随着“双碳”目标的提出，新型电化学储能技术和储能行业发展迅速。锂离子电池凭借其能量密度高、循环寿命长和对环境友好等优良特性成为储能电池舱主要选择的电池种类之一。然而，锂离子电池在充放电过程中会不断产生热量，长时间超出温度范围运行，会影响电池的性能及使用寿命。同时，由于电池舱的限制，锂离子电池产生的热量会在电池舱内持续积聚，无法及时扩散到外界环境，导致电池舱内部温度不断升高，引发热失控的风险，给电池舱带来安全隐患。储能电池舱安全性和经济性问题一直是影响其发展的主要问题，储能电池舱持续发展的关键在于电池舱散热问题的解决。
电池舱模型建立
文中模型按照实际储能舱 1 ∶1比例建立，采用 SolidWorks 软件对电池舱建立基本模型，长 12 m，宽 2．4 m，高 2．8 m。电池舱内共放置 12 组电池簇，每侧放置 6 组，每组电池簇由 15 个电池模组组成。锂离子电池舱实际外观和模型内部结构如图 1 所示。
图 1 电池舱模型结构同时，为优化改良电池舱的散热效果，在电池舱顶部增加导流板，导流板宽度选择 500 mm。导流板可对吹进的空气起到阻挡作用，改变空气流向， 改善电池舱内气体流场。设计时分别为电池舱增加单导流板和增加双导流板 2 种不同的优化方式。2 种不同增加导流板的电池舱模型布局方式如图 2 所示。
图 2 2 种优化电池舱模型文中所采用的电池模组由 32 块单体磷酸铁锂电池组成。电池模组额定电压为 25．6 V，额定容量为 344 A·h，额定电量为 8．8 kW·h，宽 420 mm，深 600 mm，高 240 mm。电池模组由于内部构造的复杂，其在不同方向上的材料分布不同，导热系数也有所差别。根据文献，磷酸铁锂电池模组外壳及 x 轴、y 轴、z 轴方向热特性参数如表 1 所示。
表 1 磷酸铁锂电池模组的热物性参数仿真分析
基本电池舱模型的仿真分析
通过对电池模组表面积的数值计算可得到电池散热面积为 178．85 m2 。将电池舱内部求解器设置为流固耦合场，可以直接使用对流换热条件，简化操作。
仿真模型边界条件的设置主要包括温度、速度以及压力等方面。进口边界条件为速度进口，风速为 4 m /s，进口空气温度与环境温度设置一致，取 25 ℃。出口边界条件为压力出口且抑制回流。文中采用的电池模组在 1 C 工况下充电时的生热率已经通过实验测量和公式计算得出，设置电池模组表面壁面为热源，生热率为 13 757．2 W/m3 ，其余面设置为壁面。由于电池舱体与外界温差不大，与外界热交换较小，因此设置电池舱其他壁面为恒温绝热边界。
使用 Fluent 模块仿真计算收敛后，可以得到基本电池舱模型的散热面温度云图，如图 3 所示。
图 3 基本电池舱温度由图 3 可知，电池舱内高温区域集中在电池舱中心，温度分布很不均匀，电池舱内的平均温度为 46．3 ℃，电池簇区域高低温差为 26．5 ℃。在电池舱中心区域温度最高，高达 57．15 ℃。越靠近电池舱边缘区域温度越低，在电池舱顶部和入口附近温度最低，为 27．5 ℃。电池簇区域平均温度沿进风方向的温度变化曲线如图 4 所示。
图 4 基本电池舱电池簇区域平均温度曲线电池簇区域的平均温度最高值出现在中间位置，为 56．2 ℃。最低值出现在电池舱边缘位置，为 39．91 ℃。这是由于空气从入口进入到从出口流出的过程中，在电池舱内形成涡流。位于电池舱边缘区域的流场速度更快，可与电池模组进行更好的热量交换，在电池舱中心区域的流场效果比较微弱，无法与电池模组形成良好的热量交换，结合流场流线图也可以验证这一观点，如图 5 所示。
图 5 基本电池舱流线由图 5 可知，位于电池舱上半部分的空气流速比较大，为 3．2 m /s。大部分空气径直从出口流出，只有少部分空气带动电池舱下半部分的空气形成循环。电池舱中间部分的空气流速为 0．8 m /s。很多空气并未与电池模组进行充分的热量交换，造成资源浪费，电池舱也无法得到优良的散热效果。
单导流板电池舱模型的仿真分析
