摘要：鋰離子電池集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能的過程中需消耗電能，因此降低集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)能耗可有效提高電力效率。集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)能耗主要分為空調(diào)系統(tǒng)能耗、PCS能耗、BMS能耗及其他能耗，其中空調(diào)系統(tǒng)與PCS總能耗占比達(dá)92%。本文對(duì)空調(diào)系統(tǒng)和PCS設(shè)備進(jìn)行了降能耗方案分析，通過測(cè)試與理論計(jì)算的方法，最終得到：空調(diào)系統(tǒng)實(shí)測(cè)能耗降低約41.8%，集裝箱系統(tǒng)能耗降低約33.0%；PCS設(shè)備通過將現(xiàn)有SI基IGBT模塊更換為SIC IGBT模塊，理論計(jì)算可降低PCS設(shè)備能耗約32.6%，約降低集裝箱系統(tǒng)能耗7.1%。以上方案實(shí)現(xiàn)集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)總能耗降低約40.1%。
關(guān)鍵詞: 儲(chǔ)能系統(tǒng), 節(jié)能降耗, 鋰電池
能源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也推動(dòng)著人類文明的發(fā)展。隨著常規(guī)能源日漸減少，新能源逐漸被人們所熟知，儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展也進(jìn)入了快車道。
儲(chǔ)能是指通過介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲(chǔ)起來，在需要時(shí)再釋放出來的過程。目前發(fā)展較為成熟的能源存儲(chǔ)技術(shù)可分為三大類：電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能。本文研究的鋰離子電池集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中的一種。鋰離子電池的工作原理是：充電時(shí)Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)整個(gè)過程逆轉(zhuǎn)。通過以上循環(huán)原理以實(shí)現(xiàn)能源的存儲(chǔ)與釋放，而在能量轉(zhuǎn)換的過程中伴隨著電能的消耗，如何減少儲(chǔ)能過程中能量的消耗成為大規(guī)模應(yīng)用與推廣儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要難題之一。目前，林宇對(duì)通訊基站后備電源儲(chǔ)能對(duì)降低儲(chǔ)能過程中電能損耗進(jìn)行了研究，主要方法為：提高電池使用環(huán)境溫度，更換耐溫規(guī)格更高的電池，實(shí)現(xiàn)總能耗下降約25.2%。
本文以鋰離子電池集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過對(duì)實(shí)測(cè)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行能耗主要包含：空調(diào)系統(tǒng)能耗、PCS能耗、BMS能耗、輔助系統(tǒng)能耗。其中空調(diào)系統(tǒng)能耗與選型設(shè)計(jì)、運(yùn)行策略和風(fēng)道設(shè)計(jì)等相關(guān)，系統(tǒng)設(shè)備能耗多與器件選型和電路設(shè)計(jì)有關(guān)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，針對(duì)集裝箱不同系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行降能耗方案的研究，從而提高儲(chǔ)能設(shè)備電力效率。
1、能耗比例分析
本文以比亞迪汽車工業(yè)有限公司電力科學(xué)研究院英國Rock Farm儲(chǔ)能集裝箱項(xiàng)目為例進(jìn)行研究分析，降能耗措施適合所有儲(chǔ)能集裝箱項(xiàng)目。圖1為場(chǎng)站現(xiàn)場(chǎng)圖，具體項(xiàng)目信息如表1所示。
圖1 英國Rock Farm儲(chǔ)能項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)圖
表1 英國Rock Farm儲(chǔ)能項(xiàng)目信息表
如圖2所示，空調(diào)系統(tǒng)能耗占集裝箱系統(tǒng)總能耗比例約為76.9%；其次為PCS能耗，占總能耗的15.1%；BMS能耗與其他能耗分別占到系統(tǒng)總能耗的4.0%和4.1%。
