1 Luftkühlungs- und Wärmeableitungsdesign von industriellen und kommerziellen Energiespeichersystemen

Luftkühlung ist die Verwendung von Luft als Wärmeaustauschmedium, die Verwendung von Luft zur Zirkulation im Batteriepack, die Verwendung des Temperaturunterschieds zwischen dem Batteriemodul und der Luft zur Wärmeübertragung, im Allgemeinen unterteilt in passive Luftkühlung und aktive Luftkühlung. Die Hauptfaktoren, die die Kühleffizienz beeinflussen, sind Kühlmodus, Luftströmungsfelddesign, Batterieanordnung und Lufteinlasswindgeschwindigkeit.

1.1 Batterieabmessungen und -abstände
Der Batterieabstand ist ein Schlüsselfaktor, der die Leistung der Luftkühlung beeinflusst. Ein geeigneter Batterieabstand kann nicht nur die Effizienz der Luftkühlung verbessern, sondern auch die gleichmäßige Verteilung der Batterietemperatur aufrechterhalten. Der vordere und hintere Abstand sowie der linke und rechte Winkel benachbarter Zellen im Batteriemodul wurden in 6 unabhängige Variablen umgewandelt, und die entsprechende CFD-Simulationsausgabe (maximale Temperatur und Temperaturunterschied) wurde verwendet, um das Bayesianische neuronale Netzwerk zu trainieren und die optimale Anordnung des Batterieabstands zu erhalten. Die Studie zeigte, dass der vordere und hintere Abstand weniger Einfluss auf die Batterietemperatur hatte als der linke und rechte Abstand. Eine Vergrößerung des Abstands von links nach rechts im mittleren Bereich des Batteriepacks kann die Temperaturgleichmäßigkeit des gesamten Batteriepacks verbessern. Eine parallele Optimierungsstrategie für die Luftzufuhr, die den Abstand um kühlere Zellen verringert, indem der Abstand zwischen wärmeren Zellen vergrößert wird. Die Effizienz des Luftkühlsystems wird optimiert. Bei konstanter Heizleistung wird die maximale Temperatur des Batteriepacks um 0,8 K reduziert und der maximale Temperaturunterschied um 2,9 K (um 42 %) verringert. Diese Optimierungsstrategie hat einen erheblichen Effekt bei der Kontrolle des Temperaturunterschieds. Bei instationärer Heizrate verringert sich die maximale Temperaturdifferenz bei Entladung auf 4 °C und 5 °C um 39 % bzw. 37 % (1,5 K bzw. 1,8 K), und sowohl die Maximaltemperatur als auch die maximale Temperaturdifferenz verringern sich. Der Einfluss unterschiedlicher Batterieabstände und Einlasslängen im luftgekühlten System des Lagerbehälters wurde untersucht. Die Simulationsbedingung ist eine Stromentladung von 1 °C und die Umgebungstemperatur und die Einlassgastemperatur betragen 25 bzw. 15 °C. Die Auswirkungen von Batteriemodulabständen von 10, 20 bzw. 30 mm und Lufteinlasslängen von 80, 130 bzw. 180 mm auf die Systemtemperatur wurden verglichen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die beste Wirkung wird erzielt, wenn der Abstand 20 mm und die Lufteinlasslänge 80 mm beträgt. Es ist ersichtlich, dass eine Vergrößerung des Batterieabstands in einem bestimmten Bereich eine Rolle bei der Systemoptimierung spielen kann, und die Wirkung wird besser, wenn die Lufteinlasslänge verkürzt wird.

1.2 Systemdesign und Wärmemanagementstrategie

Das Ziel des Systemdesigns und der Wärmemanagementstrategie besteht darin, die Temperatur des Batteriemoduls rechtzeitig und effektiv zu regeln, damit die Batterie in einer geeigneten Umgebung arbeiten kann. Die bestehende Forschung umfasst hauptsächlich das Design der Steuerungsstrategie, die Art des Luftströmungsfelds und die Optimierung der Lufteinlasswindgeschwindigkeit, um die Effizienz des Wärmemanagementsystems sicherzustellen.
(1) Systemsteuerungsstrategie

