本文以液冷集裝箱式儲(chu)能系統(tong)為例，對儲(chu)能系統(tong)、儲(chu)能熱管理系統和儲能消(xiao)防系統進行設計開發研究，闡述了液冷機(ji)組的設計選型，從理論和工程實踐驗(yan)證了液冷集裝(zhuang)箱儲能系(xi)統的優越性。
液冷儲能(neng)系統最大限(xian)度地(di)提(ti)高了能量(liang)密度，相比于風冷儲能系統，其成本和性(xing)價(jia)比(bi)更具(ju)優勢。儲能(neng)系(xi)統以(yi)0.5C運行時，熱管(guan)理系(xi)統可以(yi)保證(zheng)電池(chi)工作環境(jing)在(zai)最佳(jia)溫度范圍內。
1 儲能方案的選擇
目前，技術成熟度較高、應用較為廣泛的儲能技術為抽水蓄能和電化學儲能，電化學儲能主要是利用鋰電池技術，綜合考慮性價比、安全性、使用壽命和產業成熟度等因素，磷酸鐵鋰電池是現階段最適合用于儲能的電池。
電池(chi)起火主要由電池(chi)熱(re)失控產生，熱(re)失控主要是因為電池(chi)內短(duan)(duan)路(lu)，內短(duan)(duan)路(lu)的主要原因有機械濫(lan)(lan)用(yong)、電氣濫(lan)(lan)用(yong)和熱(re)濫(lan)(lan)用(yong)，應(ying)對(dui)熱(re)濫(lan)(lan)用(yong)的方式是采取(qu)良好的熱(re)管理設計。
液冷技術(shu)通過(guo)液體對流換(huan)熱(re)，將電(dian)池(chi)產生(sheng)的(de)熱(re)量帶走，降低電(dian)池(chi)溫度。液冷的漏液風險可以通過結構設計避免，液冷的效率比風冷的效率高，液冷的溫差控制優于風冷，液冷的流體溫度和流量控制比風冷的風道控制簡單，采用液冷的電池壽命更長。
綜合成本(ben)考慮，液(ye)冷系(xi)統比風冷系統更(geng)有優勢，同時，目前儲(chu)能(neng)電站安全問題(ti)突出，液冷的儲(chu)能(neng)系統也在逐漸推廣應用。
筆者以某儲能(neng)(neng)系統工(gong)程為研究(jiu)對象，采用(yong)液(ye)冷的熱管理方(fang)式，詳(xiang)細(xi)論述了儲能(neng)(neng)系統的設計(ji)(ji)方(fang)案，供相關設計(ji)(ji)人(ren)員(yuan)討論與交(jiao)流。
2 液冷鋰電池儲能系統
鋰電池(chi)(chi)(chi)儲能系統(tong)包含電池(chi)(chi)(chi)艙和電氣艙，電池(chi)(chi)(chi)艙由電池(chi)(chi)(chi)簇、液冷系統(tong)、消防系統(tong)、匯流(liu)(liu)柜、配電箱等組成(cheng)，電氣艙由變(bian)流(liu)(liu)器（PCS）、變(bian)壓(ya)器、控制柜、環網柜、交流(liu)(liu)配電柜、空調(diao)等組成(cheng)，本研究詳細說(shuo)明了電池(chi)艙(cang)(cang)的設計開發，對電氣艙(cang)(cang)的說(shuo)明從略。
整個(ge)鋰電(dian)池(chi)儲(chu)能(neng)系(xi)統設計流程(cheng)為電(dian)池(chi)包（Pack）、電(dian)池(chi)簇（Rack）、電(dian)池(chi)艙（Container），如圖1所(suo)示。
儲能(neng)(neng)系統電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)芯采用(yong)億(yi)緯鋰能(neng)(neng)方(fang)形鋁(lv)殼磷酸鐵(tie)鋰LF280K電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)芯（3.2 V/280 Ah），電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)包的(de)串(chuan)并聯方(fang)式(shi)是(shi)1P48S，單(dan)個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)包有(you)48塊LF280K電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)芯，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)包容(rong)量是(shi)43.008 kW·h，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)系統由8組(zu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)簇并聯，每組(zu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)簇由8個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)包串(chuan)聯，儲能(neng)(neng)系統容(rong)量為2.75 MW·h，額定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓為1 228.8 V。
