摘 要:當(dāng)前儲(chǔ)能電池的冷卻以風(fēng)冷散熱為主,但風(fēng)冷散熱存在電池組散熱效率低、系統(tǒng)噪聲大、產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性差等問題,給儲(chǔ)能系統(tǒng)的推廣應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。液冷系統(tǒng)具有換熱系數(shù)高、比熱容大、冷卻速度快等優(yōu)點(diǎn),可將儲(chǔ)能電池組溫升控制在更小范圍內(nèi),有助于延長(zhǎng)電池組的循環(huán)壽命。因此,更高效的儲(chǔ)能液冷冷卻系統(tǒng)成了工程技術(shù)人員爭(zhēng)相研究的新課題。通過研究鋰離子電池的溫度特性、冷卻系統(tǒng)原理、不同冷卻設(shè)備的特點(diǎn)等,提出了一種液冷儲(chǔ)能電池冷卻系統(tǒng)方案,為儲(chǔ)能電池的液冷冷卻提供借鑒。

0 引言

儲(chǔ)能在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)、集中式可再生能源并網(wǎng)、輔助服務(wù)等領(lǐng)域均得到了大量應(yīng)用,對(duì)節(jié)能減排、可靠性提高、電能質(zhì)量改善、可再生能源滲透率提升和收益增值等具有重要的實(shí)際意義[1]。電化學(xué)儲(chǔ)能因具有高能量和功率密度、快速響應(yīng)、高可靠性、長(zhǎng)壽命、安裝靈活等特點(diǎn)而易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用,在新能源利用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,已成為全球不同國(guó)家的研究熱點(diǎn)和未來重點(diǎn)發(fā)展方向[2-3]。

當(dāng)前,鋰蓄電池正朝著大功率、高比能量和高循環(huán)壽命方向迅速發(fā)展,大型鋰電池模塊已經(jīng)作為儲(chǔ)能電池進(jìn)入了電力儲(chǔ)能系統(tǒng)[4]。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的增大,電池組熱管理需求更加迫切。電池組在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量,如不能有效散熱,會(huì)導(dǎo)致電池溫度不斷升高,一方面可能造成整個(gè)系統(tǒng)的熱失控,另一方面也會(huì)加速電池老化,縮短電池壽命[5]。目前,電池散熱系統(tǒng)常用的技術(shù)有風(fēng)冷、液冷和相變材料冷卻等[6-7]。大規(guī)模電池組應(yīng)用時(shí),若采用風(fēng)冷散熱,則存在溫度一致性差、噪聲大且環(huán)境適應(yīng)性差等問題,因此更高效的液冷系統(tǒng)及其應(yīng)用就成了工程技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)介紹

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)組成

儲(chǔ)能系統(tǒng)是指使用鋰電池等將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存并能按要求釋放電能的一種電力裝置,主要應(yīng)用在新能源、分布式發(fā)電等系統(tǒng)。目前,儲(chǔ)能的技術(shù)類型有多種,按不同技術(shù)路線分為抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能等[8]。本文主要研究電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng),以下介紹的儲(chǔ)能系統(tǒng)均指電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)是一套完整的電力設(shè)備,它將交流電轉(zhuǎn)換為直流電儲(chǔ)存在電池內(nèi)部,當(dāng)需要時(shí)再將儲(chǔ)存在電池內(nèi)的電反向輸出供使用。儲(chǔ)能系統(tǒng)典型拓?fù)淙鐖D1所示,儲(chǔ)能系統(tǒng)由交流側(cè)、直流側(cè)以及主控制器三大類電力設(shè)備及輔助部件組成。交流側(cè)設(shè)備一般包括 PCS換流器、進(jìn)線開關(guān)設(shè)備、升壓變壓器、交流配電系統(tǒng)、通信柜、電纜等;直流側(cè)設(shè)備一般包括儲(chǔ)能電池組、BMS系統(tǒng)、直流匯流控制柜、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和電纜等。

