集裝箱式儲(chǔ)能熱管理的研究與應(yīng)用

程鵬飛，郭 坤，郭玉峰

（凱邁（洛陽(yáng)）機(jī)電有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

電能是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Γ?dāng)今社會(huì)各行各業(yè)及居民生活都離不開電力供應(yīng)。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，用電需求量越來(lái)越大，用電峰谷差愈發(fā)加劇?！半p碳”背景下，發(fā)展儲(chǔ)能意義重大[1]。儲(chǔ)能是能源革命的關(guān)鍵支撐技術(shù)[2]。儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可以很好地解決用電峰谷差，節(jié)約資源，降低用電成本，也可以解決新能源發(fā)電并網(wǎng)時(shí)波動(dòng)性較大的問(wèn)題，還可以在主網(wǎng)停電等特殊情況下單獨(dú)供電，保證供電安全。

集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部集成了電池柜、電池管理系統(tǒng)、變流器、熱管理系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等，具有模塊化程度高，建設(shè)周期短，便于運(yùn)輸和安裝的特點(diǎn)，適合場(chǎng)所多，應(yīng)用場(chǎng)景高。

隨著儲(chǔ)能行業(yè)的快速發(fā)展與應(yīng)用，因儲(chǔ)能電池?zé)峁芾硎Э貙?dǎo)致的火災(zāi)事故屢見不鮮。對(duì)近兩年儲(chǔ)能行業(yè)20 多起火災(zāi)事故的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電池組熱失控是導(dǎo)致火災(zāi)的最大元兇，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控的研究正成為儲(chǔ)能相關(guān)研究的熱點(diǎn)[3]。Zhao 等研究發(fā)現(xiàn)，溫度每升高1℃，電池壽命減少約60d[4]；Spotnit 等研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)的高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池通道發(fā)生鼻塞，引起正負(fù)極直接接觸、短路，進(jìn)而放出大量的熱[5]；Feng 等發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境會(huì)使電池容量降低[6]。最佳溫度區(qū)間為10℃～35℃[7]。所以，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理進(jìn)行研究意義重大。

王曉松等通過(guò)CFD 仿真研究，在風(fēng)道內(nèi)加設(shè)導(dǎo)流板，并對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整來(lái)改善風(fēng)量分布，提高集裝箱內(nèi)氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的均勻性[8]。張子峰等利用Icepak 軟件模擬仿真，設(shè)計(jì)的風(fēng)道在滇池北部開有小孔用于通風(fēng)，小孔上裝有手動(dòng)可調(diào)風(fēng)口，實(shí)現(xiàn)均勻出風(fēng)，保證集裝箱內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性[9]。

本文以國(guó)內(nèi)某集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，對(duì)熱管理控制策略進(jìn)行介紹，并對(duì)熱管理的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論述、計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)

本儲(chǔ)能系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的20 尺集裝箱（6.058m×2.438m×2.896m），配備了BMS、變流器、液冷系統(tǒng)、配電柜、滅火裝置等，如圖1 所示。電池系統(tǒng)分級(jí)依次為電芯、電池包、電池簇、電池倉(cāng)，采用磷酸鐵鋰電芯（3.2V/280Ah），52 個(gè)電芯串聯(lián)組成1 個(gè)電池包（1P52S），8 個(gè)電池包串聯(lián)成1 個(gè)電池簇，8 個(gè)電池簇并聯(lián)成1 個(gè)電池倉(cāng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)額定電壓1331.2V，額定容量2.98MW·h。

圖1 集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.1 Container type energy storage system

2 儲(chǔ)能熱管理設(shè)計(jì)

集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)目前主要有自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷、液冷冷卻和相變冷卻等幾種冷卻方式。

自然冷卻是以空氣為介質(zhì)，以儲(chǔ)能系統(tǒng)材料的導(dǎo)熱性將熱量散掉。這種散熱方式最簡(jiǎn)單，散熱效果也最差。一般在電池充放電情況下，自然冷卻很難將電池產(chǎn)生的熱量完全散掉，這時(shí)需要使用其他冷卻方式。