儲能(neng)系統電池艙是標準的集裝(zhuang)箱(xiang)20尺高柜（6.058 m×2.438 m×2.896 m），具有防(fang)水、保溫、防(fang)腐、防(fang)火、阻沙、防(fang)震(zhen)、防(fang)紫外(wai)線等(deng)功能(neng)，其防(fang)護等(deng)級為IP54。
為了防止電池出現過度充電和過度放電現象，實現對電池的充放電管理，確保電池系統穩定、可靠運行，系統須配置電池管理系統（BMS），保護硬件須配繼電器、斷路器、熔斷器等。
斷路(lu)器
3 儲能熱管理設計
3.1 熱管理(li)系統(tong)設計
液(ye)冷(leng)熱管(guan)理系統由液(ye)冷板、液冷機組、液冷管(guan)路、高低壓線束和冷卻液組(zu)成(cheng)，關于液(ye)冷漏液(ye)的問題，采取以下措施(shi)。
液冷板
儲能線束
第一，液冷接頭采用車規級的防漏液冷卻管道快插接頭，可以保證在儲能系統運行時，漏液的風險降到最低。
第二，在液冷機組膨脹水箱設置液位傳感器，如果有漏液現象發生，液冷機組會報警。
第三，電池包設計的防護等級為IP67，保證漏液時對系統無影響，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(shi)，液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)冷(leng)(leng)板(ban)也(ye)會(hui)做氣密性(xing)檢測，保(bao)證液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)冷(leng)(leng)板(ban)密封性(xing)能良好。電池(chi)包(bao)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)冷(leng)(leng)板(ban)采用(yong)“蛇形”流道(dao)，冷(leng)(leng)卻(que)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)采用(yong)質量(liang)分(fen)數50%水+質量(liang)分(fen)數50%乙二醇，液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)冷(leng)(leng)系(xi)統通(tong)過一定的熱管理(li)策略，使得冷(leng)(leng)卻(que)液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)流經液(ye)(ye)(ye)(ye)(ye)冷(leng)(leng)板(ban)時(shi)，對電池(chi)包(bao)進行(xing)制冷(leng)(leng)或制熱。
儲(chu)能液冷板
液冷機組(zu)具備(bei)制冷、制熱以及除濕功能，液冷機組(zu)熱管理系(xi)統的策(ce)略和工(gong)作模(mo)式(shi)緊密相關。
當Tmax≥28 ℃、Tvag≥25 ℃時，液冷(leng)(leng)機組進(jin)入制(zhi)冷(leng)(leng)模式(shi)，壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)機開啟，高(gao)溫高(gao)壓(ya)(ya)(ya)的制(zhi)冷(leng)(leng)劑從壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)機中(zhong)排(pai)出，進(jin)入冷(leng)(leng)凝(ning)器(qi)冷(leng)(leng)凝(ning)，放熱降溫后(hou)，通過膨脹閥進(jin)行(xing)節(jie)流降壓(ya)(ya)(ya)，然后(hou)進(jin)入蒸發(fa)器(qi)，并與冷(leng)(leng)卻液進(jin)行(xing)換熱，制(zhi)冷(leng)(leng)劑在(zai)蒸發(fa)器(qi)中(zhong)吸(xi)熱蒸發(fa)后(hou)流回壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)機吸(xi)氣(qi)口，完(wan)成一(yi)個制(zhi)冷(leng)(leng)循環。
