液冷集装箱式储能系统设计开发研究
摘 要：介绍了储能行业发展的政策与前景，以液冷集装箱式储能系统为例，对储能系统、储能热管理系统和储能消防系统进行设计开发研究，阐述了液冷机组的设计选型，从理论和工程实践验证了液冷集装箱储能系统的优越性。液冷储能系统最大限度地提高了能量密度，相比于风冷储能系统，其成本和性价比更具优势。储能系统以0.5C运行时，热管理系统可以保证电池工作环境在最佳温度范围内。
0 引言
2022年2月，國家发展改革委、国家能源局印发《“十四五”新型储能发展实施方案》，明确了新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备，到2025年，新型储能规模化发展，到2030年，新型储能全面市场化发展。国家出台了一系列政策，储能行业迎来了发展的良机。我国储能市场将由百MW/MWh级时代步入GW/GWh级时代，大规模、大容量的储能将广泛有序地应用于新型电力系统的发电侧、电网侧、用户侧各环节，有力地推进我国实现“碳达峰、碳中和”的国家战略目标。
从2019年开始，现在已经有40多所高校开设储能科学与工程本科专业，为我国储能事业提供人才支撑。我国也相应发布了一系列标准，如GB/T 36276—2018、GB 51048—2014等，在锂电池、电池管理系统（BMS）、变流器（PCS）、消防安全以及系统各方面都有涉及，国际上也发布了一些储能系统通用认证标准，如UL 1642、UL 1973、UL 9540、UL 9540A、UN 38.3等。
从政策、人才储备、标准规范以及整个社会的发展趋势来看，储能行业是继互联网行业之后的另一个风口，必将在未来几年内迎来爆发式发展。本研究从储能方案的选择、储能系统的设计、储能热管理系统和储能消防系统的设计，对新的储能系统进行设计开发研究，可为储能系统的发展提供依据。
1 储能方案的选择
目前，技术成熟度较高、应用较为广泛的储能技术为抽水蓄能和电化学储能，电化学储能主要是利用锂电池技术，综合考虑性价比、安全性、使用寿命和产业成熟度等因素，磷酸铁锂电池是现阶段最适合用于储能的电池。火电储能辅助调频对储能电池性能有较高的要求，包括储能技术的高倍率特性、高爬坡特性、快速响应能力、强能效比、高温安全性和长寿命等。因此，对于火电储能联合调频项目，推荐采用磷酸铁锂电池。从用户侧储能应用场景来看，根据削峰填谷、需求响应、供电可靠性等需求，也推荐采用磷酸铁锂电池。
储能电站的安全事故频发，2011—2021年，全球共发生32起储能电站起火爆炸事故，其中，80%起火的储能电站均采用三元锂电池。2021年，北京丰台储能电站发生起火爆炸事故，事故调查报告指出，起火的直接原因是电池发生内短路故障，引发电池热失控起火。
电池起火主要由电池热失控产生，热失控主要是因为电池内短路，内短路的主要原因有机械滥用、电气滥用和热滥用，应对热滥用的方式是采取良好的热管理设计。王晓松等[1]提出热管理设计的标准指标有两项，一是保证电池表面温度处于15～35 ℃，二是保持电池间的温差不超过5 ℃，其分析与研究是基于风冷的热管理方式。钟国彬等[2]提出现有的储能系统很少选用液冷技术，因为电池储能系统在一定空间内积聚了大量的电池，一旦乙二醇水溶液泄漏会造成短路，易引发连锁反应，造成重大事故。游峰等[3]提出储能系统技术的核心是电池组、电池簇结构设计、电池系统热设计、电池系统的保护技术、电池管理系统等。田刚领等[4]在某项目中的热管理采用风冷方案，保证储能系统0.5C充电运行时，电池最高温度不高于34 ℃，储能系统最大温差基本保持在5 ℃。田刚领等[5]提出当电池模组内温差达到5 ℃时，电池模组的寿命比温差控制在2 ℃以内的模组寿命减少30%。
液冷技术通过液体对流换热，将电池产生的热量带走，降低电池温度。液冷的漏液风险可以通过结构设计避免，液冷的效率比风冷的效率高，液冷的温差控制优于风冷，液冷的流体温度和流量控制比风冷的风道控制简单，采用液冷的电池寿命更长。综合成本考虑，液冷系统比风冷系统更有优势，同时，目前储能电站安全问题突出，液冷的储能系统也在逐渐推广应用。笔者以某储能系统工程为研究对象，采用液冷的热管理方式，详细论述了储能系统的设计方案，供相关设计人员讨论与交流。
