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以國內(nèi)某20尺集裝箱式儲能系統(tǒng)為例，對熱管理冷卻方式和集裝箱保溫設(shè)計進(jìn)行介紹。非接觸式液冷方式冷卻效率高，且冷卻后的電池溫度一致性較好，成本適中，應(yīng)用廣泛。采用非接觸式液冷冷卻方式給儲能系統(tǒng)散熱，對熱管理控制策略進(jìn)行詳細(xì)描述，并對熱管理進(jìn)行設(shè)計、計算和試驗驗證。結(jié)果表明，該集裝箱式儲能熱管理設(shè)計可以保證電池在0.5C充放電倍率下工作在適宜溫度范圍內(nèi)，且溫度一致性良好，最大溫差小于3℃。

關(guān)鍵詞：集裝箱式；儲能系統(tǒng)；熱管理

電能是現(xiàn)代社會發(fā)展的重要動力，當(dāng)今社會各行各業(yè)及居民生活都離不開電力供應(yīng)。隨著中國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，用電需求量越來越大，用電峰谷差愈發(fā)加劇。“雙碳”背景下，發(fā)展儲能意義重大[1]。儲能是能源革命的關(guān)鍵支撐技術(shù)[2]。儲能系統(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)時波動性較大的問題，還可以在主網(wǎng)停電等特殊情況下單獨供電，保證供電安全。

集裝箱式儲能系統(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，便于運輸和安裝的特點，適合場所多，應(yīng)用場景高。

隨著儲能行業(yè)的快速發(fā)展與應(yīng)用，因儲能電池?zé)峁芾硎Э貙?dǎo)致的火災(zāi)事故屢見不鮮。對近兩年儲能行業(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，對儲能系統(tǒng)熱失控的研究正成為儲能相關(guān)研究的熱點[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)境會使電池容量降低[6]。

最佳溫度區(qū)間為10℃～35℃[7]。所以，對儲能系統(tǒng)熱管理進(jìn)行研究意義重大。

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

本文以國內(nèi)某集裝箱式儲能系統(tǒng)為例，對熱管理控制策略進(jìn)行介紹，并對熱管理的設(shè)計方案進(jìn)行論述、計算和試驗驗證。

01.集裝箱式儲能系統(tǒng)

本儲能系統(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)分級依次為電芯、電池包、電池簇、電池倉，采用磷酸鐵鋰電芯（3.2V/280Ah），52個電芯串聯(lián)組成1個電池包（1P52S），8個電池包串聯(lián)成1個電池簇，8個電池簇并聯(lián)成1個電池倉。儲能系統(tǒng)額定電壓1331.2V，額定容量2.98MW·h。

02.儲能熱管理設(shè)計

集裝箱式儲能系統(tǒng)目前主要有自然冷卻、強制風(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)，以儲能系統(tǒng)材料的導(dǎo)熱性將熱量散掉。這種散熱方式最簡單，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，這時需要使用其他冷卻方式。

強制風(fēng)冷是通過使用風(fēng)機產(chǎn)生強制氣流將熱量帶走，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，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(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?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能系統(tǒng)散熱?

儲能熱管理系統(tǒng)設(shè)計

儲能熱管理系統(tǒng)主要由三合一?壓縮機?冷凝器?膨脹閥?板換?散熱風(fēng)機?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)動板?AC/DC?繼電器板3部分,防護等級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,通過冷卻液給儲能電池散熱或加熱?

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?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,壓縮機運轉(zhuǎn),冷媒經(jīng)冷凝器?膨脹閥?板換進(jìn)入壓縮機完成一個循環(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熱交換形成的熱量?電池發(fā)熱功率計算公式為:

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

集裝箱通過外壁與外界環(huán)境進(jìn)行換熱，電池溫度升高后，對于熱源來說，這個過程是散熱。散熱功率計算公式為 ：

式（2）中 ：k ——對流換熱系數(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組的最小制冷量。

電池自身溫升熱量計算公式為 ：

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——充放電時間。

儲能熱管理控制策略

儲能熱管理有上位機強制控制模式和自控模式兩種工作模式。強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溫度測點數(shù)據(jù)中的最大值）Tmax≥33℃時，熱管理機組進(jìn)入制冷模式。此時，壓縮機運轉(zhuǎn)，同時水泵開啟。當(dāng)出水溫度達(dá)到目標(biāo)溫度-5℃時，壓縮機關(guān)閉，風(fēng)機延時停機，水泵繼續(xù)工作。在有些場景中，要求制冷模式時通過調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速將冷卻液出水溫度控制在15℃左右。當(dāng)Tmax≤28℃時，系統(tǒng)給熱管理機組發(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，熱管理機組進(jìn)入制熱模式。此時，壓縮機關(guān)閉，PTC和水泵運轉(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)運轉(zhuǎn)。在有些場景中，要求制熱模式時，

通過調(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，系統(tǒng)給熱管理機組發(fā)送命令，退出制熱模式。

3）自循環(huán)模式：當(dāng)電池溫度測點數(shù)據(jù)中的最大值與最小值之差TdT≥15℃時，熱管理機組進(jìn)入自循環(huán)模式。壓縮機和PTC都關(guān)閉，風(fēng)機延時關(guān)閉，水泵運轉(zhuǎn)。當(dāng)TdT≤12℃時，系統(tǒng)給熱管理機組發(fā)送命令，退出自循環(huán)模式。

4）待機模式：待機狀態(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，熱管理機組上電即開啟外循環(huán)，通過實時檢測外循環(huán)回水溫度，根據(jù)設(shè)定好的動作閾值自行控制制冷和制熱。自控模式的加入，可以保證熱管理機組在和BMS通信中斷的情況下，根據(jù)自身采集的各個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。

自控模式和上位機強制控制模式可通過遠(yuǎn)程通訊切換執(zhí)行，并可根據(jù)實際情況通過遠(yuǎn)程通信自由設(shè)置自控模式下的各種動作溫度閾值。儲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。

儲能熱管理設(shè)計計算

儲能系統(tǒng)按0.5C充放電倍率計算，電芯的發(fā)熱功率為

12.5W?一般來講,電芯的放電功率小于充電功率?所以,計算制冷量時,按照充電功率計算?

電池倉共3328個電芯,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)計算得到電芯總發(fā)熱溫升Q為186085.12KJ?

設(shè)儲能電池充電時充電時間為2h,安全系數(shù)k取1.2,由公式(4)計算得到熱管理機組最小制冷量為18.84kW,所以熱管理機組制冷功率取20kW?當(dāng)環(huán)境溫度很低,電池需要工作時,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℃,計算制熱功率,由公式(3)計算得:Q為558255.36KJ?

電池的吸熱功率:

所以熱管理機組制熱功率設(shè)定為14kW?制冷功率和制熱功率計算完后,需要匹配合適的壓縮機?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?

集裝箱保溫層設(shè)計

集裝箱艙體應(yīng)做好保溫層設(shè)計以減少外界環(huán)境溫度對艙體的影響,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,一般防護等級應(yīng)高于IP54?

03.試驗驗證

儲能系統(tǒng)在30℃環(huán)境下進(jìn)行0.5C充電測試，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，該集裝箱式儲能熱管理設(shè)計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)運行壽命。

04.結(jié)語

國內(nèi)儲能產(chǎn)業(yè)方興未艾，隨著儲能行業(yè)的深入發(fā)展，尤其是儲能系統(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，對儲能熱管理進(jìn)行系統(tǒng)研究及對控制策略進(jìn)行合理規(guī)劃具有重要意義。本文以國內(nèi)集裝箱式儲能系統(tǒng)為例，對熱管理冷卻方式和集裝箱保溫設(shè)計進(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能系統(tǒng)散熱，對熱管理控制策略進(jìn)行詳細(xì)描述，并對熱管理進(jìn)行設(shè)計、計算和試驗驗證。結(jié)果表明，該集裝箱式儲能熱管理設(shè)計可以保證電池在充電過程中工作在適宜溫度范圍內(nèi)，且溫度一致性良好，同時可以為其他設(shè)計者提供很好的借鑒意義和參考價值。除了安全與高效，應(yīng)看到經(jīng)濟性也是衡量儲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是今后儲能熱管理的一個重要研究方向。

原標(biāo)題：集裝箱式儲能熱管理的研究與應(yīng)用