中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：長期處于高溫與大溫差將會(huì)損壞電池性能與壽命,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一儲(chǔ)能電站對(duì)其溫控效果進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測?首先分析了兩相冷板在整個(gè)充?放電過程中對(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(shí)電池散發(fā)的熱量高于放電時(shí)電池散發(fā)的熱量;無冷卻情況下,靜置階段儲(chǔ)能電站內(nèi)部電池會(huì)出現(xiàn)80分鐘及更長時(shí)間持續(xù)高溫的現(xiàn)象?
在雙碳的大背景下,可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署量近年來增長迅速?據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2022年底,中國已投運(yùn)的新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到13.1GW/27.1GWh,功率規(guī)模年增長率達(dá)128%,能量規(guī)模年增長率達(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?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:溫度過低會(huì)降低電池容量,溫度過高會(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溫度范圍為25℃至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)簡單?成本低等而被廣泛應(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(duì)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(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0.4m/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)生泄露也會(huì)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(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380W/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)行全通道的流場特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化?結(jié)合以上和作者最大知識(shí)范圍內(nèi),目前關(guān)于液冷儲(chǔ)能電站的溫度分布與均溫性的現(xiàn)場實(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)場實(shí)驗(yàn)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(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
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%?
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6058mm(長)*2438mm(寬)*2896mm(高),最大充放電功率≥1375kW,系統(tǒng)放電量≥2750kWh,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)測電池的電壓和溫度?
本次實(shí)驗(yàn)測試了離冷源系統(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3W/(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)能專用的280Ah磷酸鐵鋰電池,其詳細(xì)參數(shù)見表1?測量設(shè)備基本情況見表2?
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(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),因此稱為兩相?
電池溫度監(jiān)測點(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)電極作為溫度測量位置來代表電池的熱特性?每個(gè)電池箱中共有48個(gè)電池,其中測量42個(gè)電池的溫度,共測量8個(gè)電池箱?圖5展示了每個(gè)電池箱的電池溫度監(jiān)測點(diǎn)的布局?第i個(gè)電池箱的第j個(gè)測點(diǎn)記為Ti,j(i=1,…,8;j=1,…,42)?
實(shí)驗(yàn)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(jì)了5種測試工況,如表3所示?為了模擬真實(shí)場景,將儲(chǔ)能電站放置在空曠的實(shí)驗(yàn)場地?在充電實(shí)驗(yàn)中,電池模塊以恒定電流140A進(jìn)行充電,充電過程完成后靜置30分鐘,然后實(shí)驗(yàn)結(jié)束;放電過程亦同?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?表中,C代表充?放電倍率,0.5C充電倍率指的是電池在額定容量280Ah時(shí)用140A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(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?
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/放電與冷卻過程同時(shí)開始,直到完成充?放電的完整過程后,靜置半個(gè)小時(shí),該工況實(shí)驗(yàn)停止?而進(jìn)行無冷卻實(shí)驗(yàn)時(shí),除了不開啟冷卻系統(tǒng),其他實(shí)驗(yàn)條件和步驟與冷卻實(shí)驗(yàn)設(shè)置相同?
實(shí)驗(yàn)步驟
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?
Tmax——全艙電池最大瞬時(shí)溫度,℃
Tmin——全艙電池最小瞬時(shí)溫度,℃
ΔT——全艙電池最大瞬時(shí)溫差,℃
Ti,max——第i個(gè)電池箱內(nèi)電池最大瞬時(shí)溫度,℃
Ti,min——第i個(gè)電池箱內(nèi)電池最小瞬時(shí)溫度,℃
ΔTi——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
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(duì)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(shí)的全艙電池溫度變化情況?對(duì)比圖6(a)?(b)可知,無冷卻時(shí)電池溫度持續(xù)上升,最高達(dá)43℃;而開啟冷卻系統(tǒng)時(shí),電池的溫度上升速度明顯減慢,最高僅達(dá)38℃,相比無冷卻降低了5℃?電池充電過程中不斷釋放熱量,導(dǎo)致溫度持續(xù)升高,呈現(xiàn)整體上升趨勢?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%?
放電情況下,不開啟冷卻系統(tǒng)與開啟冷卻系統(tǒng)時(shí)全艙電池溫度變化情況如圖7所示?可以發(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(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,充電過程中的散熱量大于放電過程中的散熱量?
各電池箱最大溫差對(duì)比
圖8展示了充電狀態(tài)下開啟冷卻系統(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?可以看出,在整個(gè)充電過程中,每個(gè)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?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9展示了放電狀態(tài)下冷卻系統(tǒng)開啟時(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℃?
靜置階段溫度分析
圖10對(duì)比了開啟冷卻系統(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?在無冷卻情況下,80分鐘實(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?放電過程中積攢的熱量也很難在短時(shí)間內(nèi)通過自然對(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,直到電池溫度降低到合適范圍?
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,通過實(shí)驗(yàn)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(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),電池通過自然對(duì)流散發(fā)熱量會(huì)導(dǎo)致電池持續(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?