2 液冷锂电池储能系统
锂电池储能系统包含电池舱和电气舱，电池舱由电池簇、液冷系统、消防系统、汇流柜、配电箱等组成，电气舱由变流器（PCS）、变压器、控制柜、环网柜、交流配电柜、空调等组成，本研究详细说明了电池舱的设计开发，对电气舱的说明从略。整个锂电池储能系统设计流程为电池包（Pack）、电池簇（Rack）、电池舱（Container），如图1所示。
储能系统电芯采用亿纬锂能方形铝壳磷酸铁锂LF280K电芯（3.2 V/280 Ah），电池包的串并联方式是1P48S，单个电池包有48块LF280K电芯，电池包容量是43.008 kW·h，电池系统由8组电池簇并联，每组电池簇由8个电池包串联，储能系统容量为2.75 MW·h，额定电压为1 228.8 V。
储能系统电池舱是标准的集装箱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、防紫外线等功能，其防护等级为IP54。为了防止电池出现过度充电和过度放电现象，实现对电池的充放电管理，确保电池系统稳定、可靠运行，系统须配置电池管理系统（BMS），保护硬件须配继电器、断路器、熔断器等。
3 储能热管理设计
3.1 热管理系统设计
液冷热管理系统由液冷板、液冷机组、液冷管路、高低压线束和冷却液组成，关于液冷漏液的问题，采取以下措施。第一，液冷接头采用车规级的防漏液冷却管道快插接头，可以保证在储能系统运行时，漏液的风险降到最低。第二，在液冷机组膨胀水箱设置液位传感器，如果有漏液现象发生，液冷机组会报警。第三，电池包设计的防护等级为IP67，保证漏液时对系统无影响，电池包的液冷板是铝合金压铸一体成型，集成了底座和液冷板的功能，其中，液冷板和密封盖板采用搅拌摩擦焊连接;同时，液冷板也会做气密性检测，保证液冷板密封性能良好。电池包液冷板采用“蛇形”流道，冷却液采用质量分数50%水+质量分数50%乙二醇，液冷系统通过一定的热管理策略，使得冷却液流经液冷板时，对电池包进行制冷或制热。
液冷机组具备制冷、制热以及除湿功能，液冷机组热管理系统的策略和工作模式紧密相关。文中，Tmax指电池最高温度;Tvag指电池平均温度;Tmin指电池最低温度。
当Tmax≥28 ℃、Tvag≥25 ℃时，液冷机组进入制冷模式，压缩机开启，高温高压的制冷剂从压缩机中排出，进入冷凝器冷凝，放热降温后，通过膨胀阀进行节流降压，然后进入蒸发器，并与冷却液进行换热，制冷剂在蒸发器中吸热蒸发后流回压缩机吸气口，完成一个制冷循环。此时，水路中的水泵开启，PTC加热器不开启，冷却液在板式蒸发器中冷却后进入电池包液冷板，对电池进行冷却，将热量带出，从而达到冷却电池的目的。当Tmax≤25 ℃ 、Tvag≤22 ℃时，停止制冷模式。
当Tmin≤12 ℃、Tvag≤15 ℃时，液冷机组进入制热模式，压缩机处于关闭状态，水泵、PTC加热器开启，冷却液经过PTC加热器加热后，进入电池冷板，加热电池。此模式适用于电池温度过低时，需要对电池进行加热的情况。当Tmin≥20 ℃、Tvag≥23 ℃时，停止制热模式。
当进水口温度≤12 ℃，液冷机组进入自循环模式，压缩机、风机、PTC加热器关闭，水泵开启，使冷却液在电池冷板和机组中周而复始地循环流动，将电池包中的热量带出。当集装箱内湿度高于对应温度下的露点温度时，液冷机组开启除湿模式。
3.2 热管理系统设计计算
储能集装箱采用外维护模式，储能系统共有8簇，其中，4簇并排在一起，另外4簇与之背靠背布置，储能系统的液冷回路采用并联方式，但相邻两个电池包采用串联方式，各支路采用流量计独立监控，保证各个电池包冷却液的流速和流量均衡。
集装箱内一些主要的热负荷为电芯发热功率P、电芯温升吸热Q，单体电芯在不同倍率下的充电或放电功率可用式（1）表示。
