热结构优化与翅片辅助冷却对光伏储能棱柱型磷酸铁锂电池组散热性能的影响
来源：JLG电瓶 2026-06-06 10:07:45 点击：
光伏储能体系中方形磷酸铁锂(LiFePO₄)电池组的高效热办理对电池功能、寿数及安全性至关重要。本文选用灰色相关剖析法(GRA)研讨了光伏储能用方形LiFePO₄电池组散热功能的热结构优化，并根据田口实验规划办法开展L9选用正交阵列办法，经过ANSYS Fluent数值模仿剖析单体电池距离（x与y方向）、放电倍率（C-rate）以及空气流速对热办理（冷却）功能的影响，以实现热-结构优化。经模仿确认最优结构装备参数为：x方向距离20毫米（A2）、y方向距离10毫米（B1）、放电倍率0.7C（C1）以及空气流速4米/秒（D3最佳构型的最大温度（Tₘₐₓ）、温差（ΔT）、紧凑模块体积及无翅片时的最高热工水力功能比分别为308 K、0.672 K、22,153 cm³和0.49，对应平均温度下降11 K与热效率提高3.4%。3以及2方差剖析（ANOVA）成果显现，C倍率是影响最明显的因素，贡献率达81.12%，其次是风速（v），贡献率为7.59%。随后，在选定的最优结构规划计划中，研讨了圆柱形、圆锥形和棱柱形翅片辅佐冷却的效果。经核算，圆柱形、圆锥形和棱柱形翅片辅佐冷却的温度分别为304.8K、305.3K和305.6K。无翅片结构的压力丢失最低（231Pa），而圆锥形、棱柱形和圆柱形翅片的压力丢失分别为865Pa、811Pa和578Pa。圆柱形翅片辅佐冷却的热工水力功能比（Φ）最佳，核算值为0.52，较无翅片结构提高了6%。针对最低和最高温度（T1，T1）与热工水力功能比（Φ）及R3值的核算成果显现预测精度较高，分别到达0.998、0.999和0.980。因而，本研讨将为光伏储能体系中棱柱形磷酸铁锂（LiFePO₄）电池模块的改进型翅片辅佐冷却规划提供重要参阅与价值辅导。max, Tmin) and the thermal–hydraulic performance ratio (Φ) and the R2 values have calculated high predictive accuracy as 0.998, 0.999 and 0.980, respectively. As a result, this work will provide a significant reference and valuable guidance for designing improved fin-assisted cooling on a prismatic LiFePO₄ battery module in PV-based BESS applications.
近年来，磷酸铁锂（LiFePO₄）电池因其高热稳定性、长循环寿数及相较于钴酸锂（LCO）和镍锰钴氧化物（NMC）体系更优异的安全性[[4,5]]，在储能使用中备受重视。其热失控危险低且选用环境友好资料的特色，使其成为光伏-电池储能体系（PV–BESS）使用的理想挑选。但是，热办理仍是首要挑战，因为温度分布不均会导致热点形成、加快功能衰减并下降体系可靠性[[6], [7], [8], [9]]。
在各种电池热办理体系（BTMS）中，空气冷却因其结构简单、本钱低价和保护快捷等优势，在光伏集成储能体系中得到广泛使用[10,11]。虽然磷酸铁锂电池可在−40°C至+60°C温度区间作业[12]，但其最佳运行温度规模为10–35°C[13]。当温度超越40°C时，可能导致电解液分化、锂分出及内阻添加，而温度过低则会明显下降电池功能[[14], [15], [16]]。这些挑战突显了高效热控制在保证电池安全性和延伸使用寿数方面的重要性[17]。
