中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 長(zhǎng)期處于高溫與大溫差將會(huì)損壞電池性能與使用壽命，而現(xiàn)有的電池儲(chǔ)能冷卻系統(tǒng)普遍存在冷卻效率低、冷熱氣流組織紊亂以及漏液風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。針對(duì)以上不足，本文研發(fā)了應(yīng)用于大型集裝箱儲(chǔ)能的新型兩相冷板液冷系統(tǒng)，并在湖南省湘潭市某儲(chǔ)能電站對(duì)其溫控效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。首先，分析了兩相冷板在整個(gè)充、放電過(guò)程中對(duì)全艙與各電池箱的電池溫度和溫度一致性的控制效果，其次，揭示了充、放電過(guò)程結(jié)束后的靜置期間電池溫度變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，兩相冷板液冷系統(tǒng)在整個(gè)充、放電過(guò)程中能夠有效降低電池的溫升，并將全艙電池的最大溫差從傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)的4.17 ℃降低至3 ℃以?xún)?nèi)，提高了電池溫度的一致性；在同等充、放電條件下，充電時(shí)電池散發(fā)的熱量高于放電時(shí)電池散發(fā)的熱量；無(wú)冷卻情況下，靜置階段儲(chǔ)能電站內(nèi)部電池會(huì)出現(xiàn)80 min及更長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)高溫的現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞 儲(chǔ)能電站；電池溫度；兩相液冷；熱管理
在雙碳的大背景下，可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署量近年來(lái)增長(zhǎng)迅速。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2022年底，中國(guó)已投運(yùn)的新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到13.1 GW/27.1 GWh，功率規(guī)模年增長(zhǎng)率達(dá)128%，能量規(guī)模年增長(zhǎng)率達(dá)141%。其中，鋰離子電池儲(chǔ)能具有能量和功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電低等優(yōu)點(diǎn)，其累計(jì)裝機(jī)規(guī)模占比高達(dá)94%。然而，在集裝箱式儲(chǔ)能電站中，數(shù)量龐大的電池的性能、安全性和壽命受其溫度的影響：溫度過(guò)低會(huì)降低電池容量，溫度過(guò)高會(huì)減少電池壽命甚至導(dǎo)致熱失控。鋰離子電池的最佳推薦使用溫度范圍為25~40 ℃。當(dāng)多個(gè)鋰離子電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組時(shí)，電池間的最大溫差不應(yīng)超過(guò)5 ℃。隨著儲(chǔ)能需求的不斷增加，其熱流密度也在不斷增加，集裝箱式儲(chǔ)能電站的高效熱管理系統(tǒng)日益重要。
目前，電池常用的熱管理系統(tǒng)主要包括風(fēng)冷和液冷。風(fēng)冷熱管理系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用，但存在冷熱氣流組織紊亂、冷卻效率低等缺陷。相比之下，液冷熱管理系統(tǒng)具有較高的傳熱系數(shù)，能夠提高電池組的均溫性。Wang等人對(duì)動(dòng)力電池液冷冷板進(jìn)行流向布局優(yōu)化，可以將電池溫度控制在35.74 ℃內(nèi)，溫差控制在4.17 ℃以?xún)?nèi)。鄭海等人研究了底部液冷熱管理系統(tǒng)中冷卻液溫度對(duì)電池組最大溫差的影響，結(jié)果表明，冷卻液溫度過(guò)低或與環(huán)境溫差差值越大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池組間溫度一致性下降。陳雅等人設(shè)計(jì)了一種蛇形液冷板，研究發(fā)現(xiàn)該液冷板在冷卻液流速大于0.4 m/s后能夠?qū)㈦姵刈畲鬁夭罹S持在4.5 ℃左右。然而，傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)通常采用乙二醇水溶液等單相工質(zhì)，電池組間溫差大、冷卻液泄漏風(fēng)險(xiǎn)與結(jié)露等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致電池腐蝕或熱失控。而在兩相液冷系統(tǒng)中，冷卻工質(zhì)利用相變潛熱，能夠使得輸送管道中工質(zhì)的進(jìn)、出口溫度保持一致，進(jìn)一步提高電池組的均溫性；假如發(fā)生泄漏也會(huì)瞬間汽化，保證電池的安全性。