此時(shi)，水路中(zhong)的(de)水泵開啟，PTC加熱器不開啟，冷(leng)(leng)卻(que)液在(zai)板式蒸發器中(zhong)冷(leng)(leng)卻(que)后進(jin)入電(dian)池(chi)(chi)包液冷(leng)(leng)板，對電(dian)池(chi)(chi)進(jin)行冷(leng)(leng)卻(que)，將(jiang)熱量帶出，從而達到冷(leng)(leng)卻(que)電(dian)池(chi)(chi)的(de)目的(de)。當Tmax≤25 ℃ 、Tvag≤22 ℃時(shi)，停止制(zhi)冷(leng)(leng)模(mo)式。
當Tmin≤12 ℃、Tvag≤15 ℃時，液冷機組進入(ru)制熱(re)(re)模(mo)式(shi)(shi)，壓縮(suo)機處于(yu)關(guan)閉狀(zhuang)態(tai)，水泵、PTC加(jia)(jia)熱(re)(re)器開啟(qi)，冷卻液經過PTC加(jia)(jia)熱(re)(re)器加(jia)(jia)熱(re)(re)后，進入(ru)電池冷板，加(jia)(jia)熱(re)(re)電池。此模(mo)式(shi)(shi)適用于(yu)電池溫度過低時，需(xu)要對電池進行加(jia)(jia)熱(re)(re)的(de)情況。當Tmin≥20 ℃、Tvag≥23 ℃時，停止制熱(re)(re)模(mo)式(shi)(shi)。
當進(jin)水(shui)口(kou)溫度(du)(du)≤12 ℃，液冷(leng)機(ji)組進(jin)入自循(xun)環模式(shi)，壓(ya)縮(suo)機(ji)、風機(ji)、PTC加熱(re)器關(guan)閉，水(shui)泵開啟(qi)，使冷(leng)卻液在電池(chi)冷(leng)板和機(ji)組中周而復始地循(xun)環流(liu)動，將電池(chi)包中的熱(re)量帶(dai)出(chu)。當集(ji)裝箱內(nei)濕(shi)度(du)(du)高于對(dui)應溫度(du)(du)下(xia)的露點(dian)溫度(du)(du)時(shi)，液冷(leng)機(ji)組開啟(qi)除濕(shi)模式(shi)。
3.2 熱管理系統設計計算
儲能集裝箱采用外維護模式，儲能系統共有8簇，其中，4簇并排在一起，另外4簇與之背靠背布置，儲能系統的液冷回路采用并聯方式，但相鄰兩個電池包采用串聯方式，各支路采用流量計獨立監控，保證各個電池包冷卻液的流速和流量均衡。
集裝(zhuang)箱(xiang)內一些主要(yao)的(de)熱(re)(re)負荷為(wei)電(dian)芯(xin)發(fa)熱(re)(re)功率P、電(dian)芯(xin)溫升吸熱(re)(re)Q，單體(ti)電(dian)芯(xin)在不(bu)同倍率下的(de)充電(dian)或(huo)放(fang)電(dian)功率可(ke)用式（1）表示。
P0=I2×R×1.2 ? ? ?（1）
式(shi)中：I為(wei)(wei)電芯容量;R為(wei)(wei)電芯直流電阻。儲能系統(tong)設定的充放電倍率為(wei)(wei)0.5C，電芯LF280K在0.5C充電的發(fa)熱功(gong)率平均值為(wei)(wei)12.5 W，放電的發(fa)熱功(gong)率平均值為(wei)(wei)9.5 W。
儲(chu)能系統(tong)的(de)總(zong)電(dian)芯數量為n，整個儲(chu)能系統(tong)有3 072塊(kuai)LF280K電(dian)芯。
?
電芯總發熱功(gong)率（0.5C充電）為(wei)P=n×P0=12.5×3 072=38 400 W。
設置電芯(xin)的最大溫升(sheng)ΔT=10 ℃，電芯(xin)的質量m=5.42×3 072=16 650.24 kg，電芯(xin)溫升(sheng)發(fa)熱量可(ke)用式（2）表示。
Q=CmΔT ? ? ?（2）
式中：C為(wei)電池比熱容(rong)，kJ/（kg·℃），一般(ban)取1.055。代入得Q=175 660.03 kJ。
電(dian)池本體吸收熱功率(lv)P1=Q/t，充放電(dian)2 h，則t=7 200 s，P1=24 397 W。
液冷機組的制冷負荷P2>（P-P1）·k，其中，k為安全系數，一般(ban)取1.2～1.5，P2=19.6 kW，所(suo)以制冷功率設定為20 kW。
?
因為鋰(li)離子電(dian)池(chi)的工(gong)作(zuo)溫(wen)度為-20～50 ℃，充電(dian)溫(wen)度為0～50 ℃，所以若鋰(li)電(dian)池(chi)在零下(xia)低(di)溫(wen)環(huan)境中重新開始工(gong)作(zuo)，就(jiu)需要先預熱一段(duan)時間，將電(dian)芯溫(wen)度提升(sheng)到0 ℃及(ji)以上。
?