圖2 英國Rock Farm儲(chǔ)能集裝箱能耗比例餅圖
由以上分析可知，集裝箱降能耗關(guān)鍵是：空調(diào)系統(tǒng)和PCS設(shè)備。二者能耗占整個(gè)集裝箱系統(tǒng)能耗的92%，其他設(shè)備及線路損耗占比均較小，共占集裝箱系統(tǒng)的8%，且分類繁多。因此本文主要針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)和PCS設(shè)備進(jìn)行降能耗研究。主要降能耗思路如下。
（1）優(yōu)化關(guān)鍵器件選型
PCS是電能變換和控制的核心設(shè)備，其主要發(fā)熱器件為IGBT模塊，利用SIC基 IGBT替換SI基IGBT，可實(shí)現(xiàn)PCS設(shè)備整體效率的提升。
（2）優(yōu)化控制策略
系統(tǒng)高倍率、低倍率運(yùn)行及待機(jī)狀態(tài)時(shí)，空調(diào)的運(yùn)行策略進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。通過改變空調(diào)的設(shè)定溫度，可實(shí)現(xiàn)：①提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行平均能效值；②減少集裝箱漏熱量；③減少空調(diào)內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間。
（3）優(yōu)化送風(fēng)風(fēng)道
通過優(yōu)化送風(fēng)風(fēng)道，使系統(tǒng)風(fēng)量分配更均勻，減少熱回流，減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)間。
2、節(jié)能措施
上節(jié)對(duì)集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行能耗進(jìn)行了分析，并提出了節(jié)能措施。本節(jié)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析對(duì)以上措施進(jìn)行驗(yàn)證分析。
2.1 PCS能效提升
Si基電力電子器件的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到Si材料的物料理論極限，為了發(fā)展更高性能的電力電子器件，當(dāng)前國際上普遍采用碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代寬禁半導(dǎo)體材料電力電子器件。相比于傳統(tǒng)Si基電力電子器件，第三代半導(dǎo)體器件具有禁帶寬、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、載流子飽和漂移速度高、導(dǎo)熱率高等優(yōu)異的物料特性。
圖3 不同材料電力電子器件性能對(duì)比圖
SIC器件應(yīng)用在PCS設(shè)備中主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先SIC器件的高溫特性和高熱導(dǎo)性能可以減少空調(diào)器的體積和降低成本，使整個(gè)產(chǎn)品的體積減小，產(chǎn)品功率密度提升；其次SIC器件的高飽和電子速率和高頻特性，在同等級(jí)功率下，功率模塊體積減小很多；最后SIC器件的低導(dǎo)通電阻，尤其碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)電流幾乎為零，使開關(guān)器件的損耗大幅減少，顯著提高系統(tǒng)效率。
圖4 SIC肖特基二極管開關(guān)損耗
以英國Rock Farm現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用的800 kW PCS產(chǎn)品為例，如圖5所示。PCS產(chǎn)品系統(tǒng)效率最大98.2%(損耗14400 W)，其中Si基IGBT的損耗占比約1.1%(損耗約8800 W)，電抗器損耗占比約0.45%(損耗約3600 W)，二次供電及其它損耗占比約0.25%(損耗約2000 W)。
圖5 800 kW PCS SI基與SIC基模塊損耗對(duì)比
將該產(chǎn)品的Si基IGBT更換為SIC基IGBT，系統(tǒng)效率最大可做到98.79%，其中SIC基IGBT的損耗占比約0.65%(損耗約5200 W)，電抗器損耗占比約0.31%(損耗約2500 W)，二次供電及其它損耗占比約0.25%(損耗約2000 W)。SIC基IGBT相比SI基IGBT，PCS設(shè)備能耗下降約32.6%。
2.2 空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化
