NFX CFD|基于流热耦合的集装箱式储能系统ESS风冷散热措施分析

拥有调峰填谷、调频调相、事故备用和吸收多余电能等多方面优良能力的储能电池系统在现今得到了大力的发展。集装箱式储能系统是由数块锂电池紧密排列构成，储能系统在进行充电及放电时，系统内部的电池会产生大量的热量，由于锂电池排列较为紧密，间隙较小，导致电池所产生的热量很难快速排出，电池组之间会出现热量聚集、运行温差较大等现象。

因此，在充分认识锂电池的温度特性和热释放特点的基础上，研究及开发安全高效的电池热管理技术，对锂电池的广泛应用具有重要意义。本文通过NFX CFD传热分析模块，利用流固共轭传热功能计算了集装箱式储能系统在电池温升过程，分析了集装箱内部的通风效率以及系统内部对流散热特性。

1集装箱式ESS储能系统流固共轭传热模型

图1  集装箱式ESS系统建模示意图    
   

本次计算集装箱式储能系统主要考虑部件为岩棉集装箱体，箱体为10.6m*3.5m*2.8m的长方体集装箱、9台电池机组、2台配电柜机箱，电池机组及配电柜机箱中考虑恒定温升热源，电池简化为体积0.27m³的长方体热源，配电机箱中考虑体积为0.165m³热源，并利用NFX中一键抽取流体域功能，学习该功能可参考往期文章《 【NFX CFD与流体力学】：计算流体域与NFX CFD体积抽取功能》，建立系统内部的空气流体计算域模型。

2网格划分与边界条件设置

对集装箱体内散热系统进行了网格划分，根据不同部件的结构性质及热属性根据下表确定材料的基本属性，如表1所示。

   

图2  集装箱式ESS系统网格展示图    

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基于上述物理性质针对不同集装箱体内散热系统部件进行了自动网格划分，网格划分方式采用高速四面体网格生成，热源部件网格尺寸为0.1m，空气网格尺寸为0.13m，岩棉集装箱体箱及机箱网格尺寸为0.1m，各部件之间采用自动节点耦合。如图2所示，总网格单元数量为78万，节点数为13万。

图3  边界条件设置示意图    

空调进口为速度进口，按恒定3.5m/s的速度通入20℃冷空气，空调出口设为静压出口，出口压力为0Pa。电池考虑热源28000W/m3、配电柜产热部件考虑热源12000W/m3。环境温度为28℃，集装箱外部表面热对流系数为5 W/(m2*℃)。集装箱体内部空间出结构几何外均视为空气，空气与固体接触面均设为无因次距离壁面y+。    

3边界条件设置及求解设置

图4  求解设置参数设置

计算按瞬态进行分析，总共计算250s内机柜和配电柜内高地热源产热以及空调冷空气的对流散热效率。湍流模型选择k-ε 模型。流体介质为不可压缩空气，流体和结构采用节点耦合方式进行能量数据的传递，固体与流体的初始温度均为28℃，环境温度为28℃。工作压力为101325Pa，初始计算域压力为0Pa。时间增量为0.1s，步骤数为2500步，共计算250s的物理时间，每25步输出一次中间数据。      

4后处理结果提取

特征截面流速分布图

特征截面温度分布图      

集装箱250S流体空气域平均温度      

集装箱固体结构温度变化图      

     

不同位置电池温度曲线