我国正处于工业高速发展的时期，工业生产和居民生活的用电需求量快速增大。尽管我国新能源电力事业发展迅速，包括风电站、光伏电站、抽蓄电站在近年来大量建设，但新能源发电波动性明显，存在峰值时发电功率高于电网负荷，产生弃风弃光的问题。未来随新能源装机比例提升，弃风弃光的问题将日益突出。
集装箱式电池储能系统示意图
拥有调峰填谷、调频调相、事故备用和吸收多余电能等多方面优良能力的储能电池系统在现今得到了大力的发展。集装箱式储能系统是由数块锂电池紧密排列构成，储能系统在进行充电及放电时，系统内部的电池会产生大量的热量，由于锂电池排列较为紧密，间隙较小，导致电池所产生的热量很难快速排出，电池组之间会出现热量聚集、运行温差较大等现象。
因此，在充分认识锂电池的温度特性和热释放特点的基础上，研究及开发安全高效的电池热管理技术，对锂电池的广泛应用具有重要意义。本文通过NFX CFD传热分析模块，利用流固共轭传热功能计算了集装箱式储能系统在电池温升过程，分析了集装箱内部的通风效率以及系统内部对流散热特性。
1集装箱式ESS储能系统流固共轭传热模型
图1 集装箱式ESS系统建模示意图
本次计算集装箱式储能系统主要考虑部件为岩棉集装箱体，箱体为10.6m*3.5m*2.8m的长方体集装箱、9台电池机组、2台配电柜机箱，电池机组及配电柜机箱中考虑恒定温升热源，电池简化为体积0.27m³的长方体热源，配电机箱中考虑体积为0.165m³热源，并利用NFX中一键抽取流体域功能，学习该功能可参考往期文章《【NFX CFD与流体力学】：计算流体域与NFX CFD体积抽取功能》，建立系统内部的空气流体计算域模型。
2网格划分与边界条件设置
对集装箱体内散热系统进行了网格划分，根据不同部件的结构性质及热属性根据下表确定材料的基本属性，如表1所示。
图2 集装箱式ESS系统网格展示图
基于上述物理性质针对不同集装箱体内散热系统部件进行了自动网格划分，网格划分方式采用高速四面体网格生成，热源部件网格尺寸为0.1m，空气网格尺寸为0.13m，岩棉集装箱体箱及机箱网格尺寸为0.1m，各部件之间采用自动节点耦合。如图2所示，总网格单元数量为78万，节点数为13万。
图3 边界条件设置示意图
空调进口为速度进口，按恒定3.5m/s的速度通入20℃冷空气，空调出口设为静压出口，出口压力为0Pa。电池考虑热源28000W/m3、配电柜产热部件考虑热源12000W/m3。环境温度为28℃，集装箱外部表面热对流系数为5 W/(m2*℃)。集装箱体内部空间出结构几何外均视为空气，空气与固体接触面均设为无因次距离壁面y+。
3边界条件设置及求解设置
图4 求解设置参数设置
计算按瞬态进行分析，总共计算250s内机柜和配电柜内高地热源产热以及空调冷空气的对流散热效率。湍流模型选择k-ε模型。流体介质为不可压缩空气，流体和结构采用节点耦合方式进行能量数据的传递，固体与流体的初始温度均为28℃，环境温度为28℃。工作压力为101325Pa，初始计算域压力为0Pa。时间增量为0.1s，步骤数为2500步，共计算250s的物理时间，每25步输出一次中间数据。
4后处理结果提取
特征截面流速分布图
特征截面温度分布图
集装箱250S流体空气域平均温度
集装箱固体结构温度变化图
不同位置电池温度曲线
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2024全球储能BMS的技术发展及竞争趋势——热失控管理技术篇根据《EESA2024中国储能发展白皮书-机遇与挑战》，热失控是电池在特定条件下，如高温、过充、内部短路等，导致电池内部化学反应失控，产生大量热量并可能引发火灾或爆炸的现象。
图1 电池热失控触发方式
图片来源：华塑科技
对于电化学储能系统来说，热失控抑制管理显得尤为重要，以下是两种常见的热失控抑制管理方法：
1. 热管理设计预防：这种方法主要是通过提高电池的散热效率来预防热失控。相比较自然冷却和强制风冷，液冷是一种散热效率较高的热管理方式。因此，增加液冷系统是一种有效预防电池系统热失控的手段。其主要目的是从抑制热扩散方面来减轻热失控对电池的损伤。
