儲能集裝箱-液冷系統(tǒng)方案計算書

專注新能源動力電池包熱管理仿真技術(shù)、熱管理系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)、熱管理相關(guān)零部件的知識交流

摘 要：介紹了儲能行業(yè)發(fā)展的政策與前景，以液冷集裝箱式儲能系統(tǒng)為例，對儲能系統(tǒng)、儲能熱管理系統(tǒng)和儲能消防系統(tǒng)進行設(shè)計開發(fā)研究，闡述了液冷機組的設(shè)計選型，從理論和工程實踐驗證了液冷集裝箱儲能系統(tǒng)的優(yōu)越性。液冷儲能系統(tǒng)最大限度地提高了能量密度，相比于風(fēng)冷儲能系統(tǒng)，其成本和性價比更具優(yōu)勢。儲能系統(tǒng)以0.5C運行時，熱管理系統(tǒng)可以保證電池工作環(huán)境在最佳溫度范圍內(nèi)。

0 引言

2022 年 2 月，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》，明確了新型儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，到 2025 年，新型儲能規(guī)?；l(fā)展，到 2030 年，新型儲能全面市場化發(fā)展。國家出臺了一系列政策，儲能行業(yè)迎來了發(fā)展的良機。我國儲能市場將由百 MW/MWh 級時代步入 GW/GWh 級時代，大規(guī)模、大容量的儲能將廣泛有序地應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)各環(huán)節(jié)，有力地推進我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的國家戰(zhàn)略目標(biāo)。從 2019 年開始，現(xiàn)在已經(jīng)有 40 多所高校開設(shè)儲能科學(xué)與工程本科專業(yè)，為我國儲能事業(yè)提供人才支撐。我國也相應(yīng)發(fā)布了一系列標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 36276—2018、GB 51048—2014等，在鋰電池、電池管理系統(tǒng)（BMS）、變流器（PCS）、消防安全以及系統(tǒng)各方面都有涉及，國際上也發(fā)布了一些儲能系統(tǒng)通用認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，如UL 1642、UL 1973、UL 9540、UL 9540A、UN 38.3等。從政策、人才儲備、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及整個社會的發(fā)展趨勢來看，儲能行業(yè)是繼互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)之后的另一個風(fēng)口，必將在未來幾年內(nèi)迎來爆發(fā)式發(fā)展。本研究從儲能方案的選擇、儲能系統(tǒng)的設(shè)計、儲能熱管理系統(tǒng)和儲能消防系統(tǒng)的設(shè)計，對新的儲能系統(tǒng)進行設(shè)計開發(fā)研究，可為儲能系統(tǒng)的發(fā)展提供依據(jù)。1儲能方案的選擇目前，技術(shù)成熟度較高、應(yīng)用較為廣泛的儲能技術(shù)為抽水蓄能和電化學(xué)儲能，電化學(xué)儲能主要是利用鋰電池技術(shù)，綜合考慮性價比、安全性、使用壽命和產(chǎn)業(yè)成熟度等因素，磷酸鐵鋰電池是現(xiàn)階段最適合用于儲能的電池。火電儲能輔助調(diào)頻對儲能電池性能有較高的要求，包括儲能技術(shù)的高倍率特性、高爬坡特性、快速響應(yīng)能力、強能效比、高溫安全性和長壽命等。因此，對于火電儲能聯(lián)合調(diào)頻項目，推薦采用磷酸鐵鋰電池。從用戶側(cè)儲能應(yīng)用場景來看，根據(jù)削峰填谷、需求響應(yīng)、供電可靠性等需求，也推薦采用磷酸鐵鋰電池。儲能電站的安全事故頻發(fā)，2011—2021 年，全球共發(fā)生 32 起儲能電站起火爆炸事故，其中，80%起火的儲能電站均采用三元鋰電池。2021年，北京豐臺儲能電站發(fā)生起火爆炸事故，事故調(diào)查報告指出，起火的直接原因是電池發(fā)生內(nèi)短路故障，引發(fā)電池?zé)崾Э仄鸹?。電池起火主要由電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生，熱失控主要是因為電池內(nèi)短路，內(nèi)短路的主要原因有機械濫用、電氣濫用和熱濫用，應(yīng)對熱濫用的方式是采取良好的熱管理設(shè)計。王曉松等［1］ 提出熱管理設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)有兩項，一是保證電池表面溫度處于15～35 ℃，二是保持電池間的溫差不超過 5 ℃，其分析與研究是基于風(fēng)冷的熱管理方式。鐘國彬等［2］ 提出現(xiàn)有的儲能系統(tǒng)很少選用液冷技術(shù)，因為電池儲能系統(tǒng)在一定空間內(nèi)積聚了大量的電池，一旦乙二醇水溶液泄漏會造成短路，易引發(fā)連鎖反應(yīng)，造成重大事故。游峰等［3］ 提出儲能系統(tǒng)技術(shù)的核心是電池組、電池簇結(jié)構(gòu)設(shè)計、電池系統(tǒng)熱設(shè)計、電池系統(tǒng)的保護技術(shù)、電池管理系統(tǒng)等。田剛領(lǐng)等［4］ 在某項目中的熱管理采用風(fēng)冷方案，保證儲能系統(tǒng)0.5C充電運行時，電池最高溫度不高于34 ℃，儲能系統(tǒng)最大溫差基本保持在5 ℃。田剛領(lǐng)等［5］提出當(dāng)電池模組內(nèi)溫差達到 5 ℃時，電池模組的壽命比溫差控制在2 ℃以內(nèi)的模組壽命減少30%。液冷技術(shù)通過液體對流換熱，將電池產(chǎn)生的熱量帶走，降低電池溫度。液冷的漏液風(fēng)險可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計避免，液冷的效率比風(fēng)冷的效率高，液冷的溫差控制優(yōu)于風(fēng)冷，液冷的流體溫度和流量控制比風(fēng)冷的風(fēng)道控制簡單，采用液冷的電池壽命更長。綜合成本考慮，液冷系統(tǒng)比風(fēng)冷系統(tǒng)更有優(yōu)勢，同時，目前儲能電站安全問題突出，液冷的儲能系統(tǒng)也在逐漸推廣應(yīng)用。筆者以某儲能系統(tǒng)工程為研究對象，采用液冷的熱管理方式，詳細(xì)論述了儲能系統(tǒng)的設(shè)計方案，供相關(guān)設(shè)計人員討論與交流。2 液冷鋰電池儲能系統(tǒng)鋰電池儲能系統(tǒng)包含電池艙和電氣艙，電池艙由電池簇、液冷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、匯流柜、配電箱等組成，電氣艙由變流器（PCS）、變壓器、控制柜、環(huán)網(wǎng)柜、交流配電柜、空調(diào)等組成，本研究詳細(xì)說明了電池艙的設(shè)計開發(fā)，對電氣艙的說明從略。整個鋰電池儲能系統(tǒng)設(shè)計流程為電池包（Pack）、電池簇（Rack）、電池艙（Container），如圖1所示。

儲能系統(tǒng)電芯采用億緯鋰能方形鋁殼磷酸鐵鋰 LF280K電芯（3.2 V/280 Ah），電池包的串并聯(lián)方式是1P48S，單個電池包有48塊LF280K電芯，電池包容量是 43.008 kW·h，電池系統(tǒng)由 8 組電池簇并聯(lián)，每組電池簇由 8 個電池包串聯(lián)，儲能系統(tǒng)容量為2.75 MW·h，額定電壓為1 228.8 V。儲能系統(tǒng)電池艙是標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱 20 尺高柜（6.058 m×2.438 m×2.896 m），具有防水、保溫、防腐、防火、阻沙、防震、防紫外線等功能，其防護等級為 IP54。為了防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電現(xiàn)象，實現(xiàn)對電池的充放電管理，確保電池系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行，系統(tǒng)須配置電池管理系統(tǒng)（BMS），保護硬件須配繼電器、斷路器、熔斷器等。3 儲能熱管理設(shè)計3.1 熱管理系統(tǒng)設(shè)計液冷熱管理系統(tǒng)由液冷板、液冷機組、液冷管路、高低壓線束和冷卻液組成，關(guān)于液冷漏液的問題，采取以下措施。第一，液冷接頭采用車規(guī)級的防漏液冷卻管道快插接頭，可以保證在儲能系統(tǒng)運行時，漏液的風(fēng)險降到最低。第二，在液冷機組膨脹水箱設(shè)置液位傳感器，如果有漏液現(xiàn)象發(fā)生，液冷機組會報警。第三，電池包設(shè)計的防護等級為IP67，保證漏液時對系統(tǒng)無影響，電池包的液冷板是鋁合金壓鑄一體成型，集成了底座和液冷板的功能，其中，液冷板和密封蓋板采用攪拌摩擦焊連接；同時，液冷板也會做氣密性檢測，保證液冷板密封性能良好。電池包液冷板采用“蛇形”流道，冷卻液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù) 50% 水+質(zhì)量分?jǐn)?shù) 50% 乙二醇，液冷系統(tǒng)通過一定的熱管理策略，使得冷卻液流經(jīng)液冷板時，對電池包進行制冷或制熱。液冷機組具備制冷、制熱以及除濕功能，液冷機組熱管理系統(tǒng)的策略和工作模式緊密相關(guān)。文中，Tmax指電池最高溫度；Tvag指電池平均溫度；Tmin指電池最低溫度。當(dāng) Tmax≥28 ℃、Tvag≥25 ℃時，液冷機組進入制冷模式，壓縮機開啟，高溫高壓的制冷劑從壓縮機中排出，進入冷凝器冷凝，放熱降溫后，通過膨脹閥進行節(jié)流降壓，然后進入蒸發(fā)器，并與冷卻液進行換熱，制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)后流回壓縮機吸氣口，完成一個制冷循環(huán)。此時，水路中的水泵開啟，PTC加熱器不開啟，冷卻液在板式蒸發(fā)器中冷卻后進入電池包液冷板，對電池進行冷卻，將熱量帶出，從而達到冷卻電池的目的。當(dāng) Tmax≤25 ℃ 、Tvag≤22 ℃時，停止制冷模式。當(dāng) Tmin≤12 ℃、Tvag≤15 ℃時，液冷機組進入制熱模式，壓縮機處于關(guān)閉狀態(tài)，水泵、PTC 加熱器開啟，冷卻液經(jīng)過PTC加熱器加熱后，進入電池冷板，加熱電池。此模式適用于電池溫度過低時，需要對電池進行加熱的情況。當(dāng) Tmin≥20 ℃、Tvag≥23 ℃時，停止制熱模式。當(dāng)進水口溫度≤12 ℃，液冷機組進入自循環(huán)模式，壓縮機、風(fēng)機、PTC加熱器關(guān)閉，水泵開啟，使冷卻液在電池冷板和機組中周而復(fù)始地循環(huán)流動，將電池包中的熱量帶出。當(dāng)集裝箱內(nèi)濕度高于對應(yīng)溫度下的露點溫度時，液冷機組開啟除濕模式。