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)。

0 引言

2022年2月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)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(guó)家出臺(tái)了一系列政策，儲(chǔ)能行業(yè)迎來(lái)了發(fā)展的良機(jī)。我國(guó)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(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的國(guó)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(guó)儲(chǔ)能事業(yè)提供人才支撐。我國(guó)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(guó)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(lái)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(lái)幾年內(nèi)迎來(lái)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?；痣妰?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(zhǎng)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(lái)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(guò)5 ℃，其分析與研究是基于風(fēng)冷的熱管理方式。鐘國(guó)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(guò)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(guò)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(zhǎng)。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(wèn)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(shuō)明了電池艙的設(shè)計(jì)開發(fā)，對(duì)電氣艙的說(shuō)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(guò)度充電和過(guò)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(wèn)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)?a href="http://www.yangziriver.cn/tags/241.html">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(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(lái)，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(guò)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(guò)管路、分區(qū)控制閥輸送至氣液兩相的噴頭，滅火劑通過(guò)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(guò)大，滅火劑需要長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行壽命。

6 結(jié)語(yǔ)

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(guò)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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本文標(biāo)題：液冷集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)研究

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