姚鳳翔，王檢耀，王鴻東，易 宏
(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 201100)
隨著各國對航運節能減排的高度重視，一些新技術、新理念被應用到了船舶的設計、建造和運營當中。全電船舶作為其中極具代表性和發展潛力的技術之一，被認為是構建未來綠色航運體系的重要一環[1]。全電船舶可看作是“移動的微電網”，而儲能系統則是其微電網的重要組成部分，承擔著平抑負荷波動，改善電能質量的任務，可為船舶安全可靠的運行提供重要保障[2]。
目前，全電船舶的儲能系統以電池儲能為主，磷酸鐵鋰電池因其具有較高的安全性和較長的循環使用壽命，成為儲能電池的首選。由于鋰離子電池自身的特性，其在正常充放電過程中會產生熱量，導致電池溫度升高。而全電船舶的儲能系統則是由大量的單體電池通過串并聯的方式構成，加之船上空間狹小緊湊、相對封閉，這給儲能電池的散熱帶來了巨大挑戰。若不能采取有效的散熱措施，不僅影響儲能電池的工作性能和使用壽命，更有可能會引發電池熱失控，導致船舶失火等事故的發生，嚴重影響船舶航行安全[3]。因此，對儲能電池進行熱管理，分析其在不同散熱方式下的熱特性，以選取合適的冷卻方案，確保電池工作在合適的溫度區間，對保證船舶儲能系統安全可靠運行具有重要意義。
考慮到船舶運行環境的復雜性和設備運行的可靠性，在船舶電氣設備的熱設計中主要采用風冷散熱和液冷散熱。因此，儲能電池作為船舶重要的電氣設備，其散熱系統的設計通常也考慮風冷和液冷這兩種形式。陳旭海等人[4]利用Ansys對風冷條件下的儲能電池溫度場進行仿真分析，并根據仿真結果對存放電池模塊的機柜進行優化設計。同時也有研究表明，在風冷散熱系統中，改善冷卻風道設計[5]、合理調整電池組間距[6]均可改善電池組溫度的均衡性。桂永勝等人[7]為船舶電氣設備設計了一套模塊化的水冷系統，可用于船舶儲能電池的散熱。張上安[8]則利用COMSOL軟件分析了液冷散熱系統中冷卻液流量和冷卻液入口溫度對電池散熱特性的影響。然而大多數研究只是針對其中一種散熱方式，并沒有綜合分析風冷散熱和液冷散熱各自的效果和優缺點。王屹航等人[9]雖對這兩種散熱方式的散熱能力做出了評價，但只是針對單體電池，并未考慮整個電池包的熱特性。
本文以某型船用儲能電池包為研究對象，分別設計其風冷散熱系統和液冷散熱系統，利用Icepak軟件建立熱仿真模型，對比研究電池包在不同散熱系統作用下的散熱特性和溫度場分布，進一步通過改變散熱系統的若干關鍵參數，分析評估參數的變化對整個系統散熱效果的影響。結果表明，液冷散熱系統的散熱效果普遍優于風冷散熱，尤其是在保持電池包溫度一致性方面表現出色。本研究可為全電船舶儲能系統散熱方案的選取和散熱系統的設計提供參考，保障鋰電池組在船舶上安全可靠的運行，同時也為鋰電池在船舶上大規模運用奠定基礎。
2.1 電池散熱的數學模型
儲能電池包通常是由電池模組根據電壓需求串聯而成，而電池模組又是由多個單體電池通過串并聯的方式構成的，因此單體電池是構成電池模組和電池包的基本單元[10]。要對電池包的散熱特性進行研究，首先要建立單體電池散熱的數學模型。根據能量守恒定律和傅里葉定律[11]，便可得到方形單體電池在直角坐標系中的導熱微分方程
(1)