为使电池舱获得更好的散热能力，可增强电池模组和空气的热量交换强度。通过合理的布置导流板，电池舱内流场发生改变，使其更加均匀分布，使空气和电池模组得到更充分的接触。
通常电池舱的进出风口都被安置在上部靠近顶端的位置，这时气流只会在电池舱上方流通，很难与电池舱下方气体进行对流，使得位于电池舱下部的模组散热效果不理想。在电池舱顶部安装导流板，阻止空气径直从出风口流出，改变气体流向，使气体能在整个电池舱流动，使电池模组能有更好的散热效应。增加单导流板后的电池舱模型散热面温度如图 6 所示。
图 6 单导流板电池舱温度由图 6 可知，当在电池舱进气口附近增加导流板后，电池舱内的温度分布有较大变化，高温区域更小，分布更加均匀，电池舱内的最高温度和平均温度都在下降。电池舱内的平均温度为 43．4 ℃，电池簇区域温差为 24．1 ℃。最高温度只出现在电池舱后半部分区域，为 52．65 ℃。最低温度出现在入口和导流板附近区域，为 26．85 ℃。电池簇区域平均温度沿进风方向的温度变化曲线如图 7 所示。
图 7 单导流板电池舱电池簇区域平均温度曲线图 7 可知，整体温度曲线呈现驼峰状。第 1 个峰值区域最高温度为 43．41 ℃，且区域范围较小。这部分为导流板前一部分区域，空气还没有被导流板改变流向，所以平均温度略高于其他区域。第 2 个峰值区域最高温度为 50． 13 ℃，区域范围更大。这部分为电池舱后半部分，空气被导流板改变流向后，在电池舱后半部形成涡流。电池簇区域最低温出现在波谷，为 29．04 ℃。这部分为导流板改变风向后空气直接冷却的区域，电池模组可与温度较低的空气进行更好的热量交换。
当空气从入口进入电池舱后，流道被导流板阻挡，人为更改空气的流向，使其不得不向电池舱下半部流动，与电池模组进行更充分的热量交换，结合流场流线图也可以验证这一观点，其流场流速如图 8 所示。
图 8 单导流板电池舱流线由图 8 可知，空气进入电池舱后受到导流板的阻隔，流向朝下改变，这时空气流过电池模组时的流速更快，为 2．8 m /s，可与电池模组进行更充分的热量交换。空气主要在电池舱后半部分形成循环，部分空气在电池舱前端形成循环。但是电池舱的后半部分仍会形成涡流，出现部分区域温度过高的情况。
双导流板电池舱模型的仿真分析
为解决电池舱后半段仍有部分区域温度过高的情况，在电池舱出气口附近额外添加单导流板， 以达到均匀流场的目的。后方的导流板可阻碍空气在电池舱后半部分形成涡流，改变空气流向，使空气和电池模组有更充分的接触。增加双导流板后的电池舱模型散热面温度云图如图 9 所示。
图 9 双导流板电池舱温度由图 9 可知，当在电池舱出气口附近增加导流板后，电池舱内的温度分布进一步得到改善，电池舱的最高温度和平均温度都有明显变化。电池舱内的平均温度为 40．8 ℃，电池簇区域温差为 21．7 ℃。最高温度仍出现在电池舱后半部分区域，但温度明显下降，为 47．55 ℃。最低温度出现在入口和导流板附近区域，为 26．85 ℃。电池簇区域平均温度沿进风方向的温度变化曲线如图 10 所示。
图 10 双导流板电池舱电池簇区域平均温度曲线由图 10 可知，整体温度曲线和单导流板的情况类似，呈现 2 个峰值区域和 1 个波谷区域。电池簇区域最低温出现在波谷，为 29．05 ℃。第 1 个峰值区域最高温度为 40．65 ℃，相较于只有单导流板的情况，温度有所降低。第 2 个峰值区域最高温度为 46．05 ℃，温度有明显的下降。这说明增加出风口附近的导流板有助于减低电池舱内的温度，减少温差。
由于增加双导流板会使电池舱内的流场情况更加复杂，增强空气和电池模组之间的热量交换，使电池舱内的平均温度相较于单板的情况进一步降低。流场流速如图 11 所示。
图 11 双导流板电池舱流线由图 11 可知，空气在电池舱后方将形成循环时，被导流板阻隔，迫使空气朝电池簇区域流动。电池舱内的流场情况更加复杂，所有电池模组都可与空气进行充分接触，得到更好的散热效果。有利于抑制电池模组的热失控情况，使电池工作在适合的温度范围，减缓电池老化，降低故障率，延长电池的使用寿命。同时，电池舱内温度分布更加均匀，电池的一致性更好，可降低电池舱起火爆炸事故的概率，进一步提高电池舱运行的安全性，保障人身安全、减少财产损失。
