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摘 要 長期處于高溫與大溫差將會損壞電池性能與使用壽命，而現(xiàn)有的電池儲能冷卻系統(tǒng)普遍存在冷卻效率低、冷熱氣流組織紊亂以及漏液風險等問題。針對以上不足，本文研發(fā)了應用于大型集裝箱儲能的新型兩相冷板液冷系統(tǒng)，并在湖南省湘潭市某儲能電站對其溫控效果進行現(xiàn)場實測。首先，分析了兩相冷板在整個充、放電過程中對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)在整個充、放電過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 ℃以內(nèi)，提高了電池溫度的一致性；在同等充、放電條件下，充電時電池散發(fā)的熱量高于放電時電池散發(fā)的熱量；無冷卻情況下，靜置階段儲能電站內(nèi)部電池會出現(xiàn)80 min及更長時間持續(xù)高溫的現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞 儲能電站；電池溫度；兩相液冷；熱管理
在雙碳的大背景下，可再生能源和儲能系統(tǒng)的部署量近年來增長迅速。據(jù)統(tǒng)計，截至2022年底，中國已投運的新型儲能累計裝機規(guī)模達到13.1 GW/27.1 GWh，功率規(guī)模年增長率達128%，能量規(guī)模年增長率達141%。其中，鋰離子電池儲能具有能量和功率密度高、循環(huán)壽命長、自放電低等優(yōu)點，其累計裝機規(guī)模占比高達94%。然而，在集裝箱式儲能電站中，數(shù)量龐大的電池的性能、安全性和壽命受其溫度的影響：溫度過低會降低電池容量，溫度過高會減少電池壽命甚至導致熱失控。鋰離子電池的最佳推薦使用溫度范圍為25~40 ℃。當多個鋰離子電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組時，電池間的最大溫差不應超過5 ℃。隨著儲能需求的不斷增加，其熱流密度也在不斷增加，集裝箱式儲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)主要包括風冷和液冷。風冷熱管理系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢而被廣泛應用，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等人對動力電池液冷冷板進行流向布局優(yōu)化，可以將電池溫度控制在35.74 ℃內(nèi)，溫差控制在4.17 ℃以內(nèi)。鄭海等人研究了底部液冷熱管理系統(tǒng)中冷卻液溫度對電池組最大溫差的影響，結(jié)果表明，冷卻液溫度過低或與環(huán)境溫差差值越大時，會導致電池組間溫度一致性下降。陳雅等人設(shè)計了一種蛇形液冷板，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、冷卻液泄漏風險與結(jié)露等問題會導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、出口溫度保持一致，進一步提高電池組的均溫性；假如發(fā)生泄漏也會瞬間汽化，保證電池的安全性。
近年來，兩相液冷系統(tǒng)因其換熱效率高、無漏液風險備受學者關(guān)注。Sun等人提出了一種運用于數(shù)據(jù)中心機架級的兩相制冷劑系統(tǒng)，實現(xiàn)了按需冷卻，年平均COP達到7.81。Hou等人將緊湊型兩相冷卻系統(tǒng)應用于高熱通量芯片熱管理并進行了實驗研究，其散熱能力達到了380 W/cm2以上，芯片溫度保持在90 ℃。Hong等人對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)對動力電池的影響進行了比較，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、芯片及動力電池的領(lǐng)域，很少涉及儲能電站的冷卻應用。
對于儲能電站冷卻系統(tǒng)的研究，主要以風冷為主且采用模擬仿真居多。Yang等人以14個電池箱組成的儲能集裝箱為研究對象，研究對比不同風機控制策略下儲能電站內(nèi)部的風冷熱管理系統(tǒng)的氣流組織。Huang等人利用機器學習算法探究冷卻空氣對儲能電站電池溫度分布的影響，并預測電池模塊在不同進風條件下的安全性。鄒燚濤等人提出了“主風道+立管”形式的均勻送風方案，并基于CFD技術(shù)對集裝箱式儲能系統(tǒng)內(nèi)部進行全通道的流場特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)合以上和目前已有的文獻與研究，關(guān)于液冷儲能電站的溫度分布與均溫性的現(xiàn)場實驗研究還未曾有相關(guān)報道，兩相冷板液冷系統(tǒng)實驗研究將揭示不同條件下的大型儲能系統(tǒng)冷卻效果和電池均溫性。