風冷散熱和液冷散熱都是通過固體與流體之間的相互作用來傳遞熱量的[12]，均涉及到流固之間的耦合換熱。因此，為了研究電池包在散熱系統作用下的散熱特性和溫度場分布，需要引入流體傳熱控制方程，即質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。
質量守恒方程為
(2)
式中，ρ為流體的密度；
t為時間；
U為流體的速度。
引入牛頓切應力公式及Stokes表達式，則動量守恒方程的矢量形式可表示為
(3)
式中，U為流體的速度；
p為流體的壓力；
F為單位質量流體所受的體積力。
流體運動的能量守恒方程可表示為
(4)
ST=Sh+Φ
(5)
式中，T為溫度；
λf為流體的導熱系數；
cp為比熱容；
Sh為流體內熱源；
Φ為由粘性作用導致的耗散函數[13]。
上述控制方程是封閉的，在給定邊界條件的情況下是可以進行求解的。本文所使用的Icepak熱仿真軟件就是此基礎上，對微分方程進行離散和迭代求解，從而得到溫度場分布特性的。
2.2 幾何模型和物性參數設置
本文選用某型3.2V/12.8Ah的船用磷酸鐵鋰電芯作為構成儲能電池包的單體電池，如圖1(a)所示，其尺寸大小為164mm× 71.6mm×23.1 mm。采用先并聯后串聯的成組方式，將10塊單體電池并聯構成一個電池模組，如圖1(b)所示，再將16個電池模組通過串聯的方式組成一個儲能電池包，如圖1(c)所示。
磷酸鐵鋰電池主要由電池外殼、內核和極柱等構成，其中內核包括正極材料、負極材料、電解質和隔膜等[14]；
極柱則分為正極柱和負極柱，分別由鋁箔和銅箔構成。單體儲能電池的熱物性參數如表1所示，由于磷酸鐵鋰電池部分物性參數難以獲取，表中的部分參數參考文獻[15]。
圖1 儲能電池包幾何模型
表1 單體儲能電池的熱物性參數
在確定單體儲能電池的熱物性參數之后，需對電池的生熱率進行計算。為簡化計算這里僅考慮電池內核的生熱速率。通常采用Bernardi[16]生熱速率模型，即假設電池內部物質是均勻發熱的，其計算公式如下
(6)
根據上述公式計算，儲能電池1C放電工況下，電池的生熱率為9964W/m3。
3.1 風冷散熱系統的設計與仿真
風冷散熱有自然風冷和強制風冷這兩種方式。對于船舶上的大功率電氣設備，自然風冷已經無法滿足其散熱要求。為此，本文為儲能電池包設計了一套強制風冷散熱系統，即通過安裝軸流風扇的方式來增加擾動，加快電池組的散熱。根據電池包的組成結構，處于中間位置的電池模組溫度要比處于邊緣位置的高，因此選擇在電池包底部中心位置安裝軸流風扇，頂部設通風孔，其余為壁面，散熱系統的具體結構如圖2所示。
利用Icepak軟件對整個散熱系統進行網格劃分，為兼顧仿真計算的效率與精度，采用混合網格劃分的方法，即在不同的區域設置不同的網格尺寸。風冷散熱系統的總體網格劃分如圖3(a)所示，共設置了530182個網格，整體剖面網格如圖3(b)所示。
圖2 強制風冷散熱系統
設置環境溫度為20℃，軸流風扇直徑為15cm，風速為5m/s。考慮儲能電池1C放電工況，電池的生熱率為9964W/m3。將相應的參數輸入到仿真模型中，經過計算得到如圖4所示的儲能電池包溫度場分布。從溫度分布云圖中可以看出，電池包整體溫度分布不均勻，兩側電池模組溫度較高，最高溫度達到了64.27℃，位置靠近風扇的中間模組溫度較低，最低溫度為37.88℃，最大溫差超過了25℃。一般要求電池模組最高溫度不超過50℃，模組間的溫差不超過5℃，顯然該風冷散熱系統不能滿足實際的工作要求。