1.2 儲(chǔ)能電池組

用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池主要有鋰離子電池、鈉硫電池、鉛酸電池、液流電池和鈉離子電池[9]。其中,鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)次數(shù)多、轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),是目前綜合性能最優(yōu)的一種儲(chǔ)能電池[10]。當(dāng)前應(yīng)用的儲(chǔ)能電池大多以電池艙供貨,廠內(nèi)制造集成,方便現(xiàn)場(chǎng)快速安裝,同時(shí)縮短項(xiàng)目周期和土建費(fèi)用。一般電池艙由多個(gè)電池簇組成,電池簇又由多個(gè)電池模塊組成,而電池模塊又由多個(gè)電池單體組成。一般根據(jù)電芯單體容量、項(xiàng)目裝機(jī)容量,綜合考慮電池電芯、電池模塊、電池簇的數(shù)量,最終組成電池艙。電池艙的組成如圖2所示。

1.3 鋰離子電池的熱特性

儲(chǔ)能系統(tǒng)隨著容量的增加,需要的電池?cái)?shù)量更多,電池容量和功率也更大。溫度對(duì)鋰離子電池的容量、功率和安全性等性能影響巨大。大量的電池組緊密地排列在一個(gè)空間內(nèi),運(yùn)行工況復(fù)雜多變,時(shí)而高倍率運(yùn)行,時(shí)而低倍率運(yùn)行,很容易造成產(chǎn)熱不均勻、溫度分布不均勻、電池組溫差較大的問題,長(zhǎng)此以往,必然會(huì)導(dǎo)致部分電池的充放電性能、容量和壽命等下降,從而影響整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作,嚴(yán)重時(shí)更會(huì)引發(fā)熱失控,造成事故[9]。

綜上所述,有效控制鋰離子電池的溫度,是儲(chǔ)能系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。溫度對(duì)鋰離子電池容量的衰減速度有非常重要的影響。溫度越高,鋰離子電池的容量衰減越快。Ehrlich等分別在21℃和45℃下對(duì)錳酸鋰電池進(jìn)行了500次1C 倍 率 充 放 電 循 環(huán),發(fā) 現(xiàn) 電 池 容 量 衰 減 分 別 為28%和51%[9-10]。鋰 離 子 電 池 在 充 放 電 過 程 中 會(huì) 產(chǎn) 生 熱能,當(dāng)電池工作產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散出時(shí),熱量就會(huì)在電池內(nèi)聚集形成高溫。隨著溫度的升高,SEI膜分解并放熱,電解液吸熱蒸發(fā),隔膜融化,從而發(fā)生短路,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起燃燒、爆炸等安全問題。因此,保證電池系統(tǒng)工作在可控的溫度范圍內(nèi)至關(guān)重要。

2 液冷冷卻系統(tǒng)原理

液冷冷卻系統(tǒng)以液體作為冷卻媒質(zhì),吸入被冷卻對(duì)象的熱量,然后經(jīng)水泵循環(huán)通過不同的冷卻設(shè)備進(jìn)行散熱的冷卻系統(tǒng)。換熱器是冷卻系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備,按換熱器中液體的接觸方式可分為間接冷卻和直接冷卻兩種。儲(chǔ)能電池當(dāng)前主要以風(fēng)冷散熱為主,但風(fēng)冷散熱系統(tǒng)冷卻效率低、噪聲大、防護(hù)等級(jí)低,因此行業(yè)內(nèi)已開始向液冷儲(chǔ)能方面開展探索應(yīng)用。據(jù)報(bào)道,已有不少項(xiàng)目采用間接冷卻(即冷板式冷卻)的儲(chǔ)能投入運(yùn)行,且相比風(fēng)冷系統(tǒng)有一定的優(yōu)勢(shì)。直接冷卻是指將冷卻介質(zhì)與被冷卻對(duì)象直接接觸,而電池的能量密度高,采用直接冷卻必須考慮電池安全性問題。目前針對(duì)儲(chǔ)能電池的安全性冷卻介質(zhì)未見應(yīng)用報(bào)道。