近年來(lái)，兩相液冷系統(tǒng)因其換熱效率高、無(wú)漏液風(fēng)險(xiǎn)備受學(xué)者關(guān)注。Sun等人提出了一種運(yùn)用于數(shù)據(jù)中心機(jī)架級(jí)的兩相制冷劑系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了按需冷卻，年平均COP達(dá)到7.81。Hou等人將緊湊型兩相冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于高熱通量芯片熱管理并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其散熱能力達(dá)到了380 W/cm2以上，芯片溫度保持在90 ℃。Hong等人對(duì)直接使用兩相制冷劑與使用傳統(tǒng)乙二醇水溶液兩種不同冷卻工質(zhì)對(duì)動(dòng)力電池的影響進(jìn)行了比較，相比乙二醇水溶液冷卻，制冷劑冷卻使冷卻模塊重量減輕56%，在惡劣環(huán)境下能夠更好地控制電池溫度并且延緩電池老化。迄今為止，國(guó)內(nèi)外關(guān)于兩相液冷系統(tǒng)的研究主要集中于數(shù)據(jù)中心、芯片及動(dòng)力電池的領(lǐng)域，很少涉及儲(chǔ)能電站的冷卻應(yīng)用。
對(duì)于儲(chǔ)能電站冷卻系統(tǒng)的研究，主要以風(fēng)冷為主且采用模擬仿真居多。Yang等人以14個(gè)電池箱組成的儲(chǔ)能集裝箱為研究對(duì)象，研究對(duì)比不同風(fēng)機(jī)控制策略下儲(chǔ)能電站內(nèi)部的風(fēng)冷熱管理系統(tǒng)的氣流組織。Huang等人利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法探究冷卻空氣對(duì)儲(chǔ)能電站電池溫度分布的影響，并預(yù)測(cè)電池模塊在不同進(jìn)風(fēng)條件下的安全性。鄒燚濤等人提出了“主風(fēng)道+立管”形式的均勻送風(fēng)方案，并基于CFD技術(shù)對(duì)集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行全通道的流場(chǎng)特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)合以上和目前已有的文獻(xiàn)與研究，關(guān)于液冷儲(chǔ)能電站的溫度分布與均溫性的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究還未曾有相關(guān)報(bào)道，兩相冷板液冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究將揭示不同條件下的大型儲(chǔ)能系統(tǒng)冷卻效果和電池均溫性。
因此，本文開(kāi)發(fā)了一種新型應(yīng)用于集裝箱式儲(chǔ)能的兩相冷板液冷熱管理系統(tǒng)，并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試其充電、放電與靜置過(guò)程中的不同電池溫度變化差異，對(duì)其熱管理效果進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以顯著提升冷卻效果和電池的均溫性。
1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
1.1 氣候描述
湘潭市地處夏熱冬冷地區(qū)，位于東經(jīng)111°58′~113°05′，北緯27°20′55″~28°05′40″。實(shí)驗(yàn)期間的室外氣象條件如圖1所示。室外最高、最低和平均氣溫分別為28.6 ℃、22.8 ℃和26.5 ℃，平均濕度為53.58%。
圖1 室外氣象條件及實(shí)驗(yàn)工況
1.2 系統(tǒng)介紹
