电池系统热设计计算

以目前储能常用的280Ah磷酸铁锂电芯为例，某一项目采用30呎预制舱，系统由14簇电池组组成，每一簇包含8个52S的电池包以及高压箱。计算电池系统的热性能。

1.电池舱基本数据

1.1电池舱基本数据

项目	参数值/（单位）
比热容	1027.3 （J/Kg.℃）
BOL 25℃ 0.5C 充放电发热功率	10.72W/9.92W
BOL 25℃ 1.0C 充放电发热功率	33.14W/33.13W
内部导热率X方向（宽度）	12.64W/(m·K)
内部导热率Y方向（厚度）	2.93W/(m·K)
内部导热率Z方向（高度）	11.39W/(m·K)
密度	2118Kg/m3
电芯最佳寿命温度范围	25℃-30℃
电芯最高温度限值	65℃
电芯质量	5.5Kg

1.2电池系统基本参数

1.3电池系统运行方式

0.5C充电，0.5C放电，放电前温度维持充电温度。

温升控制≤10℃。

工作温度控制范围：15-35℃

2.电池系统制冷量需求计算

2.1产热功率计算

电池舱产热功率满足以下公式：
P=P1+P2+P3
P1:电池充放电发热热量
P2:集装箱外传至集装箱内的热量
P3:太阳辐射热量
计算依据(根据所提供的参数)
1.外环境温度，最高按照40°C计算;
2.集装箱内控制温度按照25°C计算;

2.1.1电池发热功率

集装箱内电池发热量:
单体电池0.5C充放的热功率P单=10.72W（注：充电时的产热功率大于放电时的产热功率，统一按充电产热功率计算）
P簇=NP单t
N:每簇的电池数量，528=416 P单：单体电池0.5C充放电的热功率（按充电计算）

t:工况系数（系数取1） P簇=41610.72=4.46KW
每个电池舱14簇，则：
P1=4.46*14=62.44KW

2.1.2集装箱外传至集装箱内的热功率

P2=kAΔT
k:传热系数(箱体保温层厚度50mm，取经验值K=1.31W/m2.K)
A:机柜的表面积(单位:m2，不包括底面)
ΔT=T1-T2(单位:°C)
T1:箱外最高温度；T2:箱内控制温度
K=1.31W/m2.K
A=2×(9.7×2.6+9.7×3+2.6×3)-（9.72.6）=36.9m²

ΔT=T1-T2=40-25=15

P2=kAΔT=1.3136.9*15=0.725KW

2.1.3太阳辐射热量

P3=Fα S
F:日照辐射强度(最高日照辐射强度为980W/m²)
α:机柜对太阳辐射的吸收率
S:机柜表面积: 六面体机柜同时所受的太阳面一般为两个(正面照射的情况下，斜角照射可以是三个面，折算为正面照射 应该是两个面
F=980
α=0.017(取经验值)
S=9.7×3+3×2.6=36.9m²
P3 = 9800.01736.9=0.615KW

宗上: P=P1+P2+P3=62.44+0.725+0.615=63.78KW

2.2电池吸热功率计算

电芯、电池系统部件等均会吸收热量。电池系统的部件大部分为钢铁。铁的热容为460J/Kg.℃。

电芯温升自身吸热量可以用Q=CmΔT*N表示。

C为电芯热容，1027.3 J/Kg.℃；

m为电芯质量，5.5Kg；

ΔT为温升，仅按充电期间计算，温升控制5℃（充放电温升总控制小于10℃）。

充电时间：2h。

则:Q_电芯=1027.3*5.5*5*5842=165040.88KJ

电池系统部件（按电池包计算）重量约为：

（330-5.5*52）*8*14=4928Kg

其吸收热量约为：

 Q_部件=460*4928*5=11334400J=11334.4KJ

Q=Q_电芯吸+Q_部件吸=176375.28KJ

电池本体吸收热功率：

P_–=Q/t

计算得：P_–=24.5KW

2.3液冷机组制冷功率

根据以上计算，液冷机组的制冷功率

P_机≥(P-P_–)*k

K为安全系数，取1.2~1.5。

P_机≥63.78-24.5=39.28KW

系数取1.2~1.5，制冷机制冷功率在：47.14-58.92KW。

3.加热需求计算

该项目在**省**市实施，近年**市的年温度变化如下图所示：

**市平均气温趋势图（2024.1-2025.8）

**市极限气温趋势图（2024.1-2025.8）

从温度趋势图看，没有出现温度低于0℃的情况，可不考虑加热情况。但每年的11月至来年3月份之间，最低温度会低于10℃，虽然系统可以充电，但会影响到系统的充电效率，也可以考虑加热。

加热功率与所需要的温升和加热时间相关。

前置条件：

（1） 加热期间进行充电（同时进行充电的话，其自身产热量会使电池产热，需求的加热功率小）；

（2） 温升速度：10℃/120min；即120min内电池温度升高到15℃以上，满足0.5C高效率充电需求。

所需热量：

则：Q_电芯吸=1027.3*5.5*10*5842=330081.76KJ

电池系统部件（按电池包计算）重量约为：

（330-5.5*52）*8*14=4928Kg

其吸收热量约为：

Q_部件吸=460*4928*10=11334400J=22668.8KJ

Q=Q_电芯吸+ Q_部件吸=352750.56KJ

加热30min，需求功率为：

P₊=Q/t

计算得：P_–=49KW

从计算结果看，由于电池舱内包含电池架等的其它部件的吸热，以及电池舱的对外热量散失，实际需求功率要大于50KW。

而在实际应用中，一方面电池舱设计有50mm左右的隔热层，在内外温差55℃情况下，其传热功率不超过1.5W/m².℃，内外的热交换可以忽略。另一方面，电池组处于长期处于工作状态，其充电、放电过程产生足够的热量使其温升很快。如在0.5C充电条件下，产热功率为10.72W/只，在充电期间产生的热量可以使电芯温升达到：

10.72*2*3600/(5.5*1027.3)=13.66℃

即加上放电阶段产生的温升，一次充放电不考虑热量损失大约会使电池产生月25℃的温升，电池舱内部与外面又处于近似绝热的状态，所以基本上电池组会处于要求冷却的状态而不是加热。电池组处于异常停机并长期处于低温环境下才需要加热。

通常匹配的加热功率较低，大约为制冷功率的一半，在电池温度较低时开启加热。

4.液冷相关参数计算

4.1液冷板基本参数

流量与压力对应表（实测数据，直管进水）

电池包进出水管内径9mm。

25℃条件下50%乙二醇水溶液的热容大约为3.3KJ/Kg.K，比重为1071g/L。

4.2单电池包冷却液流量

52只电芯每分钟产热量为1631/240*52*60=21203J

考虑电芯自身的吸热，假设进出水温差为4℃，则每分钟需要流量为：

21203/(3300*4/1071)=1720mL/min=1.72L/min

不计算电芯本身的吸热，仅按产热功率计算，则每分钟需要的冷却液流量为：

10.72*52*2*3600/（4*3300*1.071*2*60）=2.37L/min

按1.5系数，流量大约3.55L/min。

4L/min情况下，液冷板流阻大约为8.73Kpa。

4.3总流量计算

总共14簇，每簇8个电池包，

总流量要达到3.55*8*14=397.6L/min

5.制冷机组选取

根据上述计算，每个电池舱安装30KW的制冷机组2台，制冷功率及冷却液供给流量满足设计需求。其具体参数如下表所示：