近期研讨聚集于经过优化气流路径和结构布局来改进空冷式电池热办理体系（BTMS）规划[18]。例如，Chen等人[19]开发了一种自适应空冷BTMS，能在提高能效的一起将锂离子电池温度维持在安全规模内。虽然液冷技术具有更优异的热耗散功能，但在优先考虑低本钱、轻量化及简易保护的场景中，空冷计划仍更具优势[20]。空冷体系的功能体现高度依赖于流道几许形状与气流分布均匀性[21,22]。气流路径的结构优化能明显下降温度梯度并改善冷却均匀性[[23], [24], [25]]。多位学者还研讨了将相变资料(PCMs)集成至气流通道的混合构型以提高温度稳定性。Suo等[26]选用PCM-空气耦合冷却办法评价了电池组热功能，并提出一种在减少PCM用量的一起提高BTMS功能的<策略>。Shengxin等[27]研讨了三元聚合物锂离子电池（TPLBs）在炎热气候下选用不同相变资料（白腊、10%石墨烯纳米片+白腊、10%膨胀石墨+复合相变资料）的散热效果，并使用含糊灰色相关剖析法进行评价。Xiao等[28]提出了一种结合相变资料与液冷的复合冷却体系，用于剖析不同条件下电池组的热失控传达特性。Ma等[29]报道了根据金属有机结构（MOF）的复合相变资料可明显提高热办理功能。类似地，Chen等[30]证实空气-相变资料复合资料能有用按捺动态负载下的温度动摇并延伸循环寿数。
另一种有用的被动式办法涉及翅片集成技术，该技术经过扩大对流换热表面积而不添加体系复杂度[[31], [32], [33]]。Xu等[34]强调了翅片式电池热办理体系（BTMS）规划的可制作性与本钱效益，而Kumar和Rao[35]的研讨标明翅片-相变资料（PCM）复合资料能有用按捺循环温度动摇。Joshi等[36]选用ANSYS Fluent对根据翅片与PCM的被动加热体系进行了核算剖析，研讨了其在低温环境下对18,650型锂离子电池的热办理功能。与此一起，Liu等人[37]对锂离子电池故障诊断的最新进展进行了全面综述，而Karakoç[38]则探究了选用无机过渡金属氧化物/碳复合资料优化储能器件电化学功能的结构规划办法。Pang等人[39]经过优化规划结构，提出了一种结合电池与超级电容器(UCs)的新式混合储能体系(HESS)。
本文与现有文献不同，研讨了根据光伏储能体系（PV-based BESS）的棱柱形磷酸铁锂（LiFePO₄）电池组的热-结构优化与翅片辅佐散热对散热功能的影响。该办法的立异点在于：初次在光伏储能体系布景下专门研讨棱柱形磷酸铁锂模块的翅片辅佐散热功能。选用田口实验规划办法，执行了L...9选用正交阵列结合数值模仿办法，经过ANSYS Fluent对16槽机架式模块进行剖析，研讨确认的结构参数对热（冷却）功能的影响。使用方差剖析（ANOVA）确认了各参数对最高温度（Tmax）、温差（ΔT）、电池包体积以及热工水力功能比（Φ）的贡献率。此外，研讨了圆柱形、圆锥形和棱柱形三种不同翅片几许结构，以增强翅片辅佐冷却对棱柱形LiFePO₄电池包散热功能的提高效果。一起，针对最低温度（Tmax，Tmin）以及最高热工水力功能比（Φ）。针对光伏集成磷酸铁锂（LiFePO₄）体系的热工水力与结构规划优化所得成果，本研讨与文献数据进行了比照剖析并展开讨论。
导言
近年来，环境问题与化石燃料资源的快速干涸加快了向更可持续、更环保能源计划的转型。在可再生能源技术中，光伏（PV）发电因其可扩展性、本钱效益和广泛可获得性而锋芒毕露。全球光伏装机容量于2023年打破1太瓦，估计2030年将超越2.5太瓦——仅2023年新增装机量就增长近40%[1]。但是，可再生能源发电的间歇性与不规律性使得储能体系成为重视焦点[2]。电池储能体系（BESS）经过存储发电高峰期的过剩能量并在低发电时段释放，对平抑这些动摇起到关键效果，然后提高供电可靠性与电网可调度性[3]。近年来，磷酸铁锂（LiFePO₄）电池因其高热稳定性、长循环寿数及相较于钴酸锂（LCO）和镍锰钴氧化物（NMC）体系更优异的安全性[[4,5]]，在储能使用中备受重视。其热失控危险低且选用环境友好资料的特色，使其成为光伏-电池储能体系（PV–BESS）使用的理想挑选。但是，热办理仍是首要挑战，因为温度分布不均会导致热点形成、加快功能衰减并下降体系可靠性[[6], [7], [8], [9]]。