間接液冷冷卻系統(tǒng)一般采用密閉式循環(huán)的方式,由主循環(huán)泵組、換熱器、控制保護(hù)系統(tǒng)和管道等組成。其中,主循環(huán)泵組包括主水泵、穩(wěn)壓回路、管路;換熱器一般為空氣冷卻器、冷卻塔、冷水機(jī)組等一種或多種設(shè)備。密閉式液冷冷卻系統(tǒng)工作原理如圖3所示,冷卻媒質(zhì) (純水或水與防凍液混合物)經(jīng)主水泵增壓后,通過管道進(jìn)入換熱器 (空氣冷卻器、冷卻塔、冷水機(jī)組),與空氣進(jìn)行熱量交換從而降低溫度,再流入儲(chǔ)能電池組,帶出電池組所產(chǎn)生的熱量而升溫,升溫后的冷卻媒質(zhì)經(jīng)過脫氣罐回到主水泵入口,形成一個(gè)密閉式循環(huán)回路,如此連續(xù)往復(fù)運(yùn)行。

通過密閉式液冷冷卻系統(tǒng)工作原理可以得知,選擇滿足散熱需求且經(jīng)濟(jì)的換熱器設(shè)備是冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵。

3.1 空氣冷卻器

空氣冷卻器以空氣為冷卻媒質(zhì),利用空氣對(duì)流來實(shí)現(xiàn)熱量交換,從而達(dá)到降低水溫的目的?？諝饫鋮s器與冷卻塔相比,具有節(jié)約水資源、節(jié)省維護(hù)成本、降低環(huán)境破壞和污染等優(yōu)點(diǎn)[11]。根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝,空氣冷卻器分為穿片管束式和套片管束式兩種。制造商根據(jù)空氣冷卻器散熱容量、體積大小以及工藝能力來選擇相應(yīng)的生產(chǎn)工藝?？諝饫鋮s器由風(fēng)扇、電機(jī)、配電箱、匯集水管、鋼結(jié)構(gòu)和其他附件組成。熱的冷卻媒質(zhì)在管束內(nèi)流動(dòng),風(fēng)機(jī)帶動(dòng)空氣流動(dòng)并吹過管束,使得管束內(nèi)高溫介質(zhì)得到冷卻。截至目前,空氣冷卻器已在不同行業(yè)中廣泛應(yīng)用。在應(yīng)用時(shí),被冷卻對(duì)象的入口介質(zhì)溫度相比極端環(huán)境溫度要高,一般高5 ℃時(shí)最經(jīng)濟(jì)。受限于儲(chǔ)能電池運(yùn)行溫度不高于35 ℃ (電芯廠商提供)的需求,入口介質(zhì)溫度一般控制在低于25 ℃。也就是說,對(duì)于環(huán)境溫度高于20 ℃的地區(qū),采用空氣冷卻器不能滿足儲(chǔ)能電池的溫度要求,即不能選用該設(shè)備。

3.2 冷卻塔

閉式蒸發(fā)冷卻塔近幾年在鋼鐵冶金、電力電子、機(jī)械加工、空調(diào)系統(tǒng)等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[12]。閉式冷卻塔衍生自工業(yè)用蒸發(fā)式冷卻器,它利用環(huán)境空氣的干濕球溫度差和間接蒸發(fā)的方式降低盤管內(nèi)介質(zhì)溫度。熱的冷卻媒質(zhì)在蒸發(fā)冷卻塔盤管內(nèi)流過,冷卻塔頂部噴淋水均勻流過布置在塔頂?shù)膰娏芩?在噴淋水泵的驅(qū)動(dòng)下噴灑在冷卻塔盤管的表面,大氣中的冷空氣由塔體的進(jìn)風(fēng)口流入塔內(nèi),并在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下形成空氣循環(huán),塔內(nèi)的空冷與噴灑下來的噴淋水呈反方向流過塔體盤管,通過噴淋水吸熱和風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)冷卻降低盤管中冷卻媒質(zhì)溫度。

蒸發(fā)冷卻塔主要受濕球溫度影響,地區(qū)濕球溫度一般低于28 ℃,儲(chǔ)能電池進(jìn)口溫度低于25 ℃,在極端環(huán)境下也不能滿足進(jìn)水溫度要求。冷卻塔還會(huì)消耗大量的水資源,為保護(hù)冷卻塔盤管不被腐蝕,還需設(shè)計(jì)符合要求的水處理設(shè)備,導(dǎo)致系統(tǒng)更復(fù)雜且成本增加?；谝陨显?在缺乏水資源和高濕球溫度的地區(qū),冷卻塔在液冷儲(chǔ)能電池系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。