本文建立了一種基于兩相冷板的儲(chǔ)能電站熱管理系統(tǒng)，并對(duì)其熱管理性能進(jìn)行了分析。整個(gè)系統(tǒng)由電池模塊、電池測(cè)試平臺(tái)、電池管理系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成。圖2(a)為集裝箱式儲(chǔ)能電站兩相冷板液冷系統(tǒng)示意圖，包含電池模塊與冷卻系統(tǒng)。整個(gè)儲(chǔ)能電站的尺寸為6058 mm(長(zhǎng))×2438 mm(寬)×2896 mm(高)，最大充放電功率≥1375 kW，系統(tǒng)放電量≥2750 kWh，電池模塊包括8簇電池艙，每簇電池艙包括8個(gè)電池箱，每個(gè)電池箱由48節(jié)電池串聯(lián)組成。冷卻系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、冷凝器、風(fēng)機(jī)、膨脹閥、板式換熱器和輸送管道；圖2(b)為電池測(cè)試平臺(tái)，用于對(duì)模塊進(jìn)行充、放電。電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的電壓和溫度。
本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試了離冷源系統(tǒng)最遠(yuǎn)的1簇電池艙。電池箱放置在兩相冷板上方，并用導(dǎo)熱硅脂固定，以降低接觸熱阻。本研究中冷板的材料為Al3003，硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)為3 W/(m·℃)；制冷劑R410A作為冷卻工質(zhì)，流經(jīng)兩相冷板冷卻電池，實(shí)驗(yàn)電池選用了儲(chǔ)能專(zhuān)用的280 Ah磷酸鐵鋰電池，其詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。測(cè)量設(shè)備基本情況見(jiàn)表2。
表1 電池參數(shù)
表2 測(cè)量設(shè)備基本情況
圖2 集裝箱式儲(chǔ)能電站兩相冷板液冷系統(tǒng)示意圖
1.3 實(shí)驗(yàn)原理
圖3是兩相冷板液冷系統(tǒng)原理圖。電池簇中，從下往上分別是1#到8#電池箱。鋰離子電池在充、放電過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，電池產(chǎn)生的熱量沿著垂直方向傳遞到底部的兩相冷板，流經(jīng)兩相冷板的冷卻工質(zhì)通過(guò)導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱帶走熱量。對(duì)于冷卻系統(tǒng)而言，它利用制冷循環(huán)制取冷量，通過(guò)板式蒸發(fā)器與末端冷卻工質(zhì)進(jìn)行換熱，被冷卻后的冷卻工質(zhì)通過(guò)氟泵輸送到冷板，對(duì)電池模塊進(jìn)行冷卻，然后冷卻工質(zhì)回流到板式蒸發(fā)器形成循環(huán)。
圖3 兩相冷板液冷系統(tǒng)原理圖
圖4是冷卻工質(zhì)在總輸送管道進(jìn)出口的溫度狀態(tài)。圖4(a)表明，大部分時(shí)間里，進(jìn)口實(shí)際溫度低于進(jìn)口飽和溫度，冷卻工質(zhì)處于液態(tài)；圖4(b)表明，出口實(shí)際溫度總是高于出口飽和溫度，冷卻工質(zhì)總是處于氣態(tài)。冷卻工質(zhì)在循環(huán)中發(fā)生了相變，管道中存在氣液兩相共存狀態(tài)，因此稱(chēng)為“兩相”。
圖4 冷卻工質(zhì)在總輸送管道進(jìn)出口的溫度狀態(tài)
1.4 電池溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)
在本文中，電池組的底表面與冷板接觸，電池的最高溫度區(qū)域位于其上表面的正負(fù)電極[18]。因此，選擇正負(fù)電極作為溫度測(cè)量位置來(lái)代表電池的熱特性。每個(gè)電池箱中共有48個(gè)電池，其中測(cè)量42個(gè)電池的溫度，共測(cè)量8個(gè)電池箱。圖5展示了每個(gè)電池箱的電池溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布局。第i個(gè)電池箱的第j個(gè)測(cè)點(diǎn)記為T(mén)i,j(i=1…8；j=1…42)。
圖5 每個(gè)電池箱的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局