空調(diào)系統(tǒng)降功耗措施主要包含：控制策略優(yōu)化和送風(fēng)風(fēng)道優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：通過以上措施，系統(tǒng)總能耗下降約33%。詳細(xì)分析過程如下。
2.2.1 控制策略優(yōu)化
空調(diào)系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化，首先需要進(jìn)行精細(xì)化空調(diào)選型設(shè)計(jì)，利用空調(diào)系統(tǒng)最高COP對(duì)應(yīng)的冷量及環(huán)境要求，進(jìn)行空調(diào)運(yùn)行策略的制定。
（1） 精細(xì)化設(shè)計(jì)
空調(diào)系統(tǒng)瞬時(shí)計(jì)算用到如下公式
式中，Q為電池發(fā)熱量；Q1為電池散失至環(huán)境熱量；Q2為電池自身溫升熱量；為電池至環(huán)境傳熱系數(shù)；A為傳熱面積；c為電池比熱容；m為電池重量；△T1為電池至環(huán)境溫差；△T2為電池溫升。
根據(jù)式(1)～(3)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行瞬時(shí)計(jì)算。圖6顯示電池最高溫升11.9 ℃時(shí)，空調(diào)需要制冷量較集裝箱系統(tǒng)實(shí)際最大產(chǎn)生熱量低35%(圖7)。運(yùn)行時(shí)電池溫升吸收的熱量，在待機(jī)狀態(tài)下冷卻。
圖6 集裝箱瞬時(shí)電池溫度圖
圖7 集裝箱優(yōu)化前后運(yùn)行熱耗對(duì)比圖
（2） 制定控制策略
圖8～9中：Tr為空調(diào)回風(fēng)溫度；Ts為空調(diào)設(shè)定溫度；Tmax為電池最高溫度；TBS為空調(diào)開啟電池溫度；TD為空調(diào)節(jié)能模式溫度值；TM為空調(diào)普通模式溫度值；TH為空調(diào)高功耗模式溫度值。
圖8 優(yōu)化前集裝箱空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略
圖9 優(yōu)化后集裝箱系統(tǒng)運(yùn)行策略
如圖8所示，集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化前溫度控制策略中，空調(diào)溫度設(shè)定為Ts，為了保證系統(tǒng)正常充放電運(yùn)行，Ts設(shè)定值較低，以滿足整個(gè)運(yùn)行過程中溫度要求。但該方案導(dǎo)致系統(tǒng)待機(jī)和低倍率運(yùn)行時(shí)：漏熱量增加、空調(diào)平均COP值增加、內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間長。
如圖9所示，空調(diào)聯(lián)動(dòng)策略不僅與箱內(nèi)環(huán)境溫度關(guān)聯(lián)，同時(shí)與集裝箱系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)相連。空調(diào)設(shè)置參數(shù)也分為3擋：節(jié)能檔位TD；普通檔位TM；高功耗檔位TH。其中節(jié)能與普通檔位溫差約3 ℃，與高功耗檔位差2 ℃。該策略優(yōu)勢(shì)：①減少集裝箱漏熱量，空調(diào)溫控設(shè)置每提高5 ℃，集裝箱漏熱量減少約1 kW；②集裝箱外環(huán)境溫度和系統(tǒng)內(nèi)熱源不變前提下，箱內(nèi)溫度升高，空調(diào)COP值增加。每升高5 ℃，COP值增加約0.15。
通過優(yōu)化控制策略，實(shí)測(cè)集裝箱能耗降低約33.0%，其中：優(yōu)化空調(diào)內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行策略降低能耗約為28.8.%；提高運(yùn)行平均COP和減少漏熱量總降能耗約4.2%，詳見表2。
表2 優(yōu)化控制策略分項(xiàng)降能耗比例表
2.2.3 風(fēng)道優(yōu)化
風(fēng)量分配的均勻性決定了電池溫度均勻性，電池溫度均勻性影響電池充放電容量均勻性和系統(tǒng)能耗。集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池架密封性差，系統(tǒng)冷熱通道無法完全隔開，使得部分電池包將熱通道熱風(fēng)抽回，形成熱回流，最終導(dǎo)致集裝箱內(nèi)電池溫差增大。因空調(diào)啟停策略與電池溫度關(guān)聯(lián)，使得空調(diào)內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間延長。
如圖10所示優(yōu)化前后的送風(fēng)風(fēng)道，優(yōu)化后風(fēng)道增加了有效的導(dǎo)風(fēng)板，使風(fēng)量分配更加均勻，仿真結(jié)果顯示：優(yōu)化后電池模組間溫差相比優(yōu)化前降低4.6 ℃，理論計(jì)算：內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間約減少0.33 h，降低系統(tǒng)能耗約0.6%。