小结
文中以某型电池舱锂离子电池储能系统为研究对象，基于 SolidWorks、Ansys 软件对其风冷散热进行分析及优化。得出如下结论:
（1）对电池舱添加风冷散热系统，可使电池舱内电池模组得到冷却，但是受限于电池舱内的结构，空气在电池舱内只能形成简单的循环，电池模组无法得到均匀的散热。处于电池舱中心区域的电池模组会产生更高的温升，中心区域最高温度为 57．15 ℃。长时间运行后，处于中心区域的电池模组的使用寿命会被缩短，电池模组间的一致性更差，影响电池舱的正常运行。
（2）在电池舱内增加单导流板后，空气在电池舱内的流场情况变得复杂。空气在电池舱内形成 2 个主要循环，与电池模组获得更多的接触，可以进行更充分的热量交换。电池舱内的平均温度降低 2．9 ℃，最高温度降低 4．5 ℃，并且最高温度出现的区域更小。电池簇区域的高低温差降低 2．4 ℃，电池模组的温度分布变得平均，电池舱的风冷散热效果得到改善。
（3）在电池舱内增加双导流板后，空气在电池舱内的流场情况变得更加复杂。空气在电池舱内形成多个循环，与电池模组之间的热量交换更充分。电池舱内的平均温度降低 5．5 ℃，最高温度降低 8．6 ℃，且最高温度出现的区域更小。电池簇区域的高低温差降低 4．8 ℃，电池模组间的温升变得平均，电池舱的风冷散热效果得到改善。
在电池舱内合理地安装导流板，可以有效改变电池舱内的流场情况，使空气可以与电池模组进行更充分的热量交换，进而改变电池模组的温度分布情况。电池舱内的平均温度得到降低，温度分布更加的均匀，电池模组间的温差更小，一致性更好，一定程度上提高电池模组的使用寿命。
优化后的电池舱风冷散热系统，可以抑制锂离子电池模组发生热失控现象，提高储能电池舱运行的安全性，延长电池使用寿命，提高电池舱风冷散热的经济性。
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随着“双碳”目标的提出，新型电化学储能技术和储能行业发展迅速。锂离子电池凭借其能量密度高、循环寿命长和对环境友好等优良特性成为储能电池舱主要选择的电池种类之一。然而，锂离子电池在充放电过程中会不断产生热量，长时间超出温度范围运行，会影响电池的性能及使用寿命。同时，由于电池舱的限制，锂离子电池产生的热量会在电池舱内持续积聚，无法及时扩散到外界环境，导致电池舱内部温度不断升高，引发热失控的风险，给电池舱带来安全隐患。储能电池舱安全性和经济性问题一直是影响其发展的主要问题，储能电池舱持续发展的关键在于电池舱散热问题的解决。
电池舱模型建立文中模型按照实际储能舱 1 ∶1比例建立，采用 SolidWorks 软件对电池舱建立基本模型，长 12 m，宽 2．4 m，高 2．8 m。电池舱内共放置 12 组电池簇，每侧放置 6 组，每组电池簇由 15 个电池模组组成。锂离子电池舱实际外观和模型内部结构如图 1 所示。
图 1 电池舱模型结构同时，为优化改良电池舱的散热效果，在电池舱顶部增加导流板，导流板宽度选择 500 mm。导流板可对吹进的空气起到阻挡作用，改变空气流向， 改善电池舱内气体流场。设计时分别为电池舱增加单导流板和增加双导流板 2 种不同的优化方式。2 种不同增加导流板的电池舱模型布局方式如图 2 所示。
图 2 2 种优化电池舱模型文中所采用的电池模组由 32 块单体磷酸铁锂电池组成。电池模组额定电压为 25．6 V，额定容量为 344 A·h，额定电量为 8．8 kW·h，宽 420 mm，深 600 mm，高 240 mm。电池模组由于内部构造的复杂，其在不同方向上的材料分布不同，导热系数也有所差别。根据文献，磷酸铁锂电池模组外壳及 x 轴、y 轴、z 轴方向热特性参数如表 1 所示。
表 1 磷酸铁锂电池模组的热物性参数仿真分析基本电池舱模型的仿真分析
