液冷集裝箱式儲能系統設計開發研究

帥昌俊

摘 要：介紹了儲能行業發展的政策與前景，以液冷集裝箱式儲能系統為例，對儲能系統、儲能熱管理系統和儲能消防系統進行設計開發研究，闡述了液冷機組的設計選型，從理論和工程實踐驗證了液冷集裝箱儲能系統的優越性。液冷儲能系統最大限度地提高了能量密度，相比于風冷儲能系統，其成本和性價比更具優勢。儲能系統以0.5C運行時，熱管理系統可以保證電池工作環境在最佳溫度范圍內。

關鍵詞：儲能;液冷;儲能熱管理;儲能消防系統

中圖分類號：TM912 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：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，國家發展改革委、國家能源局印發《“十四五”新型儲能發展實施方案》，明確了新型儲能是構建新型電力系統的重要技術和基礎裝備，到2025年，新型儲能規模化發展，到2030年，新型儲能全面市場化發展。國家出臺了一系列政策，儲能行業迎來了發展的良機。我國儲能市場將由百MW/MWh級時代步入GW/GWh級時代，大規模、大容量的儲能將廣泛有序地應用于新型電力系統的發電側、電網側、用戶側各環節，有力地推進我國實現“碳達峰、碳中和”的國家戰略目標。

從2019年開始，現在已經有40多所高校開設儲能科學與工程本科專業，為我國儲能事業提供人才支撐。我國也相應發布了一系列標準，如GB/T 36276—2018、GB 51048—2014等，在鋰電池、電池管理系統（BMS）、變流器（PCS）、消防安全以及系統各方面都有涉及，國際上也發布了一些儲能系統通用認證標準，如UL 1642、UL 1973、UL 9540、UL 9540A、UN 38.3等。

從政策、人才儲備、標準規范以及整個社會的發展趨勢來看，儲能行業是繼互聯網行業之后的另一個風口，必將在未來幾年內迎來爆發式發展。本研究從儲能方案的選擇、儲能系統的設計、儲能熱管理系統和儲能消防系統的設計，對新的儲能系統進行設計開發研究，可為儲能系統的發展提供依據。

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。火電儲能輔助調頻對儲能電池性能有較高的要求，包括儲能技術的高倍率特性、高爬坡特性、快速響應能力、強能效比、高溫安全性和長壽命等。因此，對于火電儲能聯合調頻項目，推薦采用磷酸鐵鋰電池。從用戶側儲能應用場景來看，根據削峰填谷、需求響應、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，2011—2021年，全球共發生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生起火爆炸事故，事故調查報告指出，起火的直接原因是電池發生內短路故障，引發電池熱失控起火。

電池起火主要由電池熱失控產生，熱失控主要是因為電池內短路，內短路的主要原因有機械濫用、電氣濫用和熱濫用，應對熱濫用的方式是采取良好的熱管理設計。王曉松等[1]提出熱管理設計的標準指標有兩項，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冷的熱管理方式。鐘國彬等[2]提出現有的儲能系統很少選用液冷技術，因為電池儲能系統在一定空間內積聚了大量的電池，一旦乙二醇水溶液泄漏會造成短路，易引發連鎖反應，造成重大事故。游峰等[3]提出儲能系統技術的核心是電池組、電池簇結構設計、電池系統熱設計、電池系統的保護技術、電池管理系統等。田剛領等[4]在某項目中的熱管理采用風冷方案，保證儲能系統0.5C充電運行時，電池最高溫度不高于34 ℃，儲能系統最大溫差基本保持在5 ℃。田剛領等[5]提出當電池模組內溫差達到5 ℃時，電池模組的壽命比溫差控制在2 ℃以內的模組壽命減少30%。

液冷技術通過液體對流換熱，將電池產生的熱量帶走，降低電池溫度。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。綜合成本考慮，液冷系統比風冷系統更有優勢，同時，目前儲能電站安全問題突出，液冷的儲能系統也在逐漸推廣應用。筆者以某儲能系統工程為研究對象，采用液冷的熱管理方式，詳細論述了儲能系統的設計方案，供相關設計人員討論與交流。