P0=I2×R×1.2 （1）
式中：I为电芯容量;R为电芯直流电阻。储能系统设定的充放电倍率为0.5C，电芯LF280K在0.5C充电的发热功率平均值为12.5 W，放电的发热功率平均值为9.5 W。
储能系统的总电芯数量为n，整个储能系统有3 072块LF280K电芯。
电芯总发热功率（0.5C充电）为P=n×P0=12.5×3 072=38 400 W。
设置电芯的最大温升ΔT=10 ℃，电芯的质量m=5.42×3 072=16 650.24 kg，电芯温升发热量可用式（2）表示。
Q=CmΔT （2）
式中：C为电池比热容，kJ/（kg·℃），一般取1.055。代入得Q=175 660.03 kJ。
电池本体吸收热功率P1=Q/t，充放电2 h，则t=7 200 s，P1=24 397 W。
液冷机组的制冷负荷P2>（P-P1）·k，其中，k为安全系数，一般取1.2～1.5，P2=19.6 kW，所以制冷功率设定为20 kW。
因为锂离子电池的工作温度为-20～50 ℃，充电温度为0～50 ℃，所以若锂电池在零下低温环境中重新开始工作，就需要先预热一段时间，将电芯温度提升到0 ℃及以上。假定环境温度为-30 ℃，电池吸收的热量为Q1=CmΔT1，其中ΔT1=-30 ℃，电池吸收的热量为Q1=526 980.09 kJ，电池的吸热功率为P2=Q1/t1，其中，t1=12 h，P2=12.2 kW，所以制热功率设定为14 kW。液冷机组为非标定制化设计，将其制热制冷功率参数确定下来，然后在试验中检验其性能。
4 储能消防系统
消防系统以每个电池Pack为最小防护单元，采用气液两相雾化灭火剂的全新灭火技术方案，联合采用吸气式探测器、可燃气体探测器、感温感烟探测器对整个储能箱进行全方位监控、时时探测。其中，吸气式探测器以电池簇为单位对整簇电池箱进行监控防护，可燃气体探测器对电池舱进行监控防护，感温感烟探测器对电气舱进行监控防护。
当某个电池包发生电池热失控火灾时，探测器探测到火情，探测器开启该电池簇分区控制阀，同时将火情信息通过CAN总线传送至火灾抑制主机，声光报警器打开，排风系统打开，抑制主机启动输出，灭火剂通过管路、分区控制阀输送至气液两相的喷头，灭火剂通过喷头成雾化状态，然后噴洒到电池包内部，实施降温、灭火功能。
储能火灾抑制主机采用全氟己酮作为主要灭火剂，对储能柜进行早期火灾的扑灭、抑制和防控，一旦火情过大，灭火剂需要长时间喷洒，主机内部自带的全氟己酮灭火剂使用完后，系统会自动补进消防栓水，实现长时间持续喷洒、抑制火灾复燃和电池降温的目的。
5 试验验证
液冷集装箱储能系统在环境温度为25 ℃的情况下进行0.5C充电测试，由BMS记录各电池包的温度变化情况。充电结束时，电池包内电芯表面温度小于35 ℃，其温升小于10 ℃，在整个充电过程中，监测点最低温度为32.5 ℃，最高温度为34.8 ℃，其温差小于2.3 ℃，如图2所示。由图2试验结果可以看出，液冷集装箱的温升远小于风冷集装箱的温差，一般风冷集装箱的温差达到5～8 ℃，能较好地促进整个储能系统的温度一致性，延长系统运行寿命。
6 结语
该工程设计了20尺液冷集装箱储能系统，包括系统理论设计、热管理设计、消防设计等，最后通过试验验证表明，储能系统温度一致性较好，温升符合要求。
液冷电池包在新能源汽车中运用非常成熟，储能系统是静止放置的，不会有漏液风险。液冷集装箱系统减少了内部风道的设计，采用外维护系统，不用设置内部走廊空间，采用大电池包设计，最大限度地提高了能量密度。从综合成本上讲，液冷集装箱储能系统更有优势，储能系统最重要的是保证其安全性，消防系统的设计是至关重要的，系统采用Pack级消防，同时采用全氟己酮+水消防持续抑制的方案，保证系统安全运行。
来源：网络
本文标题：液冷集装箱式储能系统设计开发研究
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