通过对电池模组表面积的数值计算可得到电池散热面积为 178．85 m2 。将电池舱内部求解器设置为流固耦合场，可以直接使用对流换热条件，简化操作。
仿真模型边界条件的设置主要包括温度、速度以及压力等方面。进口边界条件为速度进口，风速为 4 m /s，进口空气温度与环境温度设置一致，取 25 ℃。出口边界条件为压力出口且抑制回流。文中采用的电池模组在 1 C 工况下充电时的生热率已经通过实验测量和公式计算得出，设置电池模组表面壁面为热源，生热率为 13 757．2 W/m3 ，其余面设置为壁面。由于电池舱体与外界温差不大，与外界热交换较小，因此设置电池舱其他壁面为恒温绝热边界。
使用 Fluent 模块仿真计算收敛后，可以得到基本电池舱模型的散热面温度云图，如图 3 所示。
图 3 基本电池舱温度由图 3 可知，电池舱内高温区域集中在电池舱中心，温度分布很不均匀，电池舱内的平均温度为 46．3 ℃，电池簇区域高低温差为 26．5 ℃。在电池舱中心区域温度最高，高达 57．15 ℃。越靠近电池舱边缘区域温度越低，在电池舱顶部和入口附近温度最低，为 27．5 ℃。电池簇区域平均温度沿进风方向的温度变化曲线如图 4 所示。
图 4 基本电池舱电池簇区域平均温度曲线电池簇区域的平均温度最高值出现在中间位置，为 56．2 ℃。最低值出现在电池舱边缘位置，为 39．91 ℃。这是由于空气从入口进入到从出口流出的过程中，在电池舱内形成涡流。位于电池舱边缘区域的流场速度更快，可与电池模组进行更好的热量交换，在电池舱中心区域的流场效果比较微弱，无法与电池模组形成良好的热量交换，结合流场流线图也可以验证这一观点，如图 5 所示。
图 5 基本电池舱流线由图 5 可知，位于电池舱上半部分的空气流速比较大，为 3．2 m /s。大部分空气径直从出口流出，只有少部分空气带动电池舱下半部分的空气形成循环。电池舱中间部分的空气流速为 0．8 m /s。很多空气并未与电池模组进行充分的热量交换，造成资源浪费，电池舱也无法得到优良的散热效果。
单导流板电池舱模型的仿真分析
为使电池舱获得更好的散热能力，可增强电池模组和空气的热量交换强度。通过合理的布置导流板，电池舱内流场发生改变，使其更加均匀分布，使空气和电池模组得到更充分的接触。
通常电池舱的进出风口都被安置在上部靠近顶端的位置，这时气流只会在电池舱上方流通，很难与电池舱下方气体进行对流，使得位于电池舱下部的模组散热效果不理想。在电池舱顶部安装导流板，阻止空气径直从出风口流出，改变气体流向，使气体能在整个电池舱流动，使电池模组能有更好的散热效应。增加单导流板后的电池舱模型散热面温度如图 6 所示。
图 6 单导流板电池舱温度由图 6 可知，当在电池舱进气口附近增加导流板后，电池舱内的温度分布有较大变化，高温区域更小，分布更加均匀，电池舱内的最高温度和平均温度都在下降。电池舱内的平均温度为 43．4 ℃，电池簇区域温差为 24．1 ℃。最高温度只出现在电池舱后半部分区域，为 52．65 ℃。最低温度出现在入口和导流板附近区域，为 26．85 ℃。电池簇区域平均温度沿进风方向的温度变化曲线如图 7 所示。
图 7 单导流板电池舱电池簇区域平均温度曲线图 7 可知，整体温度曲线呈现驼峰状。第 1 个峰值区域最高温度为 43．41 ℃，且区域范围较小。这部分为导流板前一部分区域，空气还没有被导流板改变流向，所以平均温度略高于其他区域。第 2 个峰值区域最高温度为 50． 13 ℃，区域范围更大。这部分为电池舱后半部分，空气被导流板改变流向后，在电池舱后半部形成涡流。电池簇区域最低温出现在波谷，为 29．04 ℃。这部分为导流板改变风向后空气直接冷却的区域，电池模组可与温度较低的空气进行更好的热量交换。
当空气从入口进入电池舱后，流道被导流板阻挡，人为更改空气的流向，使其不得不向电池舱下半部流动，与电池模组进行更充分的热量交换，结合流场流线图也可以验证这一观点，其流场流速如图 8 所示。
