基于数字孪生的锂离子储能电站环境控制方法

林 达，张雪松，汪湘晋

(国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014)

0 引言

随着新型电力系统的快速建设，高比例可再生能源的随机性和波动性给电网的稳定运行和灵活调节带来了新的挑战。储能电力系统作为一种可灵活调度的资源，对于新型电力系统的建设和发展具有重要意义，但储能电站的安全性成为制约其快速发展的关键瓶颈之一[1-3]。

锂离子电池因其高能量/功率密度、低自放电率、长寿命等优点被认为是储能电站的首选。锂离子电池储能在电化学储能中的占比最高，然而热影响导致的锂离子电池性能衰退和安全问题阻碍了其进一步推广应用。锂离子电池的最佳工作温度为20～35 ℃，过高或过低的温度都会降低电池寿命，影响电池的安全性，甚至造成永久性的损坏[4-6]。

锂离子电池的安全问题归根到底是热失控，而引起热失控的因素众多，主要可分为机械滥用(挤压、针刺)、电滥用(过充、过放、外短路)和热滥用(局部过热)。合理的锂离子储能电站环境控制可有效解决或抑制因温度引发的热失控等问题。根据散热工质的不同，锂离子储能电站热管理方式可分为风冷、液冷、相变材料散热以及热管散热等。风冷方式利用自然风或风机自带的散热器为电池降温，结构简单、便于维护，目前在储能电站中的应用最广泛。然而不同的风机转速和环境温度下，储能模组内的电池温度差异较大，对电池的一致性和安全性影响较大[7]。

因此，从锂离子储能电站产热基本理论出发，建立储能电站集总热模型以及电池舱热流耦合模型，并提出基于数字孪生的储能电站电-热-流一体化环境控制策略，以实现储能电站的智慧热管理，降低锂离子电池热失控的风险，保障储能电站高效安全运行。

1 锂离子储能电站热流耦合模型

1.1 集总热模型

锂离子电池的工作过程中产生的热量由反应热、焦耳热、极化热和副反应热四部分组成。

1) 反应热。反应热是锂离子电池在充放电过程中，锂离子嵌入和脱出电极时发生化学反应所产生的热量，即可逆熵热，其计算公式如下。

其中：iL为电池工作电流，T为温度，EOCV为开路电压，T为熵系数，两者为荷电状态(SOC)的函数。

2) 焦耳热。焦耳热是电流流经电池时电池欧姆内阻产生的热量。焦耳热是电池充放电过程中产生热量的主要部分，即不可逆热，其计算公式如下。

其中：Ri为电池欧姆内阻，包括导热极耳、集流体、活性物质间的接触电阻、电极内阻和电解液内阻。

3) 极化热。电流流经锂离子电池时，电池会因负载电流的通过而出现电极电位偏离平衡电极电位的现象，在此过程中产生的热量即为极化热，计算过程中可以忽略。

4) 副反应热。副反应热包括电池的电解液分解、自放电、过充过放等过程中产生的热量，正常工作范围内的副反应热也可以忽略不计。

综上，锂离子电池的总产热量可通过Q=Qr+QI进行计算。

基于热路模型理论，分别使用电容和电阻描述热容和热阻，将热源视为电路中的直流源，而温度则等效为该点的电势。采用熵热系数用于计算电池的化学反应产热，通过历史数据生成电池荷电状态(SOC)-开路电压(OCV)函数曲线并根据开路电压估计出电池的当前荷电状态，进一步使用安时积分法计算出电池的当前容量，根据公式计算出产热，最终根据电池比热容等参数计算出电池温度。

1.2 热流耦合模型

锂离子储能电站电池舱大多采用集装箱式结构，舱内空气的流动及对流换热、电池的生热—蓄热—导热—散热、结构件的导热等过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒三个基本的物理规律，即三大方程是流动和传热问题的基本数学描述，流体运行遵循的三大定理统称Navier-Stokes 方程组，具体分析如下。

1.2.1 连续性方程

连续性方程是质量守恒方程在流体力学中的具体表述形式。对于固定位置的空间微元体，单位时间内微元体内质量的增加量等于同一时间段内进入微元体的质量与流出微元体质量之差，据此可以得到如下质量连续性方程。

该方程为可压缩流体方程，密度ρ、速度u是方程中的两个变量；若流体为不可压缩流体，即流体密度不随着流速、压力等因素而改变，则方程可进一步简化为。

1.2.2 动量守恒方程

动量守恒方程与连续性方程一起是舱内空气流体流动的描述，空气的流动情况决定了电池与周围环境热量传递的方式和速率，因此流场的准确预测是电池温度准确计算的基础。由动量守恒定律可知微元体在三个方向上的动量增加率等于微元体各自方向上力的叠加，动量守恒方程式如下。

该方程基于牛顿第二定律F合=m·a推导。方程左侧为m·a的分解项，其中为时间项，为惯性项；方程右侧为F合的分解项，其中为表面力(压力和粘滞剪切应力)，F为体积力(如重力)。

1.2.3 能量守恒方程

能量守恒方程描述了流体流动过程中流体与流体之间、流体与固体及周围环境之间能量的转换关系，同时由于能量的变化也会影响到流体的运动状态，在舱内高强度热源产生的强烈热羽流与空调送风混合影响了冷空气快速均匀传递至电池表面。因此流体的流动与能量的同步求解十分必要。能量方程将流动与热量传递相结合，能量方程表示如下。