圖10 送風(fēng)風(fēng)道優(yōu)化前后模型
圖11 優(yōu)化前后電池溫度分布云圖
2.2.4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析
圖12為優(yōu)化后實(shí)測(cè)集裝箱系統(tǒng)能耗比例餅圖。本文中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)僅為優(yōu)化冷卻系統(tǒng)控制策略的測(cè)試結(jié)果，PCS設(shè)備提能效方案與優(yōu)化送風(fēng)風(fēng)道方案均未體現(xiàn)。系統(tǒng)總能耗及比例關(guān)系變化如下：①集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)能耗降低約33.0%；②空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比相比原來降低了11.9%，為65.0%；③PCS設(shè)備能耗占比相比原來提高了7.6%，上升至22.7%；④其余能耗占比為12.3%。
圖12 優(yōu)化后集裝箱能耗比例餅圖
由測(cè)試數(shù)據(jù)可知：空調(diào)能耗仍占到系統(tǒng)能耗50%以上，依然為系統(tǒng)降功耗關(guān)鍵點(diǎn)；其次，PCS占比已達(dá)到21.8%。而PCS設(shè)備使用SIC IGBT模塊后，理論分析功耗下降32.6%，相應(yīng)系統(tǒng)能耗下降約7.1%。
3、結(jié) 論
綜上所述，本文以比亞迪汽車工業(yè)有限公司電力科學(xué)研究院英國Rock Farm儲(chǔ)能集裝箱項(xiàng)目為研究對(duì)象，進(jìn)行了運(yùn)行能耗優(yōu)化方案的研究和實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，最終得出如下結(jié)論。
（1）空調(diào)系統(tǒng)在整個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行能耗中占比最大。本次研究對(duì)象空調(diào)初始占比達(dá)到了76.9%，通過優(yōu)化運(yùn)行策略和風(fēng)道優(yōu)化，可大大降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，系統(tǒng)能耗下降約33.6%，優(yōu)化控制策略降33.0%，優(yōu)化風(fēng)道降0.6%。
（2）PCS能耗占集裝箱系統(tǒng)能耗的比例僅次于空調(diào)能耗，通過更換SIC IGBT模塊，理論上可降低系統(tǒng)7.1%的能耗。
以上分析對(duì)象為風(fēng)冷集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知：風(fēng)冷集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)降能耗關(guān)鍵為冷卻系統(tǒng)，而冷卻系統(tǒng)降能耗關(guān)鍵為運(yùn)行策略的優(yōu)化。因此儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱策略決定了整個(gè)系統(tǒng)的能耗大小，同時(shí)也決定了整個(gè)系統(tǒng)的電力效率。除了策略的優(yōu)化，風(fēng)冷空調(diào)市場(chǎng)有許多節(jié)能方案并未用到此次設(shè)計(jì)的集裝箱上，例如：氟泵、空熱一體機(jī)等。因此，在以后的研究中，將增加該方向的研究，充分利用環(huán)境冷源，降低儲(chǔ)能設(shè)備散熱系統(tǒng)運(yùn)行能耗，提高設(shè)備電力效率。
引用本文： 王志偉,張子峰,尹韶文等.集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)降能耗技術(shù)[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2020,09(06):1872-1877.
WANG Zhiwei,ZHANG Zifeng,YIN Shaowen,et al.Energy reduction technology of container energy storage system[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(06):1872-1877.
第一作者及聯(lián)系人：王志偉（1984—），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)，E-mail：wang.zhiwei17@byd.com。