在各种电池热办理体系（BTMS）中，空气冷却因其结构简单、本钱低价和保护快捷等优势，在光伏集成储能体系中得到广泛使用[10,11]。虽然磷酸铁锂电池可在−40°C至+60°C温度区间作业[12]，但其最佳运行温度规模为10–35°C[13]。当温度超越40°C时，可能导致电解液分化、锂分出及内阻添加，而温度过低则会明显下降电池功能[[14], [15], [16]]。这些挑战突显了高效热控制在保证电池安全性和延伸使用寿数方面的重要性[17]。
近期研讨聚集于经过优化气流路径和结构布局来改进空冷式电池热办理体系（BTMS）规划[18]。例如，Chen等人[19]开发了一种自适应空冷BTMS，能在提高能效的一起将锂离子电池温度维持在安全规模内。虽然液冷技术具有更优异的热耗散功能，但在优先考虑低本钱、轻量化及简易保护的场景中，空冷计划仍更具优势[20]。空冷体系的功能体现高度依赖于流道几许形状与气流分布均匀性[21,22]。气流路径的结构优化能明显下降温度梯度并改善冷却均匀性[[23], [24], [25]]。多位学者还研讨了将相变资料(PCMs)集成至气流通道的混合构型以提高温度稳定性。Suo等[26]选用PCM-空气耦合冷却办法评价了电池组热功能，并提出一种在减少PCM用量的一起提高BTMS功能的<策略>。Shengxin等[27]研讨了三元聚合物锂离子电池（TPLBs）在炎热气候下选用不同相变资料（白腊、10%石墨烯纳米片+白腊、10%膨胀石墨+复合相变资料）的散热效果，并使用含糊灰色相关剖析法进行评价。Xiao等[28]提出了一种结合相变资料与液冷的复合冷却体系，用于剖析不同条件下电池组的热失控传达特性。Ma等[29]报道了根据金属有机结构（MOF）的复合相变资料可明显提高热办理功能。类似地，Chen等[30]证实空气-相变资料复合资料能有用按捺动态负载下的温度动摇并延伸循环寿数。
另一种有用的被动式办法涉及翅片集成技术，该技术经过扩大对流换热表面积而不添加体系复杂度[[31], [32], [33]]。Xu等[34]强调了翅片式电池热办理体系（BTMS）规划的可制作性与本钱效益，而Kumar和Rao[35]的研讨标明翅片-相变资料（PCM）复合资料能有用按捺循环温度动摇。Joshi等[36]选用ANSYS Fluent对根据翅片与PCM的被动加热体系进行了核算剖析，研讨了其在低温环境下对18,650型锂离子电池的热办理功能。与此一起，Liu等人[37]对锂离子电池故障诊断的最新进展进行了全面综述，而Karakoç[38]则探究了选用无机过渡金属氧化物/碳复合资料优化储能器件电化学功能的结构规划办法。Pang等人[39]经过优化规划结构，提出了一种结合电池与超级电容器(UCs)的新式混合储能体系(HESS)。
本文与现有文献不同，研讨了根据光伏储能体系（PV-based BESS）的棱柱形磷酸铁锂（LiFePO₄）电池组的热-结构优化与翅片辅佐散热对散热功能的影响。该办法的立异点在于：初次在光伏储能体系布景下专门研讨棱柱形磷酸铁锂模块的翅片辅佐散热功能。选用田口实验规划办法，执行了L...9选用正交阵列结合数值模仿办法，经过ANSYS Fluent对16槽机架式模块进行剖析，研讨确认的结构参数对热（冷却）功能的影响。使用方差剖析（ANOVA）确认了各参数对最高温度（Tmax）、温差（ΔT）、电池包体积以及热工水力功能比（Φ）的贡献率。此外，研讨了圆柱形、圆锥形和棱柱形三种不同翅片几许结构，以增强翅片辅佐冷却对棱柱形LiFePO₄电池包散热功能的提高效果。一起，针对最低温度（Tmax，Tmin）以及最高热工水力功能比（Φ）。针对光伏集成磷酸铁锂（LiFePO₄）体系的热工水力与结构规划优化所得成果，本研讨与文献数据进行了比照剖析并展开讨论。