1.5 實(shí)驗(yàn)步驟
為了說(shuō)明兩相冷板冷卻系統(tǒng)方案下電池的熱特性，本文設(shè)計(jì)了5種測(cè)試工況，如表3所示。為了模擬真實(shí)場(chǎng)景，將儲(chǔ)能電站放置在空曠的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。在充電實(shí)驗(yàn)中，電池模塊以恒定電流140 A進(jìn)行充電，充電過(guò)程完成后靜置30 min，然后實(shí)驗(yàn)結(jié)束；放電過(guò)程亦同。工況5探究靜置階段冷卻系統(tǒng)對(duì)電池溫度變化的影響，按照步驟(1)、(2)、(3)依次連續(xù)進(jìn)行。表3中，C代表充、放電倍率，0.5 C充電倍率指的是電池在額定容量280 Ah時(shí)用140 A充、放電。SOC表示電池的荷電狀態(tài)，即電池的剩余可放電電量與其完全充滿(mǎn)電時(shí)的電量的比值，通常用百分?jǐn)?shù)表示，取值范圍為0%~100%。當(dāng)SOC=0，表示電池完全放電；當(dāng)SOC=100%時(shí)，表示電池完全充滿(mǎn)。
表3 測(cè)試工況
進(jìn)行冷卻實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持冷卻系統(tǒng)的供液溫度在18~25 ℃范圍內(nèi)。電池充電、放電與冷卻過(guò)程同時(shí)開(kāi)始，直到完成充、放電的完整過(guò)程后，靜置半個(gè)小時(shí)，該工況實(shí)驗(yàn)停止。而進(jìn)行無(wú)冷卻實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了不開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)，其他實(shí)驗(yàn)條件和步驟與冷卻實(shí)驗(yàn)設(shè)置相同。
1.6 計(jì)算
電池模塊的最高溫度和最低溫度以及電池最大溫差是評(píng)價(jià)熱管理系統(tǒng)冷卻性能最直接的參數(shù)。式(1)、式(2)和式(3)分別表示電池艙的瞬時(shí)最高溫度、最低溫度和最大溫差；式(4)、式(5)和式(6)分別表示電池箱的瞬時(shí)最高溫度、最低溫度和最大溫差。
式中，Tmax為全艙電池最大瞬時(shí)溫度，℃；Tmin為全艙電池最小瞬時(shí)溫度，℃；ΔT為全艙電池最大瞬時(shí)溫差，℃；Ti,max為第i個(gè)電池箱內(nèi)電池最大瞬時(shí)溫度，℃；Ti,min為第i個(gè)電池箱內(nèi)電池最小瞬時(shí)溫度，℃；ΔTi為第i個(gè)電池箱內(nèi)電池最大瞬時(shí)溫差，℃。
2 基于兩相冷板的液冷熱管理系統(tǒng)溫控效果
2.1 全艙電池溫度分布
本節(jié)通過(guò)冷卻系統(tǒng)與無(wú)冷卻系統(tǒng)的對(duì)比，分析了全艙電池的溫度分布。圖6展示了在充電過(guò)程中，不開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)與開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)時(shí)的全艙電池溫度變化情況。對(duì)比圖6(a)、(b)可知，無(wú)冷卻時(shí)電池溫度持續(xù)上升，最高達(dá)43 ℃；而開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)時(shí)，電池的溫度上升速度明顯減慢，最高僅達(dá)38 ℃，相比無(wú)冷卻降低了5 ℃。電池充電過(guò)程中不斷釋放熱量，導(dǎo)致溫度持續(xù)升高，呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)。開(kāi)啟與不開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)都能使全艙電池溫差保持在3 ℃以?xún)?nèi)，相比無(wú)冷卻情況，冷卻系統(tǒng)開(kāi)啟使得最大溫差為1 ℃的占比由0.3%提高到了7%。
圖6 充電時(shí)全艙電池隨SOC的溫度變化情況
