仿真目的

  在储能系统产品研发设计过程中，热仿真分析软件能够比较真实的模拟系统的热分布状况，在产品设计阶段对产品进行热仿真分析，可以准确定位模型中的温度,通过对模型的修改或者采取必要的改善措施，消除其热设计不佳问题。合理利用热仿真分析软件进行热设计，可以提高产品一次设计的成功率，从而缩短研发周期并降低研发成本

项目地点环境

当地为，夏季温度较为炎热，冬季温度较低。通过查询了江苏镇江市的丹徒、丹阳、句容、润州、扬中等地区近5 年的天气资料环境温度为-10～40℃。电芯采用的磷酸铁锂电池；电池内部设计是共个电芯，采用并串连接方式；每簇电池架设计是个电池串联。整个尺高柜集装箱内共簇电池架。布局图如下图所示。

仿真工况：

1.运行工况：储能系统运行工况为0.5C倍率连续充放一个循环。

2.本分析报告只是对40储能系统电池仓室做的热仿真分析。

发热量计算：

0.5C充放电过程单个电芯的发热量Q1为0.8W;

单个电池Pack的发热量Q2=Q1×48=38.4W;

单个电池架的发热量Q3=Q2×38=1459.2W;

整个集装箱的发热量Q总=Q3×10=14.59kW;

电池Pack热仿真

电池Pack背部装有3个轴流风扇，型号为BT12025B2H。额定转速为2000RPM，风量为1.87m3/min（66CFM），风压为3.56mmH2O。图为风扇性能曲线图、下图为电池Pack仿真分析模型图。

根据表中相关参数是仿真分析建模时设置的值，电芯尺寸及支架壳体均按1：1等尺寸建模。单个电池Pack的热损耗为38.4W，平均分配在每个电芯上。

电池Pack热仿真结果：

下图为Pack仿真分析残差曲线及监控点温度曲线

Pack用热仿真软件对整个电池Pack和每个电芯监控点做残差曲线求解，结果显示电池Pack的监控温度曲线最终趋于稳定，仿真结果收敛。

下图为Pack速度流线粒子图

电池Pack温度云图

从温度云图看，当空调送风温度在22摄氏度时，前端电芯温度在25摄氏度左右，中部电芯温度相对较高，最高在30.7摄氏度左右，后端电芯温度最高在30摄氏度左右。两侧电芯温度较低，中间位置电芯较高，应是两侧空气流速高，中间流速低所致。可由下图1.5速度云图和图1.6粒子图判断。

电池Pack速度云图

从仿真结果的温度云图、速度云图等分析，电芯与电芯之间通风间隙非常狭小，通风阻力大，两侧电芯与钣金壳体之间存在较大的间距，漏风问题比较明显。有效通风相对较少，需要增加挡风结构。

集装箱储能电池系统热仿真

 集装箱两侧各簇电池，分别由两台额定制冷量的一体机提供制冷换热，空调通过顶部风帽和背部风道与电池簇连接，通过冷热风隔离，达到了精确的目的。这种设计是目前比较主流的一种风道结构形式。

120*25由于集装箱两侧的电池系统配置相同且做冷热风隔离，两侧的热仿真模型是一样的，所以只需对单侧的储能电池系统做热仿真即可。下图1.8为单侧储能电池系统仿真分析模型图。

集装箱单侧仿真分析模型图

图集装箱单侧速度云图

集装箱单侧温度云图

应用热仿真软件对集装箱内单侧储能电池系统进行仿真运算。下图1.9和图1.10分别为单侧储能系统的速度云图和温度云图。结果显示此储能系统方案热设计满足要求。

热设计要求

1、电池Pack在一个循环完成时总发热量:

Q发热=0.0384kW×4h×3600≈552.96kJ

总发热量会分为两部分。一部分转化为电池Pack自身材料的温升，另部分通过电池的散热设计散到电池Pack外部，而这部分的热量就是需要空调的最小制冷量。

电池Pack内各种材料构成及特性见下表：

电芯以外的结构件的质量占比很小，而且温升也小，在计算时可作为设计余量忽略，模组实测时一个循环电芯平均温升5℃

2、电池Pack在一个循环吸收的热量:

Q吸=cmΔT=1015X49.7X5≈252.22kJ

3、整个集装箱电池需要的最小空调制冷功率:

Q空=( Q发热- Q吸热)×38(模组)×10(簇)/4(h)×3600≈7.9kW

另外，在空调选型时还需综合考虑集装箱外部环境温度、集装箱自身保温性能等，需要考虑箱体漏热： Q漏=K × A ×ΔT=5.5 ×114.4 ×15=9.4kW

K:综合换热系数 ΔT：集装箱内外温差，按15℃考虑；A:集装箱表面积

4.综上，40尺电池系统集装箱，按10簇电池架，每簇38个电池Pack设计，0.5C倍率充放，空调制冷量需大于（7.9+9.4）kW，即17.3kW

5.空调选型:

根据以上分析计算，空调选制冷量为12.5kW的一体式工业空调，型号为MC125HCNC1A，数量2台，完全可满足集装箱储能电池系统的温控需求。

结论和建议

本项目通过模拟仿真集装箱式储能电池系统在40℃（极限使用外界环境温度）中的工作最大负荷情况，通过有限元仿真数据和设备内部温度分布云图，能够很直观了解到储能系统在40℃外界环境温度下的内部电池系统的温度场云图。可得出此项目热设计的温控系统完全满足锂电池系统在0.5C充放电工况下温度要求且配有较高的裕量。 为了使储能电池系统能够在恶劣环境下长时间工作，对此次储能系统产品设计有如下几点建议： 电池Pack内两侧边增加挡风结构，提高流过电芯的通风量； 如电池Pack正面有空间的话建议风扇前置，改为抽风散热，只需装1个风扇即可。