圖3 強制風冷散熱系統的網格劃分
圖4 儲能電池包溫度場分布
3.2 不同參數下電池散熱特性分析
為改善強制風冷系統的散熱效果，現對風冷散熱系統中的關鍵設計參數進行調整，即增加入口風速、增大風扇半徑、增加風扇數量，并結合仿真結果分析參數的調整對電池組最高溫度和溫度一致性的影響。
3.2.1 增加入口風速
將風扇的入口風速由最初的5m/s增加至15m/s，其余仿真參數保持不變，電池包的溫度場分布如圖5所示。相比于最初的設計方案，整個儲能電池包的溫度有明顯的降低，電池模組的最高溫度為48.22℃，最低溫度為29.77℃。不過電池模組間的溫差依舊很大，不符合溫度一致性的要求，需要做進一步的改進。
圖5 增加風速后溫度場分布
3.2.2 增大風扇半徑
圖6 增加入口半徑后溫度場分布
進一步增加進風量，考慮將風扇的直徑由原來的15cm增加至20cm，同時風速設置為15m/s，并保持其余參數不變，仿真結果如圖6所示。從圖中可以看出，雖然整個電池組的溫度有了進一步的下降，最高溫度為43.33℃，最低溫度為28.36℃。但兩側的模組相比于中間的模組溫度依舊很高，電池包的溫度一致性并未得到有效的改善。
3.2.3 增加風扇數量
通過上面的改進措施可知，僅憑單個風扇很難有效改善整個電池包溫度分布的均勻性，遠離風扇的電池模組并未得到有效且充分的散熱。為此，將底部風扇的數目由1個增加至3個，風扇半徑設為20cm，風速為15m/s。改進后電池包的溫度場分布情況如圖7所示。電池模組的最高溫度為33.94℃，最低溫度為27.45℃，最大溫差約為6℃。儲能電池包的溫度分布更加均勻，符合溫度一致性的要求。因此，經過改進后的風冷散熱系統能夠保證整個儲能電池包的正常工作。
為便于分析比較，圖8整理了不同設計參數下整個風冷散熱系統的最低溫度和最高溫度。從圖中溫度的變化趨勢可以看出，隨著入口風速、風扇半徑以及風扇數量的增加，電池包整體的溫度有明顯的下降，尤其是最高溫度，同時溫度均勻性也得到明顯的改善。因此，在設計風冷散熱系統時，需要綜合運用多種調節手段，來增強系統的散熱能力。
圖7 增加風扇后的溫度場分布
圖8 不同設計參數下風冷散熱系統的峰值溫度
4.1 液冷散熱系統的設計與仿真
液冷散熱根據物體與冷卻液是否接觸可分直接式和間接式[17]，對于電池組的散熱，一般采用間接式液冷散熱。考慮電池組的形狀和布置形式，液冷散熱系統采用冷板式結構設計，其整體結構如圖9(a)所示。其中，液冷板采用S型彎管構型，為增強換熱，流道表面為高密度散熱翅片，結構如圖9(b)所示。將電池模組布置在液冷板的上方，電池所產生的熱量通過熱傳導的方式傳遞到冷板上，再通過冷卻液與冷板之間的對流換熱將熱量帶走，從而間接的實現對電池模組的冷卻。
本文在設置仿真初始條件時，將電池組、液冷板、空氣的初始溫度設置為20℃，冷卻液為水，冷板的材料為鋁。冷卻液入口設置為速度入口，冷卻液入口速度為1m/s，入口溫度為20℃，出口則設置為壓力出口。仍考慮電池1C放電的工況，單體電池的生熱率為9964W/m3。
將上述參數輸入到仿真模型中，并利用Icepak軟件對整個液冷散熱系統進行穩態仿真分析，分別得到電池包和液冷板的溫度場分布，如圖10(a)和圖10(b)所示。從圖中可以看出，液冷板入口處的溫度較低，出口處的溫度較高，這是由于冷卻液與液冷板進行對流換熱所致。這也導致了處于液冷板入口上方的電池模組溫度普遍偏低，最低溫度為21.46℃，而處于出口上方的電池模組溫度較高，最高溫度為26.69℃，最大溫差為5.23℃。相比于上一節的風冷散熱系統，該套液冷散熱系統具有更好的散熱性能，可有效降低電池組的最高溫度和改善整個電池包的溫度一致性。