強(qiáng)制風(fēng)冷是通過(guò)使用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)制氣流將熱量帶走，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但散熱能力有限，換熱系數(shù)低，受環(huán)境影響較大。

相變冷卻是利用相變材料的相態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行冷卻的技術(shù)。相變材料是一種特殊的介質(zhì)，可在發(fā)生相變時(shí)（融化、蒸發(fā)、升華）吸收大量的熱量。相變制冷可以滿足高要求場(chǎng)所，冷卻效率好，但是成本較高，需配合其它散熱方式使用。

液冷冷卻是以流動(dòng)的冷卻液為介質(zhì)，利用冷卻液的高比熱容和換熱系數(shù)，配合水泵和板換達(dá)到散熱的目的。液冷冷卻又分為接觸式和非接觸式兩種冷卻方式。接觸式液冷是將電池直接浸沒(méi)在冷卻液中，冷卻液和電池直接接觸將熱量帶走，這種冷卻方式效率非常高，但要求也高，存在漏液風(fēng)險(xiǎn)。非接觸式液冷是使用冷板或冷管等將電池和冷卻液分開進(jìn)行散熱，冷卻效率高，冷卻效果明顯優(yōu)于強(qiáng)制風(fēng)冷，且冷卻后電池溫度的一致性較好，成本適中，應(yīng)用廣泛。本文采用非接觸式液冷冷卻方式給儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱。

2.1 儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)主要由三合一、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、板換、散熱風(fēng)機(jī)、水泵、高低壓線束、冷媒管路、水管和冷卻液等組成，如圖2 所示。三合一包括變頻器驅(qū)動(dòng)板、AC/DC、繼電器板3 部分，防護(hù)等級(jí)IP66。冷卻液一般由體積比各為50%的水和乙二醇構(gòu)成，熱管理機(jī)組根據(jù)BMS 命令和采集到的溫度和壓力傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定好的控制策略，通過(guò)冷卻液給儲(chǔ)能電池散熱或加熱。

圖2 儲(chǔ)能熱管理外觀圖Fig.2 Appearance of energy storage thermal management

冷卻液回路由電池包管路、水泵、膨脹水箱等構(gòu)成，冷媒回路由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、板換和散熱風(fēng)扇等組成。冷卻液回路和冷媒回路的熱量在板換中交換。制冷時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，冷媒經(jīng)冷凝器、膨脹閥、板換進(jìn)入壓縮機(jī)完成一個(gè)循環(huán)，在板換中將給電池散熱的冷卻液的熱量帶出，冷媒的熱量在冷凝器中通過(guò)散熱風(fēng)扇散掉。

集裝箱內(nèi)的冷負(fù)荷主要包括電池發(fā)熱量和外界環(huán)境沿集裝箱外壁通過(guò)熱交換形成的熱量。電池發(fā)熱功率計(jì)算公式為：

式（1）中：I——電池充放電電流；R——電池直流內(nèi)阻，該值會(huì)隨著SOC 和電池溫度變化而有所變化。

集裝箱通過(guò)外壁與外界環(huán)境進(jìn)行換熱，電池溫度升高后，對(duì)于熱源來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程是散熱。散熱功率計(jì)算公式為：

式（2）中：k——對(duì)流換熱系數(shù)；A——傳熱面積；ΔT1——電池和環(huán)境溫差。

電池的發(fā)熱量和集裝箱外壁傳熱量構(gòu)成儲(chǔ)能系統(tǒng)總的冷負(fù)荷，一部分轉(zhuǎn)化為電池的溫升，一部分由制冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)移出去。轉(zhuǎn)移出去的這部分熱量就是熱管理機(jī)組的最小制冷量。

電池自身溫升熱量計(jì)算公式為：

式（3）中：c——電池比熱容；m——電池質(zhì)量；ΔT2——電池溫升。

由以上可知，熱管理機(jī)組最小制冷量為：

式（4）中：k——安全系數(shù)，一般取1.2~1.5；t2——充放電時(shí)間。

2.2 儲(chǔ)能熱管理控制策略

儲(chǔ)能熱管理有上位機(jī)強(qiáng)制控制模式和自控模式兩種工作模式。強(qiáng)制控制模式又分為制冷模式、制熱模式、自循環(huán)模式和待機(jī)模式4 種工作狀態(tài)。