3.3 冷水機(jī)組

在現(xiàn)代制冷技術(shù)中,相變制冷是利用某種物質(zhì)相變時(shí)的吸熱效應(yīng),達(dá)到降低溫度的效果[13]。相變是指物質(zhì)集聚的變化,例如冰變成水。冷水機(jī)組就是利用制冷 劑 (即R134a、R407c等環(huán)保冷媒)的相變實(shí)現(xiàn)制冷的常用設(shè)備。選擇不同的冷媒可以實(shí)現(xiàn)更低的制冷溫度,如 R134a溫度范圍為60~10 ℃,完全可以滿足液冷儲(chǔ)能電池的介質(zhì)入口溫度。

本文以風(fēng)冷冷水機(jī)組為例介紹制冷循環(huán)過程。冷水機(jī)組主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、控制箱、蒸發(fā)器、連接管道等部件,構(gòu)成一個(gè)密閉的循環(huán)系統(tǒng)。其工作原理為低溫低壓液態(tài)的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器,吸收被冷卻物的熱量后變成低溫低壓氣態(tài)的制冷劑再進(jìn)入壓縮機(jī),經(jīng)過壓縮機(jī)變高溫高壓氣態(tài)的制冷劑進(jìn)入冷凝器,高溫高壓蒸汽通過冷凝器向大氣釋放熱,同時(shí)制冷劑變成低溫高壓的液體,最后經(jīng)膨脹閥節(jié)流后回到蒸發(fā)器,如此周而復(fù)始地循環(huán),實(shí)現(xiàn)制冷過程,如圖4所示。

3.4 電池液冷冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有研究表明,鋰離子電化學(xué)電池的特性在10~35 ℃溫度區(qū)間最佳,應(yīng)盡可能使鋰電池工作在這一溫度區(qū)間內(nèi)[9,14]。這就要求間接冷卻的冷卻液溫度低于35℃,行業(yè)內(nèi)一般控制進(jìn)水溫度在25 ℃左右,又由于項(xiàng)目地的極端環(huán)境溫度一般高于35 ℃,因此給液冷冷卻系統(tǒng)的換熱設(shè)備選型帶來了制約。外冷設(shè)備的選型受限于項(xiàng)目環(huán)境溫度、設(shè)備入口溫度、項(xiàng)目地水源條件等因素,典型散熱設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)見表1。

通過對(duì)比散熱設(shè)備特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn),在液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)中,只有冷水機(jī)組能夠適應(yīng)更廣泛的環(huán)境條件,滿足儲(chǔ)能電池適宜的工作溫度條件,因此選用冷水機(jī)組作為散熱設(shè)備最適宜,將會(huì)使電池均溫性更好,溫差相比于 風(fēng) 冷 更優(yōu),但是冷水機(jī)組也有弊端,即耗電量較高。通過研究液冷儲(chǔ)能電池的熱特性、冷卻系統(tǒng)工作原理以及散熱設(shè)備的特點(diǎn),筆者發(fā)明了一種應(yīng)用于液冷儲(chǔ)能電池的冷卻系統(tǒng)(專利號(hào):202221420453.6),如圖5所示。

4 結(jié)語

本文通過研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的組成、液冷冷卻系統(tǒng)的工作原理、散熱設(shè)備的特點(diǎn),分析常用的散熱設(shè)備空冷器、冷卻塔、冷水機(jī)組的特點(diǎn),結(jié)合液冷儲(chǔ)能電池的工作溫度,選擇更適宜液冷儲(chǔ)能電池的冷卻設(shè)備,并在最后給出了一套適用于液冷儲(chǔ)能電池冷卻系統(tǒng)的解決方案,為液冷儲(chǔ)能電池的冷卻提供參考。值得注意的是,該冷水機(jī)組在制冷時(shí)會(huì)消耗一定的電能,在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用中,還需要根據(jù)項(xiàng)目環(huán)境條件、電池工作需求、水資源情況,綜合考慮冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電,降低項(xiàng)目總耗電量和總投入成本。

本文標(biāo)題：液冷儲(chǔ)能電池冷卻系統(tǒng)的研究

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