图 8 单导流板电池舱流线由图 8 可知，空气进入电池舱后受到导流板的阻隔，流向朝下改变，这时空气流过电池模组时的流速更快，为 2．8 m /s，可与电池模组进行更充分的热量交换。空气主要在电池舱后半部分形成循环，部分空气在电池舱前端形成循环。但是电池舱的后半部分仍会形成涡流，出现部分区域温度过高的情况。
双导流板电池舱模型的仿真分析
为解决电池舱后半段仍有部分区域温度过高的情况，在电池舱出气口附近额外添加单导流板， 以达到均匀流场的目的。后方的导流板可阻碍空气在电池舱后半部分形成涡流，改变空气流向，使空气和电池模组有更充分的接触。增加双导流板后的电池舱模型散热面温度云图如图 9 所示。
图 9 双导流板电池舱温度由图 9 可知，当在电池舱出气口附近增加导流板后，电池舱内的温度分布进一步得到改善，电池舱的最高温度和平均温度都有明显变化。电池舱内的平均温度为 40．8 ℃，电池簇区域温差为 21．7 ℃。最高温度仍出现在电池舱后半部分区域，但温度明显下降，为 47．55 ℃。最低温度出现在入口和导流板附近区域，为 26．85 ℃。电池簇区域平均温度沿进风方向的温度变化曲线如图 10 所示。
图 10 双导流板电池舱电池簇区域平均温度曲线由图 10 可知，整体温度曲线和单导流板的情况类似，呈现 2 个峰值区域和 1 个波谷区域。电池簇区域最低温出现在波谷，为 29．05 ℃。第 1 个峰值区域最高温度为 40．65 ℃，相较于只有单导流板的情况，温度有所降低。第 2 个峰值区域最高温度为 46．05 ℃，温度有明显的下降。这说明增加出风口附近的导流板有助于减低电池舱内的温度，减少温差。
由于增加双导流板会使电池舱内的流场情况更加复杂，增强空气和电池模组之间的热量交换，使电池舱内的平均温度相较于单板的情况进一步降低。流场流速如图 11 所示。
图 11 双导流板电池舱流线由图 11 可知，空气在电池舱后方将形成循环时，被导流板阻隔，迫使空气朝电池簇区域流动。电池舱内的流场情况更加复杂，所有电池模组都可与空气进行充分接触，得到更好的散热效果。有利于抑制电池模组的热失控情况，使电池工作在适合的温度范围，减缓电池老化，降低故障率，延长电池的使用寿命。同时，电池舱内温度分布更加均匀，电池的一致性更好，可降低电池舱起火爆炸事故的概率，进一步提高电池舱运行的安全性，保障人身安全、减少财产损失。
小结文中以某型电池舱锂离子电池储能系统为研究对象，基于 SolidWorks、Ansys 软件对其风冷散热进行分析及优化。得出如下结论:
（1）对电池舱添加风冷散热系统，可使电池舱内电池模组得到冷却，但是受限于电池舱内的结构，空气在电池舱内只能形成简单的循环，电池模组无法得到均匀的散热。处于电池舱中心区域的电池模组会产生更高的温升，中心区域最高温度为 57．15 ℃。长时间运行后，处于中心区域的电池模组的使用寿命会被缩短，电池模组间的一致性更差，影响电池舱的正常运行。
（2）在电池舱内增加单导流板后，空气在电池舱内的流场情况变得复杂。空气在电池舱内形成 2 个主要循环，与电池模组获得更多的接触，可以进行更充分的热量交换。电池舱内的平均温度降低 2．9 ℃，最高温度降低 4．5 ℃，并且最高温度出现的区域更小。电池簇区域的高低温差降低 2．4 ℃，电池模组的温度分布变得平均，电池舱的风冷散热效果得到改善。
（3）在电池舱内增加双导流板后，空气在电池舱内的流场情况变得更加复杂。空气在电池舱内形成多个循环，与电池模组之间的热量交换更充分。电池舱内的平均温度降低 5．5 ℃，最高温度降低 8．6 ℃，且最高温度出现的区域更小。电池簇区域的高低温差降低 4．8 ℃，电池模组间的温升变得平均，电池舱的风冷散热效果得到改善。
在电池舱内合理地安装导流板，可以有效改变电池舱内的流场情况，使空气可以与电池模组进行更充分的热量交换，进而改变电池模组的温度分布情况。电池舱内的平均温度得到降低，温度分布更加的均匀，电池模组间的温差更小，一致性更好，一定程度上提高电池模组的使用寿命。
优化后的电池舱风冷散热系统，可以抑制锂离子电池模组发生热失控现象，提高储能电池舱运行的安全性，延长电池使用寿命，提高电池舱风冷散热的经济性。