Mit dem Ziel, das Wärmemanagement eines Megawatt-Container-Energiespeichersystems zu gewährleisten, wurde eine Reihe von Temperaturregelungsstrategien für das Energiespeichersystem entwickelt, darunter Klimaanlage und Lüfter. Das System steuert den Betrieb und das Herunterfahren der Klimaanlage und des Lüfters entsprechend der Echtzeittemperatur der Batterie und der Umgebungstemperatur. Wenn die Umgebungstemperatur unter 12 °C liegt, heizt die Klimaanlage die Batterie, und wenn die Temperatur über 28 °C liegt, kühlt die Klimaanlage die Batterie. Wenn das BTMS erkennt, dass die Temperatur einer BBU über 33 °C liegt, startet der Lüfter der BBU automatisch. Wenn die Temperatur der BBU unter 31 °C liegt, stoppt der Lüfter der BBU. Die Daten zeigen, dass die Betriebstemperatur der Batterie unter 40 °C gehalten wird und die Temperaturkonstanz bei niedriger Leistungsaufnahme gut ist. Für 5×5 Batteriemodule wurde ein Wärmemanagementsystem mit mehreren Ausgängen entwickelt, das sich vom vorherigen mit einem Ausgang unterscheidet und eine effektivere Wärmeableitungsleistung bietet. In dieser Studie befindet sich 1 Lufteinlass oben in der Mitte und 4 Luftauslässe in der unteren rechten Ecke der vier Seiten, was den besten Kühleffekt hat. Im Vergleich zum Originalmodell sind die maximale Temperatur, der maximale Temperaturunterschied, die Durchschnittstemperatur und die Temperaturstandardabweichung um 16,4 %, 48,7 %, 10,5 % bzw. 43,1 % reduziert. Wenn die Batterie bei 3 °C entladen wird, kann die Temperatur des Batteriemoduls unter 40 °C gehalten werden, indem eine Lufteinlassgeschwindigkeit von mindestens 2 m/s bereitgestellt wird. Daraus lässt sich erkennen, dass die Strategie sicherstellt, dass die Batterie auch unter Bedingungen mit hoher Rate gut laufen kann.

9 Arten von Luftströmungsfeld-Designdiagrammen

Temperaturfeld von Lagerbehältern unter verschiedenen Aufbauten

Maximaltemperatur und Temperaturunterschied von Batterien unter verschiedenen Luftströmungsfeldern

(2) Design des Systemlayouts
Im Luftkühlsystem kann die Kühleffizienz durch die Wahl des richtigen Strömungsmusters weiter verbessert werden. Der Einfluss verschiedener Luftströmungsfelder auf die Temperatur des Batteriemoduls wurde untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Temperatur der Flüssigkeit während des Strömungsprozesses bei Verwendung einer seriellen Luftzufuhr nacheinander ansteigt, was zu einem großen Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten der Batterie führt. Die keilförmige parallele Luftzufuhr (Z-Typ) kann die Konsistenz der Batterietemperatur effektiv sicherstellen. Die maximale Temperatur und der Temperaturunterschied der Batterie im Batteriepack unter 9 verschiedenen Strömungsfelddesigns mit gleicher Luftgeschwindigkeit und Wärmeableitungseffizienz wurden untersucht, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Ergebnisse in Tabelle 3 zeigen, dass die Kühlwirkung des Strömungsfelds Nr. 3 am schlechtesten ist und die entsprechenden Tmax und ΔTmax 329,33 K bzw. 8,22 K betragen. Die niedrigsten Tmax (324,91 K) und die niedrigsten ΔTmax (2,09 K) treten am 9. bzw. 7. auf. Es ist ersichtlich, dass die Position des Einlasses und des Auslasses einen erheblichen Einfluss auf das Konvektionsmuster hat und unterschiedliche Strömungswege zu unterschiedlicher Luftverteilung führen. Je höher die Luftgeschwindigkeit auf beiden Seiten der Batterie ist, desto besser ist der Kühleffekt, je näher die Luftgeschwindigkeit in jedem Kanal ist und desto besser ist die Temperaturkonsistenz der Batterie.

(3) Lufteinlasswindgeschwindigkeit

Die Windgeschwindigkeit ist für ein Luftkühlsystem sehr wichtig. Eine angemessene Windgeschwindigkeit kann die Kühlleistung des Systems verbessern und gleichzeitig einen niedrigen Energieverbrauch sicherstellen. Die Kühlleistung von BTMS bei unterschiedlichen Einlasswindgeschwindigkeiten wurde untersucht. Bei BTMS mit Klimaanlage beträgt die Einlasslufttemperatur bei einer Umgebungstemperatur > 20 °C 20 °C und bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C wird die Umgebungsluft direkt gekühlt. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei Umgebungstemperaturen zwischen 30 °C und 50 °C die durchschnittliche Temperatur und der maximale Temperaturunterschied der Batterie in einem vollständigen Zyklus mit zunehmender Windgeschwindigkeit sinken. Wie aus Tabelle 4 ersichtlich, kann die Batterie bei einer Windgeschwindigkeit von 1 m/s eine angemessene Temperatur aufrechterhalten, und wenn die Windgeschwindigkeit weiter zunimmt, nimmt der Nutzen allmählich ab und der Energieverbrauch steigt. Daher sollte bei der Auswahl der Windgeschwindigkeit in der Praxis ein Gleichgewicht zwischen beiden hergestellt werden. Die Studie ergab außerdem, dass eine Erhöhung der Windgeschwindigkeit die Betriebstemperatur und die maximale Temperaturdifferenz der Batterie verringern kann und sich auch der Kapazitätsverlust der Batterie verlangsamt.

Temperatur am Ende des Zyklus bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten