液冷集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)研究

帥昌俊

摘 要：介紹了儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展的政策與前景，以液冷集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)、儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)和儲(chǔ)能消防系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)研究，闡述了液冷機(jī)組的設(shè)計(jì)選型，從理論和工程實(shí)踐驗(yàn)證了液冷集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)越性。液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)最大限度地提高了能量密度，相比于風(fēng)冷儲(chǔ)能系統(tǒng)，其成本和性價(jià)比更具優(yōu)勢(shì)。儲(chǔ)能系統(tǒng)以0.5C運(yùn)行時(shí)，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)。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能;液冷;儲(chǔ)能熱管理;儲(chǔ)能消防系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM912 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）12-0091-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.019

Design of Liquid Cooling Container Energy Storage System

SHUAI? Changjun

（Wuhan EVE Energy Co.， Ltd.， Wuhan 430223，China）

Abstract： The policies and prospects for the development of energy storage industry are introduced. Taking the liquid cooling container type energy storage system as an example， studies the design and development of the energy storage system， energy storage thermal management system and energy storage fire protection system， expounds the design and selection of the liquid cooled unit， and verifies the superiority of the liquid cooling container energy storage system from theory and engineering practice. The liquid cooling energy storage system maximizes the energy density， and has more advantages in cost and price than the air-cooled energy storage system. When the energy storage system operates at 0.5C， the thermal management system can ensure that the battery working environment is within the optimal temperature range.

Keywords： energy storage; liquid cooling; energy storage thermal management; energy storage fire protection system

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(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》，明確了新型儲(chǔ)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(chǔ)能規(guī)?；l(fā)展，到2030年，新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展。國家出臺(tái)了一系列政策，儲(chǔ)能行業(yè)迎來了發(fā)展的良機(jī)。我國儲(chǔ)能市場(chǎng)將由百M(fèi)W/MWh級(jí)時(shí)代步入GW/GWh級(jí)時(shí)代，大規(guī)模、大容量的儲(chǔ)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(jìn)我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)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(chǔ)能科學(xué)與工程本科專業(yè)，為我國儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)備、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及整個(gè)社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)來看，儲(chǔ)能行業(yè)是繼互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)之后的另一個(gè)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(chǔ)能方案的選擇、儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)和儲(chǔ)能消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)新的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)研究，可為儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展提供依據(jù)。

1 儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)為抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能，電化學(xué)儲(chǔ)能主要是利用鋰電池技術(shù)，綜合考慮性價(jià)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(chǔ)能的電池。火電儲(chǔ)能輔助調(diào)頻對(duì)儲(chǔ)能電池性能有較高的要求，包括儲(chǔ)能技術(shù)的高倍率特性、高爬坡特性、快速響應(yīng)能力、強(qiáng)能效比、高溫安全性和長壽命等。因此，對(duì)于火電儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目，推薦采用磷酸鐵鋰電池。從用戶側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)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(chǔ)能電站的安全事故頻發(fā)，2011—2021年，全球共發(fā)生32起儲(chǔ)能電站起火爆炸事故，其中，80%起火的儲(chǔ)能電站均采用三元鋰電池。2021年，北京豐臺(tái)儲(chǔ)能電站發(fā)生起火爆炸事故，事故調(diào)查報(bào)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仄鸹稹?/p>

電池起火主要由電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生，熱失控主要是因?yàn)殡姵貎?nèi)短路，內(nèi)短路的主要原因有機(jī)械濫用、電氣濫用和熱濫用，應(yīng)對(duì)熱濫用的方式是采取良好的熱管理設(shè)計(jì)。王曉松等[1]提出熱管理設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)有兩項(xiàng)，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(chǔ)能系統(tǒng)很少選用液冷技術(shù)，因?yàn)殡姵貎?chǔ)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(huì)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(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)的核心是電池組、電池簇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電池系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)、電池系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)、電池管理系統(tǒng)等。田剛領(lǐng)等[4]在某項(xiàng)目中的熱管理采用風(fēng)冷方案，保證儲(chǔ)能系統(tǒng)0.5C充電運(yùn)行時(shí)，電池最高溫度不高于34 ℃，儲(chǔ)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(dá)到5 ℃時(shí)，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(duì)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(xiǎn)可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(shì)，同時(shí)，目前儲(chǔ)能電站安全問題突出，液冷的儲(chǔ)能系統(tǒng)也在逐漸推廣應(yīng)用。筆者以某儲(chǔ)能系統(tǒng)工程為研究對(duì)象，采用液冷的熱管理方式，詳細(xì)論述了儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員討論與交流。

2 液冷鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

鋰電池儲(chǔ)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(jì)開發(fā)，對(duì)電氣艙的說明從略。整個(gè)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程為電池包（Pack）、電池簇（Rack）、電池艙（Container），如圖1所示。

儲(chǔ)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(gè)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(gè)電池包串聯(lián)，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為2.75 MW·h，額定電壓為1 228.8 V。

儲(chǔ)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(hù)等級(jí)為IP54。為了防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電管理，確保電池系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，系統(tǒng)須配置電池管理系統(tǒng)（BMS），保護(hù)硬件須配繼電器、斷路器、熔斷器等。

3 儲(chǔ)能熱管理設(shè)計(jì)

3.1 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液冷熱管理系統(tǒng)由液冷板、液冷機(jī)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(jí)的防漏液冷卻管道快插接頭，可以保證在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，漏液的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。第二，在液冷機(jī)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(jī)組會(huì)報(bào)警。第三，電池包設(shè)計(jì)的防護(hù)等級(jí)為IP67，保證漏液時(shí)對(duì)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(shí)，液冷板也會(huì)做氣密性檢測(cè)，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(shí)，對(duì)電池包進(jìn)行制冷或制熱。

液冷機(jī)組具備制冷、制熱以及除濕功能，液冷機(jī)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(shí)，液冷機(jī)組進(jìn)入制冷模式，壓縮機(jī)開啟，高溫高壓的制冷劑從壓縮機(jī)中排出，進(jìn)入冷凝器冷凝，放熱降溫后，通過膨脹閥進(jìn)行節(jié)流降壓，然后進(jìn)入蒸發(fā)器，并與冷卻液進(jìn)行換熱，制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)后流回壓縮機(jī)吸氣口，完成一個(gè)制冷循環(huán)。此時(shí)，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(jìn)入電池包液冷板，對(duì)電池進(jìn)行冷卻，將熱量帶出，從而達(dá)到冷卻電池的目的。當(dāng)Tmax≤25 ℃ 、Tvag≤22 ℃時(shí)，停止制冷模式。

當(dāng)Tmin≤12 ℃、Tvag≤15 ℃時(shí)，液冷機(jī)組進(jìn)入制熱模式，壓縮機(jī)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(jìn)入電池冷板，加熱電池。此模式適用于電池溫度過低時(shí)，需要對(duì)電池進(jìn)行加熱的情況。當(dāng)Tmin≥20 ℃、Tvag≥23 ℃時(shí)，停止制熱模式。

當(dāng)進(jìn)水口溫度≤12 ℃，液冷機(jī)組進(jìn)入自循環(huán)模式，壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、PTC加熱器關(guān)閉，水泵開啟，使冷卻液在電池冷板和機(jī)組中周而復(fù)始地循環(huán)流動(dòng)，將電池包中的熱量帶出。當(dāng)集裝箱內(nèi)濕度高于對(duì)應(yīng)溫度下的露點(diǎn)溫度時(shí)，液冷機(jī)組開啟除濕模式。

3.2 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

儲(chǔ)能集裝箱采用外維護(hù)模式，儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的液冷回路采用并聯(lián)方式，但相鄰兩個(gè)電池包采用串聯(lián)方式，各支路采用流量計(jì)獨(dú)立監(jiān)控，保證各個(gè)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的總電芯數(shù)量為n，整個(gè)儲(chǔ)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=175 660.03 kJ。

電池本體吸收熱功率P1=Q/t，充放電2 h，則t=7 200 s，P1=24 397 W。

液冷機(jī)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?yàn)殇囯x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(shí)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=526 980.09 kJ，電池的吸熱功率為P2=Q1/t1，其中，t1=12 h，P2=12.2 kW，所以制熱功率設(shè)定為14 kW。液冷機(jī)組為非標(biāo)定制化設(shè)計(jì)，將其制熱制冷功率參數(shù)確定下來，然后在試驗(yàn)中檢驗(yàn)其性能。

4 儲(chǔ)能消防系統(tǒng)

消防系統(tǒng)以每個(gè)電池Pack為最小防護(hù)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(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器、感溫感煙探測(cè)器對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能箱進(jìn)行全方位監(jiān)控、時(shí)時(shí)探測(cè)。其中，吸氣式探測(cè)器以電池簇為單位對(duì)整簇電池箱進(jìn)行監(jiān)控防護(hù)，可燃?xì)怏w探測(cè)器對(duì)電池艙進(jìn)行監(jiān)控防護(hù)，感溫感煙探測(cè)器對(duì)電氣艙進(jìn)行監(jiān)控防護(hù)。

當(dāng)某個(gè)電池包發(fā)生電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)時(shí)，探測(cè)器探測(cè)到火情，探測(cè)器開啟該電池簇分區(qū)控制閥，同時(shí)將火情信息通過CAN總線傳送至火災(zāi)抑制主機(jī)，聲光報(bào)警器打開，排風(fēng)系統(tǒng)打開，抑制主機(jī)啟動(dòng)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(shí)施降溫、滅火功能。

儲(chǔ)能火災(zāi)抑制主機(jī)采用全氟己酮作為主要滅火劑，對(duì)儲(chǔ)能柜進(jìn)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(shí)間噴灑，主機(jī)內(nèi)部自帶的全氟己酮滅火劑使用完后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)進(jìn)消防栓水，實(shí)現(xiàn)長時(shí)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(yàn)驗(yàn)證

液冷集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)在環(huán)境溫度為25 ℃的情況下進(jìn)行0.5C充電測(cè)試，由BMS記錄各電池包的溫度變化情況。充電結(jié)束時(shí)，電池包內(nèi)電芯表面溫度小于35 ℃，其溫升小于10 ℃，在整個(gè)充電過程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(yàn)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(dá)到5～8 ℃，能較好地促進(jìn)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的溫度一致性，延長系統(tǒng)運(yùn)行壽命。

6 結(jié)語

該工程設(shè)計(jì)了20尺液冷集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)、熱管理設(shè)計(jì)、消防設(shè)計(jì)等，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，儲(chǔ)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(yùn)用非常成熟，儲(chǔ)能系統(tǒng)是靜止放置的，不會(huì)有漏液風(fēng)險(xiǎn)。液冷集裝箱系統(tǒng)減少了內(nèi)部風(fēng)道的設(shè)計(jì)，采用外維護(hù)系統(tǒng)，不用設(shè)置內(nèi)部走廊空間，采用大電池包設(shè)計(jì)，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(chǔ)能系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)，儲(chǔ)能系統(tǒng)最重要的是保證其安全性，消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，系統(tǒng)采用Pack級(jí)消防，同時(shí)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(yùn)行。

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