中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
0.前言
為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求，應(yīng)對(duì)全球氣候變暖帶來(lái)的危機(jī)以及電網(wǎng)面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)， 許多國(guó)家開展了智能電網(wǎng)的研究與實(shí)踐。儲(chǔ)能技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)用戶需求側(cè)管理， 消除晝夜峰谷差，平滑負(fù)荷，降低供電成本，促進(jìn)可再生能源的利用，提高電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性并提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保證供電可靠，對(duì)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)具有重大意義。
集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)將鋰離子電池、電池管理系統(tǒng)、交直流轉(zhuǎn)換裝置、熱管理系統(tǒng)及消防系統(tǒng)等集成在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，具有集成度高、占地面積小、存儲(chǔ)容量大、運(yùn)輸方便且易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)之一 。
集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)電池排布緊密且集裝箱環(huán)境相對(duì)封閉，電池?zé)崃咳菀准蹖?dǎo)致溫升過高，影響電池的壽命和使用性能。為了解決集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)電池溫升過高問題，研究人員利用熱仿真技術(shù)進(jìn)行了集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理風(fēng)道設(shè)計(jì)。沈毅吲采用cFD仿真技術(shù)進(jìn)行了集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)，
提出在空調(diào)回風(fēng)口設(shè)置擋板的方案可以使儲(chǔ)能系統(tǒng)溫度分布更加均勻。有學(xué)者通過CFD仿真研究了集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，通過在風(fēng)道內(nèi)加設(shè)導(dǎo)流板，并對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整來(lái)改善風(fēng)量分布，提高集裝箱內(nèi)氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的均勻性。有學(xué)者利用Icepak軟件對(duì)集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的溫差和氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真研究，其設(shè)計(jì)的風(fēng)道， 電池背部開有小孔用于出風(fēng)，小孔上裝有手動(dòng)可調(diào)風(fēng)口，用以調(diào)節(jié)出風(fēng)口的風(fēng)量、大小及方向，實(shí)現(xiàn)均勻出風(fēng)，保證集裝箱內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性。
本文以國(guó)內(nèi)某大規(guī)模儲(chǔ)能電站示范工程用集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，詳細(xì)論述了兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)方案，可以為儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
1.集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)
集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)集裝箱（12.192 m×2.438m×2.896m) 、鋰離子電池系統(tǒng)、 電池管理系統(tǒng)、 儲(chǔ)能變流器、 空調(diào)和風(fēng)道、 配電柜、 七氟丙烷滅火裝置等組成， 如圖1所示。
電池單體采用3.2V/86Ah方形鋁殼磷酸鐵鋰電池；電池模組串并聯(lián)方式為2P24s，包括48只電池單體；電池系統(tǒng)由6組電池簇并聯(lián)，每組電池簇由10個(gè)電池模組串聯(lián)。儲(chǔ)能系統(tǒng)額定電壓768V， 額定容量1.2Mwh。
2 儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)
散熱常用的方式有自然散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷、液冷和相變直冷。其中自然散熱效率較低，且集裝箱內(nèi)空間狹小，空氣流通不便，難以達(dá)到溫控要求；液冷和相變直冷技術(shù)要求和成本較高，不適合在集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用；強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式采用工業(yè)空調(diào)和風(fēng)扇進(jìn)行制冷，能夠滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的散熱要求，且成本在可接受范圍內(nèi)，是目前集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)最合適的散熱方式。