2 液冷鋰電池儲能系統

鋰電池儲能系統包含電池艙和電氣艙，電池艙由電池簇、液冷系統、消防系統、匯流柜、配電箱等組成，電氣艙由變流器（PCS）、變壓器、控制柜、環網柜、交流配電柜、空調等組成，本研究詳細說明了電池艙的設計開發，對電氣艙的說明從略。整個鋰電池儲能系統設計流程為電池包（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，電池系統由8組電池簇并聯，每組電池簇由8個電池包串聯，儲能系統容量為2.75 MW·h，額定電壓為1 228.8 V。

儲能系統電池艙是標準的集裝箱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。

3 儲能熱管理設計

3.1 熱管理系統設計

液冷熱管理系統由液冷板、液冷機組、液冷管路、高低壓線束和冷卻液組成，關于液冷漏液的問題，采取以下措施。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，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，冷卻液采用質量分數50%水+質量分數50%乙二醇，液冷系統通過一定的熱管理策略，使得冷卻液流經液冷板時，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的策略和工作模式緊密相關。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，通過膨脹閥進行節流降壓，然后進入蒸發器，并與冷卻液進行換熱，制冷劑在蒸發器中吸熱蒸發后流回壓縮機吸氣口，完成一個制冷循環。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Tmax≤25 ℃ 、Tvag≤22 ℃時，停止制冷模式。

當Tmin≤12 ℃、Tvag≤15 ℃時，液冷機組進入制熱模式，壓縮機處于關閉狀態，水泵、PTC加熱器開啟，冷卻液經過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Tmin≥20 ℃、Tvag≥23 ℃時，停止制熱模式。

當進水口溫度≤12 ℃，液冷機組進入自循環模式，壓縮機、風機、PTC加熱器關閉，水泵開啟，使冷卻液在電池冷板和機組中周而復始地循環流動，將電池包中的熱量帶出。當集裝箱內濕度高于對應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。

集裝箱內一些主要的熱負荷為電芯發熱功率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。儲能系統設定的充放電倍率為0.5C，電芯LF280K在0.5C充電的發熱功率平均值為12.5 W，放電的發熱功率平均值為9.5 W。

儲能系統的總電芯數量為n，整個儲能系統有3 072塊LF280K電芯。

電芯總發熱功率（0.5C充電）為P=n×P0=12.5×3 072=38 400 W。

設置電芯的最大溫升ΔT=10 ℃，電芯的質量m=5.42×3 072=16 650.24 kg，電芯溫升發熱量可用式（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。

液冷機組的制冷負荷P2>（P-P1）·k，其中，k為安全系數，一般取1.2～1.5，P2=19.6 kW，所以制冷功率設定為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境中重新開始工作，就需要先預熱一段時間，將電芯溫度提升到0 ℃及以上。假定環境溫度為-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，所以制熱功率設定為14 kW。液冷機組為非標定制化設計，將其制熱制冷功率參數確定下來，然后在試驗中檢驗其性能。

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。其中，吸氣式探測器以電池簇為單位對整簇電池箱進行監控防護，可燃氣體探測器對電池艙進行監控防護，感溫感煙探測器對電氣艙進行監控防護。

當某個電池包發生電池熱失控火災時，探測器探測到火情，探測器開啟該電池簇分區控制閥，同時將火情信息通過CAN總線傳送至火災抑制主機，聲光報警器打開，排風系統打開，抑制主機啟動輸出，滅火劑通過管路、分區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，然后噴灑到電池包內部，實施降溫、滅火功能。

儲能火災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，主機內部自帶的全氟己酮滅火劑使用完后，系統會自動補進消防栓水，實現長時間持續噴灑、抑制火災復燃和電池降溫的目的。

5 試驗驗證

液冷集裝箱儲能系統在環境溫度為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。充電結束時，電池包內電芯表面溫度小于35 ℃，其溫升小于10 ℃，在整個充電過程中，監測點最低溫度為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。

液冷電池包在新能源汽車中運用非常成熟，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。從綜合成本上講，液冷集裝箱儲能系統更有優勢，儲能系統最重要的是保證其安全性，消防系統的設計是至關重要的，系統采用Pack級消防，同時采用全氟己酮+水消防持續抑制的方案，保證系統安全運行。

參考文獻：

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