2. BMS监控：BMS（电池管理系统）监控是一种针对电气滥用和热滥用的有效抑制手段。它主要是通过提高电池状态的估计精度，避免过充放造成的热失控。此外，BMS监控还可以设置温度分级报警，在热滥用发生之初就对系统发出警告，从而及时采取应对措施，防止热失控的发生。
总的来说，热失控抑制管理需要综合考虑多种因素，包括设备的散热性能、电池管理系统的监控能力、环境温度等。在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的热失控抑制管理策略，以确保设备的安全稳定运行。
图2 热管理抑制热失控传播示意图
图片来源：华塑科技
热管理控制和热失控分析
1. 热管理控制：
A. 根据电芯排布（风道走向、液体流向）对电芯温度建模，通过软件对电芯温度进行分析，进行调温；
B. 总正、负、模组连接排温度点和电芯分开，软件控制策略不同；
C. 联合电池包热仿真数据，找到最低、最高温度点，进行温度测量；
D. 温度采样分辨率0.1℃；
E. 多维度对比电池面温度传感检测技术及高速高精度温度采集及补偿；
图3 华塑BMS热管理控制
2. 热失控分析：
A. CO/VOC浓度检测
B. △U和△T检测
C. 热扩散模型分析
图4 热失控传播示意图
图片来源：华塑科技
图5 华塑气体检测BMS
图片来源：华塑科技
储能BMS（电池管理系统）热失控发展趋势是一个复杂且关键的问题，涉及到电池技术、系统设计、运行环境等多个方面。随着电池储能系统的广泛应用，热失控问题逐渐受到业界的重视。需要明确的是，热失控是电池在特定条件下，如高温、过充、内部短路等，导致电池内部化学反应失控，产生大量热量并可能引发火灾的现象。因此，对于储能BMS来说，预防和控制热失控是保障系统安全的关键。
从发展趋势来看，随着电池技术的不断进步，新型电池材料的应用以及电池管理系统的智能化发展，储能BMS热失控的风险有望逐渐降低。
1. 新型电池材料：目前，锂电池是主要的储能电池类型。未来，随着固态电池等新型电池技术的研发和应用，电池的热稳定性和安全性有望得到显著提升，从而降低热失控的风险。
2. 电池管理系统的智能化：智能化是储能BMS的重要发展方向。通过引入先进的算法和传感器技术，可以实现对电池状态的实时监测和预警，及时发现并处理可能导致热失控的异常情况，从而避免热失控的发生。
3. 系统设计的优化：在储能系统的设计中，通过优化电池包的结构、散热系统、安全防护措施等，可以降低电池在工作过程中产生的热量，提高系统的散热效率，从而减少热失控的风险。
然而，尽管有这些积极的发展趋势，储能BMS热失控问题仍然存在挑战。例如，电池的老化、外部环境的变化等因素可能导致电池状态的不确定性增加，使得热失控的预防和控制更加困难。因此，未来仍需要持续加强对储能BMS热失控问题的研究和实践，不断提高系统的安全性和可靠性。
综上所述，储能BMS热失控发展趋势呈现出逐渐降低的风险，但仍需持续关注和研究。通过技术创新和系统优化，有望进一步提高储能系统的安全性和可靠性，推动储能技术的广泛应用和发展。
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华塑单模组112节电芯BMS全新上线！
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自2010年国内首个MW级储能电站启动以来，十余年间，储能电站的容量由中小型电站，示范类型的MW级电站，逐步转向百MW级甚至GW级大型储能电站发展。储能电站规模的不断扩大，得益于电芯容量和储能系统带电量的提升，这背后也折射出中国储能产业的不断创新发展之路。
5MWh储能系统通过提高能量密度，减少PACK零部件、储能电站建设、调试运维等方面成本，同时能量转换效率提高，电站收益随之增加。然而，高收益始终伴随着高风险，目前20尺5MWh的主流方案中采用的超大数量电芯，极高的能量密度，对电池管理系统的均衡能力、热管理能力等提出了更具挑战性的要求。
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未来，华塑将继续以技术创新为驱动力，深耕电池安全管理解决方案，为全球客户提供更高效、可靠的产品、更优质的服务，助力降本增效，节能减排，推动可持续发展未来。