1）制冷模式：當(dāng)電池最高溫度（BMS 溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)中的最大值）Tmax≥33℃時(shí)，熱管理機(jī)組進(jìn)入制冷模式。此時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)水泵開啟。當(dāng)出水溫度達(dá)到目標(biāo)溫度-5℃時(shí)，壓縮機(jī)關(guān)閉，風(fēng)機(jī)延時(shí)停機(jī)，水泵繼續(xù)工作。在有些場(chǎng)景中，要求制冷模式時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速將冷卻液出水溫度控制在15℃左右。當(dāng)Tmax≤28℃時(shí)，系統(tǒng)給熱管理機(jī)組發(fā)送命令退出制冷模式。

2）制熱模式：當(dāng)電池最低溫度Tmin≤12℃時(shí)，熱管理機(jī)組進(jìn)入制熱模式。此時(shí)，壓縮機(jī)關(guān)閉，PTC 和水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電池溫度高于設(shè)定閾值+3℃后，關(guān)閉PTC，退出加熱模式，水泵繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。在有些場(chǎng)景中，要求制熱模式時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)PTC 功率和目標(biāo)溫度將冷卻液出水溫度控制在35℃左右。當(dāng)Tmin≥15℃時(shí)，系統(tǒng)給熱管理機(jī)組發(fā)送命令，退出制熱模式。

3）自循環(huán)模式：當(dāng)電池溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)中的最大值與最小值之差TdT≥15℃時(shí)，熱管理機(jī)組進(jìn)入自循環(huán)模式。壓縮機(jī)和PTC 都關(guān)閉，風(fēng)機(jī)延時(shí)關(guān)閉，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)TdT≤12℃時(shí)，系統(tǒng)給熱管理機(jī)組發(fā)送命令，退出自循環(huán)模式。

4）待機(jī)模式：待機(jī)狀態(tài)，除CCU 外，其他部分均處于不工作狀態(tài)。向系統(tǒng)上報(bào)自身傳感器采集的各種信息，如進(jìn)水口溫度、出水口溫度等。

5）自控模式：自控模式下，熱管理機(jī)組上電即開啟外循環(huán)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)外循環(huán)回水溫度，根據(jù)設(shè)定好的動(dòng)作閾值自行控制制冷和制熱。自控模式的加入，可以保證熱管理機(jī)組在和BMS 通信中斷的情況下，根據(jù)自身采集的各個(gè)傳感器值自主切換各種控制模式，保證了在通信中斷的情況下，儲(chǔ)能電池依然可以工作在適宜的溫度范圍內(nèi)，防止電池出現(xiàn)熱失衡的狀況。

自控模式和上位機(jī)強(qiáng)制控制模式可通過(guò)遠(yuǎn)程通訊切換執(zhí)行，并可根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)遠(yuǎn)程通信自由設(shè)置自控模式下的各種動(dòng)作溫度閾值。

儲(chǔ)能熱管理制冷模式控制策略流程圖如圖3 所示，其它模式以此類推。

圖3 儲(chǔ)能熱管理制冷模式控制策略Fig.3 Cooling mode control strategy for energy storage heat management

2.3 儲(chǔ)能熱管理設(shè)計(jì)計(jì)算

儲(chǔ)能系統(tǒng)按0.5C 充放電倍率計(jì)算，電芯的發(fā)熱功率為12.5W。一般來(lái)講，電芯的放電功率小于充電功率。所以，計(jì)算制冷量時(shí)，按照充電功率計(jì)算。