假定環境(jing)溫度為(wei)-30 ℃，電(dian)池吸收(shou)的(de)熱(re)(re)(re)量為(wei)Q1=CmΔT1，其(qi)中(zhong)ΔT1=-30 ℃，電(dian)池吸收(shou)的(de)熱(re)(re)(re)量為(wei)Q1=526 980.09 kJ，電(dian)池的(de)吸熱(re)(re)(re)功率(lv)(lv)(lv)為(wei)P2=Q1/t1，其(qi)中(zhong)，t1=12 h，P2=12.2 kW，所(suo)以制(zhi)熱(re)(re)(re)功率(lv)(lv)(lv)設定為(wei)14 kW。液冷機(ji)組為(wei)非標定制(zhi)化(hua)設計，將(jiang)其(qi)制(zhi)熱(re)(re)(re)制(zhi)冷功率(lv)(lv)(lv)參數確定下(xia)來，然后在試驗(yan)中(zhong)檢(jian)驗(yan)其(qi)性(xing)能。
4 儲能消防系統
消防系統以每個電池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方案，聯合采用吸氣式探測器、可燃氣體探測器、感溫感煙探測器對整個儲能箱進行全方位監控、時時探測。
火災報警控制裝置
其中(zhong)，吸氣(qi)式探(tan)測(ce)器以電(dian)池(chi)(chi)簇為單位(wei)對(dui)整簇電(dian)池(chi)(chi)箱進行(xing)監(jian)控防(fang)護，可(ke)燃氣(qi)體(ti)探(tan)測(ce)器對(dui)電(dian)池(chi)(chi)艙(cang)進行(xing)監(jian)控防(fang)護，感溫感煙探(tan)測(ce)器對(dui)電(dian)氣(qi)艙(cang)進行(xing)監(jian)控防(fang)護。
火(huo)災(zai)探測(ce)裝置
當某個電(dian)池(chi)包發生電(dian)池(chi)熱失(shi)控火災(zai)時(shi)，探(tan)(tan)測(ce)器探(tan)(tan)測(ce)到火情(qing)，探(tan)(tan)測(ce)器開啟(qi)該電(dian)池(chi)簇分區(qu)控制(zhi)閥，同時(shi)將火情(qing)信息通過CAN總線傳送至火災(zai)抑(yi)制(zhi)主機，聲光報警(jing)器打開，排風(feng)系統打開，抑(yi)制(zhi)主機啟(qi)動輸(shu)(shu)出，滅(mie)火劑通過管路(lu)、分區(qu)控制(zhi)閥輸(shu)(shu)送至氣液兩相(xiang)的噴頭，滅(mie)火劑通過噴頭成(cheng)霧化狀態，然(ran)后噴灑(sa)到電(dian)池(chi)包內部，實施降溫、滅(mie)火功能(neng)。
機(ji)架式(shi)探測滅火(huo)一體機(ji)
儲(chu)能(neng)火(huo)災抑制主(zhu)機采用全氟己酮作(zuo)為主(zhu)要滅火(huo)劑，對儲能柜進行早(zao)期火(huo)災(zai)的(de)撲滅(mie)、抑(yi)(yi)制(zhi)和防控，一旦(dan)火(huo)情過大(da)，滅(mie)火(huo)劑需要長時間噴灑，主機內部自帶的(de)全(quan)氟(fu)己酮滅(mie)火(huo)劑使用(yong)完(wan)后，系統會(hui)自動補進消防栓水，實現長時間持續(xu)噴灑、抑(yi)(yi)制(zhi)火(huo)災(zai)復(fu)燃和電池降溫的(de)目的(de)。
5 試驗驗證
液冷集裝箱儲能(neng)系統在環境溫度(du)為25 ℃的情(qing)況下進行0.5C充電(dian)測試(shi)，由BMS記錄各電(dian)池包(bao)的溫度(du)變化情(qing)況。
充(chong)電(dian)結束(shu)時(shi)，電(dian)池包內電(dian)芯表面溫(wen)度(du)小于35 ℃，其溫(wen)升小于10 ℃，在整(zheng)個充(chong)電(dian)過程中，監測點最(zui)低(di)溫(wen)度(du)為32.5 ℃，最(zui)高溫(wen)度(du)為34.8 ℃，其溫(wen)差小于2.3 ℃，如圖2所示。
由圖2試驗結果可以看出，液冷集裝箱的溫升遠小于風冷集裝箱的溫差，一般風冷集裝箱的溫差達到5～8 ℃，能較好地促進整個儲能系統的溫度一致性，延長系統運行壽命。
6 結語
該工程設計了20尺液冷集裝箱儲能系統，包括系統理論設計、熱管理設計、消防設計等，最后通過試驗驗證表明，儲能系統溫度一致性較好，溫升符合要求。
液(ye)冷電池包在新能源汽(qi)車中運用非常成熟，儲能系統是靜止放置的，不會有漏液風險。液冷集裝箱系統減少了內部風道的設計，采用外維護系統，不用設置內部走廊空間，采用大電池包設計，最大限度地提高了能量密度。
從(cong)綜合(he)成本上講，液冷(leng)集裝箱儲能(neng)系統(tong)更有優勢，儲能(neng)系統(tong)最重(zhong)要的(de)是保證其(qi)安全性，消防系統(tong)的(de)設(she)計是至關重(zhong)要的(de)，系統(tong)采(cai)用Pack級消防，同時采(cai)用全氟己酮+水消防持(chi)續抑制的(de)方案，保證系統(tong)安全運行。
資料來源(yuan)：《液冷集裝箱式儲能(neng)系統設計開發研究(jiu)》作者：帥(shuai)昌俊 武(wu)漢億緯儲(chu)能有(you)限(xian)公司、艾(ai)邦儲(chu)能、網絡
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