn)來(lái)獲取準(zhǔn)確的電池?zé)崃髅芏戎?，確保后續(xù)仿真計(jì)算的真實(shí)準(zhǔn)確性。
試驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。
圖3 試驗(yàn)裝置示意圖
將電池置于MCGS恒溫箱中，通過(guò)恒溫箱的控制面板調(diào)節(jié)環(huán)境溫度為25 ℃，待溫度穩(wěn)定后，調(diào)整電腦中的藍(lán)電監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的恒流放電，在電池生熱的過(guò)程中CTR-380多路溫度記錄儀以及K型熱電偶將電池表面的熱信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給溫度巡檢儀，從而獲得電池表面的溫度，最終取平均值，獲得電池終溫。
溫度記錄儀實(shí)時(shí)采集了電池放電試驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，電池以1 C恒流放電，經(jīng)過(guò)3600 s放電完成，溫度變化為297.86～305.31 K。熱成像儀拍攝的放電完成時(shí)的溫度圖如圖5所示。
圖4 電池放電試驗(yàn)溫度變化
圖5 電池放電結(jié)束溫度圖
將測(cè)得的鋰離子電池?zé)嵛镄詤?shù)輸入到Fluent仿真軟件中，得到電池放電結(jié)束后的表面溫度分布。電池表面的溫度分布如圖6所示。
圖6 電池表面溫度分布
由圖6可知，電池放電過(guò)程中溫度為298 K變化至305.57 K，與圖5電池放電3600 s時(shí)溫度分布較為一致。
通過(guò)試湊法獲得電池HGR，電池放電溫度變化的仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比如表2所示。
表2 仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比
由表2可知，當(dāng)仿真的HGR為12500 W/m3時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與仿真值變化趨勢(shì)接近，且誤差在1%以內(nèi)。故HGR=12500 W/m3將作為下文的CFD計(jì)算條件輸入。
1.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證
網(wǎng)格無(wú)關(guān)性是指網(wǎng)格量到達(dá)一定數(shù)量程度時(shí)，隨著網(wǎng)格量的再增加，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果不會(huì)再有較大的變化。網(wǎng)格數(shù)量越多，數(shù)值計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，但也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量大計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。因此，為了獲得更精確的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，同時(shí)減少計(jì)算量，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，需進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析。本文中采用某個(gè)電池箱中的電池平均溫度和某個(gè)子風(fēng)道出口的平均風(fēng)速來(lái)分析不同網(wǎng)格數(shù)量之間的差異。不同網(wǎng)格數(shù)量下的電池平均溫度和出口平均風(fēng)速如圖7所示，從仿真結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)一步增加到2000萬(wàn)以上時(shí)，溫度和風(fēng)速?zèng)]有明顯變化，因此本文研究選取2000萬(wàn)數(shù)量的網(wǎng)格來(lái)進(jìn)行后續(xù)的仿真計(jì)算。
圖7 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證
2 初始方案仿真分析
我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處于起步階段，為了保證儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)對(duì)國(guó)標(biāo)、能標(biāo)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。規(guī)定了儲(chǔ)能工作環(huán)境為258.15~318.15 K，其中電池最佳運(yùn)行溫度在283.15~308.15 K，電池單體之間平均溫差小于5 K。