2.1 風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部空間狹小，對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖2所示。
風(fēng)道包括與空調(diào)出口連接的主風(fēng)道、主風(fēng)道內(nèi)的擋風(fēng)板、風(fēng)道出口以及電池架兩端的擋風(fēng)板，根據(jù)集裝箱特點(diǎn)左右對(duì)稱布置。其中主風(fēng)道用于將空調(diào)輸出的氣流輸送至各風(fēng)道出口處；主風(fēng)道內(nèi)的擋風(fēng)板用于分配各風(fēng)道出口的氣體流量，保證各出口流量一致；電池架兩端的擋風(fēng)板用于防止氣流從電池架與集裝箱內(nèi)壁間的間隙逸出。
圖3所示為電池簇內(nèi)部氣體流向，空調(diào)輸出的氣流經(jīng)風(fēng)道出口以一定的速度向下流出后，在電池模塊前端面板風(fēng)扇的作用下，從電池模塊后端面板進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電池模塊內(nèi)部，流經(jīng)電池單體表面對(duì)電池單體降溫，然后由風(fēng)扇抽出。
電池模組外觀結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，其后端面板開孔，便于空調(diào)輸出的氣流進(jìn)入模組內(nèi)部；前端面板設(shè)計(jì)軸流風(fēng)扇，用于將氣流抽出，促進(jìn)氣流在電池模組內(nèi)部的流動(dòng)。
圖4(b)所示為電池模組內(nèi)部氣體流向，電池單體間隙3mm，氣流進(jìn)入電池模塊內(nèi)部后流經(jīng)電池單體表面，與電池單體進(jìn)行冷熱交換后由風(fēng)扇排出，完成對(duì)電池單體的冷卻。
本文提出的熱控系統(tǒng)可以保證空調(diào)出風(fēng)風(fēng)量損失很小，并充分流過電池表面，換熱能效較高。
2.2 空調(diào)制冷量設(shè)計(jì)
2.2.1集裝箱冷負(fù)荷計(jì)算
集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)艙內(nèi)冷負(fù)荷主要包括電池發(fā)熱形成的冷負(fù)荷，以及由于艙體內(nèi)外溫差和太陽(yáng)輻射作用，通過集裝箱壁傳入艙內(nèi)的熱量形成的冷負(fù)荷。儲(chǔ)能系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池單體，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行1C充放電測(cè)試，電池單體充放電能效為η。則儲(chǔ)能系統(tǒng)電池發(fā)熱形成的冷負(fù)荷P1為：
式中：
n：為儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)電池單體數(shù)量；
E：為電池單體額定能量，Wh；
t1：為充放電時(shí)間，h。
集裝箱傳熱冷負(fù)荷可由傳熱方程計(jì)算：
式中：
K：為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；
A：為集裝箱換熱面積，m2；
ΔT1：為集裝箱內(nèi)外溫差，K。
由集裝箱的傳熱過程可知，集裝箱艙體內(nèi)部、外部和艙體間為對(duì)流傳熱，艙體壁面間是導(dǎo)熱傳熱，故傳熱系數(shù)K表達(dá)式為：
式中：
hw和hn：為艙體外、內(nèi)壁傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；
λi：為艙體壁面各層導(dǎo)熱率，W/(m·K)；
δi：為艙體壁面各層厚度，m。
儲(chǔ)能系統(tǒng)總冷負(fù)荷P3為：
2.2.2空調(diào)制冷量設(shè)計(jì)
電池的發(fā)熱量和集裝箱壁面?zhèn)鲗?dǎo)入艙內(nèi)的熱量，一部分轉(zhuǎn)化為集裝箱艙內(nèi)設(shè)備的溫升，主要是電池的溫升，另一部分通過電池的散熱設(shè)計(jì)由空調(diào)搬運(yùn)至集裝箱外部，該部分熱量即空調(diào)所需的最小制冷量。儲(chǔ)能系統(tǒng)以1C進(jìn)行充放電后，電池吸收的熱量Q1為：
式中：
C：為電池比熱容，J/(kg· K)；
M：為儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)電池質(zhì)量，kg；
ΔT2：為電池平均溫升，K。
則空調(diào)最小制冷功率P4可表示為：
式中：
k：為安全系數(shù)，建議取值范圍1.2~1.5；
t2：為充放電時(shí)間，s。
2.3 電池模組風(fēng)扇設(shè)計(jì)
儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電池溫度達(dá)到一定值后電池模塊前面板上風(fēng)扇啟動(dòng)，用于輔助降溫。電池模組散熱所需風(fēng)扇風(fēng)量Qf為：
式中：
μ：為考慮電池模組內(nèi)部氣流阻力引入的增量系數(shù)，建議取值范圍1.1~1.2；
P4：為電池模塊發(fā)熱功率，W；
ΔT3：為電池模組進(jìn)出風(fēng)口溫差，K。
可根據(jù)電池模塊散熱風(fēng)量要求，確定風(fēng)扇型號(hào)規(guī)格。
2.4 集裝箱艙體保溫設(shè)計(jì)
集裝箱保溫性能對(duì)艙內(nèi)溫度影響較大，集裝箱保溫性能越差，環(huán)境溫度對(duì)集裝箱艙體內(nèi)溫度影響越大。儲(chǔ)能系統(tǒng)集裝箱保溫設(shè)計(jì)主要考慮艙體的隔熱和密封，通過減小集裝箱壁面?zhèn)鳠岷蛢?nèi)外空氣對(duì)流來(lái)提高保溫性能。隔熱方面，集裝箱艙體六面均采用厚度50 mm的保溫巖棉板，巖棉板平均密度120kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.044W/(m· K)，阻燃性能A1級(jí)，可以有效提高艙體保溫性能和防火性能。密封方面，集裝箱艙體防護(hù)等級(jí)不低于IP54。