電池倉(cāng)共3328 個(gè)電芯，系統(tǒng)總的電芯發(fā)熱功率為：

電芯質(zhì)量為5.3kg，電芯總質(zhì)量為17638.4kg。

電池比熱容一般取1.055KJ/(kg·℃)，設(shè)電芯最大溫升10 ℃，由公式（3）計(jì)算得到電芯總發(fā)熱溫升Q為186085.12KJ。

設(shè)儲(chǔ)能電池充電時(shí)充電時(shí)間為2h，安全系數(shù)k 取1.2，由公式（4）計(jì)算得到熱管理機(jī)組最小制冷量為18.84kW，所以熱管理機(jī)組制冷功率取20kW。

當(dāng)環(huán)境溫度很低，電池需要工作時(shí)，為了使電池能夠工作在適宜溫度范圍內(nèi)，需要先給電池制熱。假設(shè)溫升30℃，計(jì)算制熱功率，由公式（3）計(jì)算得：Q為558255.36KJ。

電池的吸熱功率：

所以熱管理機(jī)組制熱功率設(shè)定為14kW。制冷功率和制熱功率計(jì)算完后，需要匹配合適的壓縮機(jī)、PTC 加熱器、冷凝器、板換等保證達(dá)到設(shè)定的制冷量和制熱量。

2.4 集裝箱保溫層設(shè)計(jì)

集裝箱艙體應(yīng)做好保溫層設(shè)計(jì)以減少外界環(huán)境溫度對(duì)艙體的影響，集裝箱保溫性越差，艙內(nèi)越容易受外界環(huán)境溫度的影響。保溫設(shè)計(jì)主要考慮密封性和隔熱性，艙體各面要有隔熱層，以減少集裝箱和外界環(huán)境的熱量交換，隔熱材料應(yīng)具有防腐、無(wú)毒和阻燃性能。隔熱層一般采用雙層彩鋼板中間夾保溫巖棉板，可以有效避免艙體內(nèi)外熱量交換并提高防火性能。密封方面，集裝箱艙體應(yīng)提高密封性，一般防護(hù)等級(jí)應(yīng)高于IP54。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

儲(chǔ)能系統(tǒng)在30℃環(huán)境下進(jìn)行0.5C 充電測(cè)試，并記錄電池溫度變化，如圖4、圖5 所示。電池最低溫度由29.1℃上升到36.5℃，最高溫度由31.2℃上升到39.4℃，溫升小于10℃，最大溫差3℃以內(nèi)。結(jié)果表明，該集裝箱式儲(chǔ)能熱管理設(shè)計(jì)可以在充電工況下保證電池工作在適宜溫度范圍內(nèi)，且溫度一致性良好，有效提升了電池工作質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行壽命。

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)電池溫度曲線Fig.4 Battery temperature curve during charging of energy storage system

圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)電池溫差曲線Fig.5 Battery temperature difference curve during charging of energy storage system

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)方興未艾，隨著儲(chǔ)能行業(yè)的深入發(fā)展，尤其是儲(chǔ)能系統(tǒng)向著高密度、高容量的方向發(fā)展，可靠的熱管理愈發(fā)顯得尤為重要，對(duì)儲(chǔ)能熱管理進(jìn)行系統(tǒng)研究及對(duì)控制策略進(jìn)行合理規(guī)劃具有重要意義。本文以國(guó)內(nèi)集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，對(duì)熱管理冷卻方式和集裝箱保溫設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。非接觸式液冷方式冷卻效率高，且冷卻后電池溫度的一致性較好，成本適中，應(yīng)用廣泛。采用非接觸式液冷冷卻方式給儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱，對(duì)熱管理控制策略進(jìn)行詳細(xì)描述，并對(duì)熱管理進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該集裝箱式儲(chǔ)能熱管理設(shè)計(jì)可以保證電池在充電過(guò)程中工作在適宜溫度范圍內(nèi)，且溫度一致性良好，同時(shí)可以為其他設(shè)計(jì)者提供很好的借鑒意義和參考價(jià)值。

除了安全與高效，應(yīng)看到經(jīng)濟(jì)性也是衡量?jī)?chǔ)能熱管理的重要指標(biāo)，所以如何在保證制冷量的前提下，盡可能地提高COP 是今后儲(chǔ)能熱管理的一個(gè)重要研究方向。