因此，本文開發(fā)了一種新型應用于集裝箱式儲能的兩相冷板液冷熱管理系統(tǒng)，并現(xiàn)場實驗測試其充電、放電與靜置過程中的不同電池溫度變化差異，對其熱管理效果進行分析，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 實驗設(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″。實驗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 室外氣象條件及實驗工況
1.2 系統(tǒng)介紹
本文建立了一種基于兩相冷板的儲能電站熱管理系統(tǒng)，并對其熱管理性能進行了分析。整個系統(tǒng)由電池模塊、電池測試平臺、電池管理系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成。圖2(a)為集裝箱式儲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)。整個儲能電站的尺寸為6058 mm(長)×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個電池箱，每個電池箱由48節(jié)電池串聯(lián)組成。冷卻系統(tǒng)包括壓縮機、冷凝器、風機、膨脹閥、板式換熱器和輸送管道；圖2(b)為電池測試平臺，用于對模塊進行充、放電。電池管理系統(tǒng)實時監(jiān)測電池的電壓和溫度。
本次實驗測試了離冷源系統(tǒng)最遠的1簇電池艙。電池箱放置在兩相冷板上方，并用導熱硅脂固定，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，實驗電池選用了儲能專用的280 Ah磷酸鐵鋰電池，其詳細參數(shù)見表1。測量設(shè)備基本情況見表2。
表1 電池參數(shù)
表2 測量設(shè)備基本情況
圖2 集裝箱式儲能電站兩相冷板液冷系統(tǒng)示意圖
1.3 實驗原理
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)通過導熱和對流傳熱帶走熱量。對于冷卻系統(tǒng)而言，它利用制冷循環(huán)制取冷量，通過板式蒸發(fā)器與末端冷卻工質(zhì)進行換熱，被冷卻后的冷卻工質(zhì)通過氟泵輸送到冷板，對電池模塊進行冷卻，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)在總輸送管道進出口的溫度狀態(tài)。圖4(a)表明，大部分時間里，進口實際溫度低于進口飽和溫度，冷卻工質(zhì)處于液態(tài)；圖4(b)表明，出口實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)，因此稱為“兩相”。
圖4 冷卻工質(zhì)在總輸送管道進出口的溫度狀態(tài)
1.4 電池溫度監(jiān)測點
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電極[18]。因此，選擇正負電極作為溫度測量位置來代表電池的熱特性。每個電池箱中共有48個電池，其中測量42個電池的溫度，共測量8個電池箱。圖5展示了每個電池箱的電池溫度監(jiān)測點的布局。第i個電池箱的第j個測點記為Ti,j(i=1…8；j=1…42)。
圖5 每個電池箱的溫度監(jiān)測點布局
1.5 實驗步驟
為了說明兩相冷板冷卻系統(tǒng)方案下電池的熱特性，本文設(shè)計了5種測試工況，如表3所示。為了模擬真實場景，將儲能電站放置在空曠的實驗場地。在充電實驗中，電池模塊以恒定電流140 A進行充電，充電過程完成后靜置30 min，然后實驗結(jié)束；放電過程亦同。工況5探究靜置階段冷卻系統(tǒng)對電池溫度變化的影響，按照步驟(1)、(2)、(3)依次連續(xù)進行。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電時的電量的比值，通常用百分數(shù)表示，取值范圍為0%~100%。當SOC=0，表示電池完全放電；當SOC=100%時，表示電池完全充滿。
表3 測試工況