放電情況下，不開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)與開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)時(shí)全艙電池溫度變化情況如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，放電過(guò)程和充電過(guò)程中電池溫度變化趨勢(shì)相似，開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)比不開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)電池的最大溫度降低了4 ℃。對(duì)比圖6(b)、圖7(b)可以看出，在同等冷卻條件下，充電階段的溫升高于放電階段的溫升，充電階段最高溫度為38 ℃，放電階段最高溫度為35 ℃。因此，充電過(guò)程中的散熱量大于放電過(guò)程中的散熱量。
圖7 放電時(shí)全艙電池隨SOC的溫度變化情況
2.2 各電池箱最大溫差對(duì)比
圖8展示了充電狀態(tài)下開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)時(shí)各電池箱的最大溫差變化及不同溫差出現(xiàn)的比例?？梢钥闯觯谡麄€(gè)充電過(guò)程中，每個(gè)電池箱的溫差基本上保持在2 ℃以?xún)?nèi)，這表明使用兩相冷板液冷系統(tǒng)可以有效控制全艙電池的溫差。這是因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)工作時(shí)充分利用了冷卻工質(zhì)相變潛熱，換熱系數(shù)較高。
圖8 充電且冷卻時(shí)，各電池箱內(nèi)最大溫差變化情況
圖9展示了放電狀態(tài)下冷卻系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)各電池箱的最大溫差變化。從圖7、圖9可以看出，在放電過(guò)程中，兩相液冷系統(tǒng)能夠使整簇電池溫差控制在3 ℃之內(nèi)，同時(shí)單個(gè)電池箱電池溫差均保持在2 ℃以?xún)?nèi)，與傳統(tǒng)液冷下的電池[8]相比，兩相液冷系統(tǒng)使全艙電池最大溫差從4.17 ℃降低到3 ℃。
圖9 放電且冷卻時(shí)，各電池箱內(nèi)最大溫差變化情況
2.3 靜置階段溫度分析
圖10對(duì)比了開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)與否對(duì)電池靜置狀態(tài)的影響。充電結(jié)束，電池停止產(chǎn)生熱量。在無(wú)冷卻情況下，80 min實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)電池的溫度下降緩慢，最大溫度41 ℃持續(xù)不變，電池最大溫差從剛靜置時(shí)的3 ℃逐漸增大至6 ℃；開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)兩個(gè)小時(shí)后，電池最大溫度降至28 ℃，電池最小溫度降至24 ℃，電池最大溫差降至4 ℃。結(jié)果表明，即使電池停止產(chǎn)生熱量(即停止充、放電)，在儲(chǔ)能電站電池充、放電過(guò)程中積攢的熱量也很難在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)自然對(duì)流完全散發(fā)。在這個(gè)階段，電池一直保持高溫度和大溫差，這將損害電池的壽命和使用。因此，在充電、放電結(jié)束后的靜置階段，建議繼續(xù)采用冷卻措施，直至電池溫度降低到合適范圍。
圖10 靜置時(shí)全艙電池的逐時(shí)溫度變化情況
3 結(jié) 論
本文研發(fā)了一種兩相冷板液冷系統(tǒng)并應(yīng)用于集裝箱式儲(chǔ)能電站，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了該系統(tǒng)在電池充、放電與靜置過(guò)程的溫控能力。結(jié)論如下：
（1）兩相液冷可以有效降低電池溫升并控制電池的均溫性，整簇電池溫差保持在3 ℃之內(nèi)，電池箱內(nèi)電池溫差基本保持在2 ℃之內(nèi)。
（2）同一速率、同一環(huán)境下進(jìn)行充、放電時(shí)，充電產(chǎn)生的熱量比放電產(chǎn)生的熱量高，因此在充電時(shí)可以加強(qiáng)冷卻手段，以達(dá)到更好的熱管理效果。
（3）靜置時(shí)，電池通過(guò)自然對(duì)流散發(fā)熱量會(huì)導(dǎo)致其持續(xù)高溫和大溫差現(xiàn)象，因此在充、放電結(jié)束后的靜置階段，仍需保持冷卻系統(tǒng)開(kāi)啟。