圖9 儲能電池包液冷系統的設計
圖10 液冷散熱系統的溫度場分布
4.2 不同參數下電池散熱特性分析
在液冷散熱系統中，冷卻液流速和冷卻液入口溫度都是可以進行調整的。為獲得更好的散熱效果，現討論上述參數的變化對儲能電池包散熱特性的影響。
4.2.1 冷卻液流速變化的影響
現考慮冷卻液入口流速的變化，對整個液冷系統散熱效果的影響。在保持其余仿真參數不變的前提下，將冷卻液入口流速分別設置為1.5m/s和2.0m/s，并進行仿真計算，從而得到整個散熱系統的溫度場分布，如圖11(a)和圖11(b)所示。
同樣將不同入口流速下，液冷散熱系統的最高溫度和最低溫度整理于圖12。從圖中可以看出，液冷散熱系統具有良好的散熱性能，特別是在改善電池包溫度均勻性方面表現更為出色。同時，隨著冷卻液入口流速的增加，電池組的最高溫度和最大溫差均有所下降，整個儲能電池包的溫度分布也更加均勻。
圖11 冷卻液入口流速對溫度分布的影響
4.2.2 冷卻液入口溫度變化的影響
圖12 不同入口流速下液冷散熱系統的峰值溫度
將冷卻液入口溫度由原來的20℃降低至15℃，其余仿真參數保持不變，經過計算得到整個液冷散熱系統的溫度場分布，如圖13所示。從圖中可以看出，當冷卻液入口溫度降至15℃時，電池組的最高溫度為21.69℃，最低溫度為16.46℃，相比于冷卻液入口溫度為20℃的情形，電池組的溫度峰值是有所降低的。然而電池組之間的最大溫差幾乎保持不變。可以認為，降低冷卻液入口溫度對改善電池溫度一致性的作用比較有限。
圖13 冷卻液入口溫度為15℃時的溫度場分布
本文通過仿真的手段分析了船用儲能電池包在風冷散熱系統和液冷散熱系統作用下的溫度場分布。并通過調整散熱系統的關鍵設計參數，以電池最高溫度和溫度一致性作為衡量系統散熱能力的重要指標，分析參數的調整對整個系統散熱效果的影響，以期獲得最佳的散熱設計方案保證船舶儲能電池包的正常工作。
對于只含有單個風扇的風冷散熱系統，增大風扇入口的風速和風扇半徑，雖然在一定程度上可以降低電池包整體的溫度，但是并不能有效改善電池包溫度分布的均勻性，遠離風扇的電池模組散熱效果不是很理想。因此，為了減小電池模組之間的溫差，提高電池溫度的一致性，在風冷散熱系統設計中需要綜合運用多種調節手段以獲得最佳的散熱效果。
相比于風冷散熱系統，液冷散熱系統具有更好散熱效率，尤其在改善電池包溫度均勻性方面表現更為出色。提高冷卻液入口流速、入口溫度均可降低電池組的整體溫度，不過冷卻入口溫度的降低對改善電池包溫度分布的均勻性作用不大。因此，在對液冷散熱系統進行設計時，可將重點放在冷卻液入口流速的調節或者冷卻介質的選擇上。
風冷散熱系統具有結構簡單、維護方便、成本低廉等優點，不過散熱效率不及液冷散熱。液冷散熱系統具有較好散熱能力，但結構較為復雜，不利于日常的維護，尤其是在海洋環境適應性方面還有待研究。因此，在今后船舶儲能系統的熱設計中應從散熱需求、運行成本、設備維護難易程度等角度綜合考慮，選取合適的散熱方案以確保鋰電池組能夠安全可靠地運行。
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