由于各列電池架的結(jié)構(gòu)均保持一致，并且在整體風(fēng)量分配過(guò)程中已經(jīng)確保了各列風(fēng)管的風(fēng)量相等。鑒于整個(gè)電池架的計(jì)算量相對(duì)較大，并且基于計(jì)算資源的考慮，本文選取單獨(dú)一列電池架作為研究對(duì)象。在經(jīng)過(guò)計(jì)算后，獲得了該列電池架的電池溫度分布和流場(chǎng)分布，具體結(jié)果如圖8、圖9所示。
圖8 初始電池架溫度分布
圖9 初始電池架流場(chǎng)分布
由圖9可知，由于垂直風(fēng)道的流量分配存在不均勻性，頂部三層電池箱流量較少，導(dǎo)致電池堆內(nèi)部的上下芯體溫度差異較為顯著。這一現(xiàn)象進(jìn)一步驗(yàn)證了進(jìn)行本研究工作的必要性。同時(shí)，由圖8可知，也注意到電池的溫度分布范圍在300.48 K至308.14 K之間，雖然總體上滿足了儲(chǔ)能工作環(huán)境的要求。然而，需要指出的是，每個(gè)電池箱內(nèi)仍存在部分高溫區(qū)域，且個(gè)別單體電池箱的最大溫差甚至高達(dá)5 K以上。這不符合電池散熱要求，即單體電池箱之間的平均溫差應(yīng)小于5 K的基本要求。因此，在接下來(lái)的章節(jié)中，將對(duì)電池箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體優(yōu)化探討。
3 電池箱優(yōu)化
在對(duì)圖8所示的電池堆進(jìn)行優(yōu)化前，本文采取先對(duì)單個(gè)電池箱芯體進(jìn)行優(yōu)化再對(duì)整個(gè)電池堆進(jìn)行優(yōu)化的思路。監(jiān)測(cè)圖8所示的電池堆第3排電池箱(最不利工況)入口的流量，以此作為單個(gè)電池箱優(yōu)化的邊界流量(21.3 m3/h)。截取電池電芯中心截面，初始電池箱溫度分布如圖10所示。
圖10 初始電池箱溫度分布
由圖10可知，電池箱最大溫差達(dá)到6.01 K，超過(guò)5 K，不滿足電池散熱的基本要求，且電池兩側(cè)溫度分布較高，故采取開(kāi)孔的措施進(jìn)行優(yōu)化。需要說(shuō)明的是，最大溫差相較于對(duì)整個(gè)電池堆進(jìn)行計(jì)算時(shí)的情況已經(jīng)有所減小。這種誤差產(chǎn)生的主要原因在于，在對(duì)單個(gè)電池箱進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，雖然流量的設(shè)置與電池堆整體研究時(shí)保持一致，但電池箱入口處速度矢量的分布卻存在差異。這種不一致分布導(dǎo)致了最終結(jié)果的一些差異。
3.1 頂部開(kāi)孔
在電池箱內(nèi)兩側(cè)電池對(duì)應(yīng)的每個(gè)電池芯正上方分別對(duì)應(yīng)開(kāi)設(shè)1孔、2孔和4孔，探究不同數(shù)量及不同孔徑的散熱效果。
電池箱頂部開(kāi)孔示意圖如圖11所示。
圖11 電池箱頂部開(kāi)孔示意
分別對(duì)比10 mm、20 mm、30 mm和40 mm孔徑的散熱優(yōu)化效果，其溫度分布圖如圖12所示。
圖12 頂部開(kāi)孔各工況溫度分布圖
各個(gè)工況的具體溫差如表3所示。
表3 頂部開(kāi)孔各工況下具體溫差
如圖12和表3可知，在電池箱頂部開(kāi)孔對(duì)改善電池箱散熱有一定的效果，從開(kāi)孔數(shù)量來(lái)看，10 mm孔徑情況下，4孔效果最佳；20 mm情況下，1孔效果最佳；30 mm情況下，1孔效果最佳；40 mm情況下，1孔效果最佳；從開(kāi)孔孔徑來(lái)看，1孔情況下，30 mm的孔徑效果最佳；2孔情況下和4孔情況下，10 mm孔徑效果最佳。綜合比較，開(kāi)1孔且孔徑為30 mm時(shí)，電池散熱效果最佳，溫差降低了2.18 K。
3.2 側(cè)壁開(kāi)孔
在電池箱內(nèi)兩側(cè)電池側(cè)壁分別對(duì)應(yīng)開(kāi)設(shè)1孔，2孔和4孔，探究不同數(shù)量及不同孔徑的散熱效果。電池箱側(cè)壁開(kāi)孔示意圖如圖13所示。
圖13 電池箱側(cè)壁開(kāi)孔示意
分別對(duì)比10 mm、20 mm、30 mm和40 mm孔徑的散熱優(yōu)化效果，其溫度分布圖如圖14所示。
圖14 側(cè)壁開(kāi)孔各工況溫度分布圖
各種工況的具體溫差如表4所示。
表4 側(cè)壁開(kāi)孔各工況下具體溫差