3 熱管理系統(tǒng)控制策略
儲(chǔ)能系統(tǒng)溫度控制策略包括空調(diào)控制和電池模塊風(fēng)扇控制，如圖5所示。
空調(diào)控制由空調(diào)自身邏輯控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)集裝箱內(nèi)部不同溫度條件可分為制熱模式和制冷模式，制熱模式實(shí)現(xiàn)對(duì)電池低溫下的控制和保護(hù)，制冷模式實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫升的有效控制。當(dāng)集裝箱內(nèi)部溫度低于12℃時(shí)，空調(diào)制熱功能開啟；當(dāng)集裝箱內(nèi)部溫度高于28℃時(shí)，空調(diào)制冷功能開啟。
電池模塊風(fēng)扇由電池管理系統(tǒng)控制，且每一個(gè)電池模塊的風(fēng)扇可獨(dú)立控制運(yùn)行。儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)電池管理系統(tǒng)檢測(cè)某一電池模塊溫度高于33℃時(shí)，該電池模塊風(fēng)扇啟動(dòng)，至溫度回差小于2℃時(shí)停止運(yùn)行。該溫控策略可以基于不同工況啟動(dòng)不同熱管理控制模式，極大提升了熱管理系統(tǒng)的溫度控制能力，在實(shí)現(xiàn)熱管理性能指標(biāo)的前提下，有效降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)能耗。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)理論計(jì)算，完成對(duì)空調(diào)和電池模塊風(fēng)扇的選型設(shè)計(jì)。其中儲(chǔ)能系統(tǒng)典型工況下(1C)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)生熱率計(jì)算為39kW，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要的空調(diào)最小制冷功率計(jì)算為24kW。故空調(diào)選用一體式工業(yè)空調(diào)，空調(diào)制冷量12.5kW，加熱功率6kW，風(fēng)量2900m3/h。電池模組風(fēng)扇選用額定功率9.6W、風(fēng)量為209m3/h的軸流風(fēng)扇。
集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)集成后在環(huán)境溫度35℃下分別進(jìn)行0.5C和1C充電測(cè)試，采用電池管理系統(tǒng)采集記錄各電池模組內(nèi)電池溫度變化。
圖6(a)顯示，電池最低溫度由24℃升至29 ℃，最高溫度由29℃升至34℃，儲(chǔ)能系統(tǒng)最大溫差基本保持在5℃。
圖6(b)顯示，電池最低溫度由24℃升至32℃，電池最高溫度由30℃升至40℃，最大溫差8℃。
結(jié)果表明，該熱管理設(shè)計(jì)可以保證儲(chǔ)能系統(tǒng)在低倍率工況下，艙內(nèi)環(huán)境溫度維持在鋰離子電池最佳工作范圍內(nèi)，且溫度分布較為均勻；在1C下運(yùn)行，電池工作環(huán)境溫度保持在40℃以下，溫差控制在8℃以內(nèi)，從而提升集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命。此外，熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以保證空調(diào)出風(fēng)基本在封閉的空間內(nèi)流動(dòng)至電池模塊內(nèi)部，風(fēng)量損失小，且能充流過電池表面進(jìn)行熱交換，換熱能效高。
5 結(jié)論
熱管理對(duì)于集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行具有重要意義，但目前行業(yè)內(nèi)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱研究尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，如何保證集裝箱內(nèi)大量電池工作在合適的溫度區(qū)間內(nèi)且溫度分布均勻，是熱管理設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)。
本文針對(duì)兆瓦級(jí)集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，完成了熱管理系統(tǒng)散熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)、空調(diào)、電池模組散熱風(fēng)扇以及熱管理系統(tǒng)溫控策略設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)集成了額定容量1.2MWh的集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)，并測(cè)試分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下的電池表面溫度分布，驗(yàn)證了熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理和有效性。
研究結(jié)果表明，采用設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)及溫控策略，可以保證儲(chǔ)能系統(tǒng)0.5C充電運(yùn)行時(shí)，電池最高溫度不高于34℃，儲(chǔ)能系統(tǒng)最大溫差基本保持在5℃，說明儲(chǔ)能系統(tǒng)低倍率運(yùn)行時(shí)，可以保證電池工作在最佳溫度范圍內(nèi)。儲(chǔ)能系統(tǒng)1C充電運(yùn)行時(shí)，電池最高溫度不超過40℃，儲(chǔ)能系統(tǒng)最大溫差8℃以內(nèi)，熱管理效果良好。