進行冷卻實驗時，保持冷卻系統(tǒng)的供液溫度在18~25 ℃范圍內(nèi)。電池充電、放電與冷卻過程同時開始，直到完成充、放電的完整過程后，靜置半個小時，該工況實驗停止。而進行無冷卻實驗時，除了不開啟冷卻系統(tǒng)，其他實驗條件和步驟與冷卻實驗設(shè)置相同。
1.6 計算
電池模塊的最高溫度和最低溫度以及電池最大溫差是評價熱管理系統(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溫度，℃；Tmin為全艙電池最小瞬時溫度，℃；ΔT為全艙電池最大瞬時溫差，℃；Ti,max為第i個電池箱內(nèi)電池最大瞬時溫度，℃；Ti,min為第i個電池箱內(nèi)電池最小瞬時溫度，℃；ΔTi為第i個電池箱內(nèi)電池最大瞬時溫差，℃。
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)通過冷卻系統(tǒng)與無冷卻系統(tǒng)的對比，分析了全艙電池的溫度分布。圖6展示了在充電過程中，不開啟冷卻系統(tǒng)與開啟冷卻系統(tǒng)時的全艙電池溫度變化情況。對比圖6(a)、(b)可知，無冷卻時電池溫度持續(xù)上升，最高達43 ℃；而開啟冷卻系統(tǒng)時，電池的溫度上升速度明顯減慢，最高僅達38 ℃，相比無冷卻降低了5 ℃。電池充電過程中不斷釋放熱量，導致溫度持續(xù)升高，呈現(xiàn)整體上升趨勢。開啟與不開啟冷卻系統(tǒng)都能使全艙電池溫差保持在3 ℃以內(nèi)，相比無冷卻情況，冷卻系統(tǒng)開啟使得最大溫差為1 ℃的占比由0.3%提高到了7%。
圖6 充電時全艙電池隨SOC的溫度變化情況
放電情況下，不開啟冷卻系統(tǒng)與開啟冷卻系統(tǒng)時全艙電池溫度變化情況如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，放電過程和充電過程中電池溫度變化趨勢相似，開啟冷卻系統(tǒng)比不開啟冷卻系統(tǒng)電池的最大溫度降低了4 ℃。對比圖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，充電過程中的散熱量大于放電過程中的散熱量。
圖7 放電時全艙電池隨SOC的溫度變化情況
2.2 各電池箱最大溫差對比
圖8展示了充電狀態(tài)下開啟冷卻系統(tǒng)時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€充電過程中，每個電池箱的溫差基本上保持在2 ℃以內(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。這是因為冷卻系統(tǒng)工作時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，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)開啟時各電池箱的最大溫差變化。從圖7、圖9可以看出，在放電過程中，兩相液冷系統(tǒng)能夠使整簇電池溫差控制在3 ℃之內(nèi)，同時單個電池箱電池溫差均保持在2 ℃以內(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，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對比了開啟冷卻系統(tǒng)與否對電池靜置狀態(tài)的影響。充電結(jié)束，電池停止產(chǎn)生熱量。在無冷卻情況下，80 min實驗時間內(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的3 ℃逐漸增大至6 ℃；開啟冷卻系統(tǒng)兩個小時后，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)，在儲能電站電池充、放電過程中積攢的熱量也很難在短時間內(nèi)通過自然對流完全散發(fā)。在這個階段，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 靜置時全艙電池的逐時溫度變化情況
3 結(jié) 論
本文研發(fā)了一種兩相冷板液冷系統(tǒng)并應用于集裝箱式儲能電站，通過實驗分析了該系統(tǒng)在電池充、放電與靜置過程的溫控能力。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)境下進行充、放電時，充電產(chǎn)生的熱量比放電產(chǎn)生的熱量高，因此在充電時可以加強冷卻手段，以達到更好的熱管理效果。
（3）靜置時，電池通過自然對流散發(fā)熱量會導致其持續(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)開啟。