3.2 熱管理系統(tǒng)設(shè)計計算儲能集裝箱采用外維護模式，儲能系統(tǒng)共有 8簇，其中，4 簇并排在一起，另外 4 簇與之背靠背布置，儲能系統(tǒng)的液冷回路采用并聯(lián)方式，但相鄰兩個電池包采用串聯(lián)方式，各支路采用流量計獨立監(jiān)控，保證各個電池包冷卻液的流速和流量均衡。集裝箱內(nèi)一些主要的熱負(fù)荷為電芯發(fā)熱功率P、電芯溫升吸熱Q，單體電芯在不同倍率下的充電或放電功率可用式（1）表示。P0=I2×R×1.2（1）式中：I為電芯容量；R為電芯直流電阻。儲能系統(tǒng)設(shè)定的充放電倍率為 0.5C，電芯 LF280K 在0.5C充電的發(fā)熱功率平均值為12.5 W，放電的發(fā)熱功率平均值為9.5 W。儲能系統(tǒng)的總電芯數(shù)量為 n，整個儲能系統(tǒng)有3 072塊LF280K電芯。電芯總發(fā)熱功率（0.5C 充電）為 P=n×P0=12.5×3 072=38 400 W。設(shè)置電芯的最大溫升 ΔT=10 ℃，電芯的質(zhì)量m=5.42×3 072=16 650.24 kg，電芯溫升發(fā)熱量可用式（2）表示。Q=CmΔT（2）式中：C 為電池比熱容，kJ/（kg·℃），一般取1.055代入得Q=175 660.03kJ。電池本體吸收熱功率P1=Q/t，充放電 2 h，則 t=7 200s，P1=24 397 W。液冷機組的制冷負(fù)荷P2>（P-P1 ）·k，其中，k 為安全系數(shù)，一般取1.2~1.5，P2=19.6 kW，所以制冷功率設(shè)定為20 kW。因為鋰離子電池的工作溫度為-20~50 ℃，充電溫度為 0~50 ℃，所以若鋰電池在零下低溫環(huán)境中重新開始工作，就需要先預(yù)熱一段時間，將電芯溫度提升到 0 ℃及以上。假定環(huán)境溫度為-30 ℃，電池吸收的熱量為 Q1=CmΔT1，其中ΔT1=-30 ℃，電池吸收的熱量為 Q1=526980.09kJ，電池的吸熱功率為 P2=Q1/t1，其中，t1=12h，P2=12.2kW，所以制熱功率設(shè)定為 14 kW。液冷機組為非標(biāo)定制化設(shè)計，將其制熱制冷功率參數(shù)確定下來，然后在試驗中檢驗其性能。4 儲能消防系統(tǒng)消防系統(tǒng)以每個電池 Pack 為最小防護單元，采用氣液兩相霧化滅火劑的全新滅火技術(shù)方案，聯(lián)合采用吸氣式探測器、可燃?xì)怏w探測器、感溫感煙探測器對整個儲能箱進行全方位監(jiān)控、時時探測。其中，吸氣式探測器以電池簇為單位對整簇電池箱進行監(jiān)控防護，可燃?xì)怏w探測器對電池進行監(jiān)控防護，感溫感煙探測器對電氣艙進行監(jiān)控防護。當(dāng)某個電池包發(fā)生電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)時，探測器探測到火情，探測器開啟該電池簇分區(qū)控制閥，同時將火情信息通過 CAN 總線傳送至火災(zāi)抑制主機，聲光報警器打開，排風(fēng)系統(tǒng)打開，抑制主機啟動輸出，滅火劑通過管路、分區(qū)控制閥輸送至氣液兩相的噴頭，滅火劑通過噴頭成霧化狀態(tài)，然后噴灑到電池包內(nèi)部，實施降溫、滅火功能。儲能火災(zāi)抑制主機采用全氟己酮作為主要滅火劑，對儲能柜進行早期火災(zāi)的撲滅、抑制和防控，一旦火情過大，滅火劑需要長時間噴灑，主機內(nèi)部自帶的全氟己酮滅火劑使用完后，系統(tǒng)會自動補進消防栓水，實現(xiàn)長時間持續(xù)噴灑、抑制火災(zāi)復(fù)燃和電池降溫的目的。5 試驗驗證液冷集裝箱儲能系統(tǒng)在環(huán)境溫度為 25 ℃的情況下進行 0.5C 充電測試，由 BMS 記錄各電池包的溫度變化情況。充電結(jié)束時，電池包內(nèi)電芯表面溫度小于 35 ℃，其溫升小于 10 ℃，在整個充電過程中，監(jiān)測點最低溫度為32.5 ℃，最高溫度為34.8 ℃，其溫差小于2.3 ℃，如圖2所示。

由圖2試驗結(jié)果可以看出，液冷集裝箱的溫升遠(yuǎn)小于風(fēng)冷集裝箱的溫差，一般風(fēng)冷集裝箱的溫差達到5~8 ℃，能較好地促進整個儲能系統(tǒng)的溫度一致性，延長系統(tǒng)運行壽命。?6 結(jié)語該工程設(shè)計了 20 尺液冷集裝箱儲能系統(tǒng)，包括系統(tǒng)理論設(shè)計、熱管理設(shè)計、消防設(shè)計等，最后通過試驗驗證表明，儲能系統(tǒng)溫度一致性較好，溫升符合要求。液冷電池包在新能源汽車中運用非常成熟，儲能系統(tǒng)是靜止放置的，不會有漏液風(fēng)險。液冷集裝箱系統(tǒng)減少了內(nèi)部風(fēng)道的設(shè)計，采用外維護系統(tǒng)，不用設(shè)置內(nèi)部走廊空間，采用大電池包設(shè)計，最大限度地提高了能量密度。從綜合成本上講，液冷集裝箱儲能系統(tǒng)更有優(yōu)勢，儲能系統(tǒng)最重要的是保證其安全性，消防系統(tǒng)的設(shè)計是至關(guān)重要的，系統(tǒng)采用 Pack級消防，同時采用全氟己酮+水消防持續(xù)抑制的方案，保證系統(tǒng)安全運行。

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