由圖14和表4可知，在電池箱側(cè)壁開(kāi)孔對(duì)改善電池箱散熱有一定的效果，從開(kāi)孔數(shù)量來(lái)看，10 mm孔徑情況下，1孔效果最佳；20 mm情況下，4孔效果最佳；30 mm情況下，1孔效果最佳；40 mm情況下，2孔效果最佳；從開(kāi)孔孔徑來(lái)看，1孔情況下，30 mm的孔徑效果最佳；2孔情況下，10 mm的孔徑效果最佳；4孔情況下，10 mm孔徑效果最佳。綜合比較，開(kāi)1孔且孔徑為30 mm時(shí)，電池散熱效果最佳，溫差降低了2.33 K。
綜上所述， 在比較電池箱側(cè)壁和上壁面開(kāi)孔的效果后，發(fā)現(xiàn)電池箱側(cè)壁開(kāi)孔的效果更為優(yōu)越。特別是在側(cè)壁開(kāi)1個(gè)孔且孔徑為30 mm的情況下，電池的散熱效果達(dá)到最佳狀態(tài)。在這種情況下，溫度差從原來(lái)的6.01 K降低至3.68 K，降幅為2.33 K，相當(dāng)于原始最大溫差的38.7%。其次，需要注意的是，并非開(kāi)孔數(shù)量越多越好，開(kāi)孔孔徑也不是越大越好，優(yōu)化效果與這些參數(shù)并非線性關(guān)系。最后，值得強(qiáng)調(diào)的是，各種開(kāi)孔工況都成功降低了溫度差。因此，開(kāi)孔設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)電池箱內(nèi)溫度場(chǎng)的更均勻分布，從而提升整體散熱效果。這一系列研究結(jié)果將有助于我們更好地優(yōu)化電池箱的設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)的熱管理需求。
4 整體優(yōu)化
最后將上述優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于整體的電池堆中進(jìn)行校核，校核后的溫度分布如圖15所示，流場(chǎng)分布如圖16所示。
圖15 整體優(yōu)化溫度分布圖
圖16 整體優(yōu)化流場(chǎng)分布圖
由圖15可知，整體溫度分布較為均勻，最低溫度為300.34 K，最高溫度為304.76 K，電池間溫度差為4.32 K，滿足電池?zé)峁芾淼男枨?。由圖16可知，開(kāi)孔后的流場(chǎng)分布也較為均勻，故電池箱的溫度分布均一性提高。
初始方案和優(yōu)化方案溫差對(duì)比如表5所示。
表5 初始方案與優(yōu)化方案對(duì)比
優(yōu)化方案的溫差由原來(lái)的7.66 K降到了4.32 K，降低了3.34 K，優(yōu)化了電池間溫差，為電池芯溫度管理策略提供了技術(shù)參考。
5 結(jié) 論
為解決集裝箱儲(chǔ)能電池系統(tǒng)精細(xì)化的熱仿真研究問(wèn)題，本文提出了一種基于電池箱體開(kāi)孔的溫度均勻性調(diào)配方法。通過(guò)采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真模擬方法，系統(tǒng)地研究了電池箱上壁面和側(cè)壁面開(kāi)孔數(shù)量和大小對(duì)電池?zé)嵝阅艿挠绊?，并篩選出了優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。研究結(jié)論如下：
（1）在針對(duì)單個(gè)電池盒的優(yōu)化過(guò)程中，相對(duì)于在上壁面開(kāi)孔，采用側(cè)壁開(kāi)孔的方案能夠獲得更為優(yōu)越的性能。這種優(yōu)勢(shì)在于，在單個(gè)電池的情況下，溫度差從過(guò)去的6.01 K減少至3.68 K，降幅達(dá)到28.2%，從而充分滿足了電池的散熱需求。
（2）在整個(gè)電池堆熱優(yōu)化過(guò)程中，通過(guò)在側(cè)壁開(kāi)孔的策略，成功將單列電池架內(nèi)的最大溫差從7.66 K降低至4.32 K，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)43.6%的顯著改善。
（3）開(kāi)孔數(shù)量并非越多越好，開(kāi)孔孔徑也不是越大越好，優(yōu)化效果與這些參數(shù)并非線性關(guān)系。但各種開(kāi)孔工況都成功降低了溫度差。因此，開(kāi)孔設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)電池箱內(nèi)溫度場(chǎng)的更均勻分布，從而提升整體散熱效果。
第一作者：徐鑫甜（1999—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槿藱C(jī)與環(huán)境工程，E-mail：xuxintian@nuaa.edu.cn；
通訊作者：朱信龍，研究方向?yàn)槿藱C(jī)與環(huán)境工程，E-mail：zxl720616@nuaa.edu.cn。