同时，为了说明传导及所有这些贡献项，需要使用下方的瞬态传热方程以说明流体中的温度场。

其中：PA为绝对压力，αP为热膨胀系数，为特征温度差，k为导热系数。

集装箱式储能电站等效电路模型[8]和热流耦合模型之间相互影响，而热力学模型与流体力学模型之间又互相耦合，因此，储能电站在运行过程中存在着复杂的多物理场特性。

综上，通过利用等效电路模型、集总热模型和热流耦合模型构建集装箱式锂离子储能电站的数字孪生模型，实时更新电气和热力学模型的参数，可以更准确地模拟储能电站的温度分布、热损耗以及电热流耦合效应。

2 锂离子储能电站数字孪生模型建立

选取浙江某用户侧预装式磷酸铁锂电池储能电站0.5 MW/1 MWh (6 个电池簇，每簇238 个单体电池，单体电池容量280 Ah)作为研究对象进行分析。

根据设计图纸，集装箱式锂离子储能电站电池舱总体平面尺寸为9 200 mm×2 500 mm，包含了电池室和储能变流室(PCS 室)两个空间(见图1)。由于研究以电池舱电池簇为主要对象开展，因此选取电池室为主体空间，分析集装箱热-流物理场主要结构，包括电池簇(编号1-1、1-2、1-3、2-1、2-2、2-3)、12.5 kW 柜式空调、电池舱壁、出风口等。

图1 储能电站集装箱设备布置

在SOLIDWORKS 软件中建立电池舱及主要部件的三维结构，具体参数如表1 所示。在COMSOL 软件中导入SOLIDWORKS 建立的三维模型，对该模型进行新工作平面定义后，通过布尔操作与分割定义出“空气域”“电芯域”“入风口面”“出风口面”等部分，最终形成几何联合体。

表1 电池舱及主要部件参数

由于部分参数需实时计算输出，在建模过程中定义了初始参数，部分参数如表2 所示。

表2 部分参数

2.1 集总热模型估计

根据单体电池的实验数据，进行热总成模型估计，结果如图2 所示。据估计结果可知，热路模型对恒流充放电和复杂多变的动态应力工况均具有良好的适应性，估计误差小于1 K。结果表明该方法能够准确估算电池的内部温度，并具有良好的适应性与鲁棒性。

图2 集总热模型估计

2.2 历史工况热流模型模拟结果

选取2022-11-11—2022-11-20 的运行数据，以其中某段充放电工况的数据作为输入，进行热-流一体化模拟。根据采集到的历史工况数据，仿真出对应的电-热-流耦合物理场，其中最主要的输入参数包括单体的产热功率与初始温度值，输出结果为温度场与流体场。图3 为根据2022-11-11 储能系统实地采集数据仿真出的结果，平均产热功率为20.0 W 段时，最低温度298.98 K，最高温度308.41 K，平均温度303.76 K；平均产热功率为42.7 W 段时，最低温度298.25 K，最高温度316.22 K，平均温度308.07 K。

2.3 未来工况热流模型推演

通过实验数据进行参数辨识得到的恒功率运行不同荷电状态状态下的电池开路电压、电池欧姆内阻等参数，计算出未来100 s 时间内工作端电压，以该预测结果的端电压进一步计算出电池的产热功率，并以此为输入进行未来工况的推演，如图4、5 所示。

图4 电池开路电压预测结果

图5 未来工况推演结果

3 基于数字孪生的储能电站环境控制

传统的热管理系统均以粗放、批量化热处理为主，而在储能电池实际工作过程中，电池热负荷随着工作特性的变化而变化，且同一状态下各电池间的散热量也呈现出较大的不一致性。因此，根据每一个电池模块在不同工况下的热负荷需求来精准地设计电池冷却系统迫在眉睫，解决上述问题的有效途径为基于电-热-流一体化数字孪生技术(电池的电动力学及流体的流动和传热机制相耦合)而提出的集装箱储能系统一体化的环境控制策略。

选择充电工况下不同平均产热功率电池舱的历史数据，根据统计结果可知：当产热功率增加时，最高温度与平均温度均上升，其中最高温度在产热功率大约20 W 时上升速率激增(见图6)，需要在产热功率大于20 W 时，加大散热系统的工作强度。

图6 充电工况下不同平均产热功率电池舱的历史数据统计

针对电池舱温度场与流体速度场推演结果，可预测电池舱内部空气域不同位置温度分布不均匀情况，根据此信息及时改变空调的扫风方向，调整流体场流速分布，创造更优的风冷散热条件，进而缓解局部区域热量集中问题。

图7 模拟仿真显示空调风向为向上45°时，区域1 空气流速较快，散热条件较好；区域2 空气流速较慢，存在局部热量集中问题。在调整空调扫风情况之后(水平向内部扫风)，整个电池舱的温度场分布相对均匀，没有明显的局部热量集中现象（见图8）。

图7 空调向上45°扫风模拟结果

图8 空调水平向内部扫风模拟结果

利用该电站数字孪生模型对电池温度一致性进行模拟分析。改变空调出风口的风速方向，在同一工况(平均产热功率20 W)、参数一致的情况下，模拟结果显示随着角度的变化，电池散热面的最高温度和平均温度都发生了改变；而出风方向为+45°时，电池间温差较小，有利于保证温度的一致性。

4 结束语

针对集装箱式锂离子储能电站的环境控制问题，建立了储能电池的集总热模型以及热流耦合模型，并依托COMSOL 软件建立了某锂离子储能电站的数字孪生模型，准确实现了电池舱内温度与流场的历史工况模拟，最后提出了基于数字孪生模型以及未来工况推演的环境控制策略。通过结果分析，所提的环境控制策略可显著提升集装箱内电池温度的一致性，为储能电站高效运行、安全维护、决策支持提供了支撑。