集裝箱式儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計

田剛領(lǐng)， 張柳麗， 牛哲薈， 李占軍， 羅 軍

(平高集團儲能科技有限公司，天津300000)

為適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展的需求，應(yīng)對全球氣候變暖帶來的危機以及電網(wǎng)面臨的嚴重挑戰(zhàn)，許多國家開展了智能電網(wǎng)的研究與實踐。儲能技術(shù)可以有效地實現(xiàn)用戶需求側(cè)管理，消除晝夜峰谷差，平滑負荷，降低供電成本，促進可再生能源的利用，提高電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性并提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保證供電可靠，對堅強智能電網(wǎng)的建設(shè)具有重大意義[1-3]。

集裝箱式電池儲能系統(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)等集成在標準集裝箱內(nèi)，具有集成度高、占地面積小、存儲容量大、運輸方便且易于安裝等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的儲能技術(shù)之一[4-6]。集裝箱式儲能系統(tǒng)電池排布緊密且集裝箱環(huán)境相對封閉，電池熱量容易集聚導(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)進行了集裝箱式電池儲能系統(tǒng)熱管理風道設(shè)計。沈毅[7]采用CFD 仿真技術(shù)進行了集裝箱式儲能系統(tǒng)風道設(shè)計，提出在空調(diào)回風口設(shè)置擋板的方案可以使儲能系統(tǒng)溫度分布更加均勻。王曉松等[8]通過CFD 仿真研究了集裝箱式儲能系統(tǒng)的氣流場和溫度場，通過在風道內(nèi)加設(shè)導(dǎo)流板，并對風道結(jié)構(gòu)進行調(diào)整來改善風量分布，提高集裝箱內(nèi)氣流場和溫度場的均勻性。張子峰等[9]利用Icepak 軟件對集裝箱式儲能系統(tǒng)的溫差和氣流場進行模擬仿真研究，其設(shè)計的風道，電池背部開有小孔用于出風，小孔上裝有手動可調(diào)風口，用以調(diào)節(jié)出風口的風量、大小及方向，實現(xiàn)均勻出風，保證集裝箱內(nèi)溫度場均勻性。

本文以國內(nèi)某大規(guī)模儲能電站示范工程用集裝箱式電池儲能系統(tǒng)為研究對象，詳細論述了兆瓦級儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計方案，可以為儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 集裝箱式電池儲能系統(tǒng)

集裝箱式電池儲能系統(tǒng)由標準集裝箱(12.192 m×2.438 m×2.896 m)、鋰離子電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、儲能變流器、空調(diào)和風道、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3.2 V/86 Ah 方形鋁殼磷酸鐵鋰電池(江蘇產(chǎn))；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 個電池模組串聯(lián)。儲能系統(tǒng)額定電壓768 V，額定容量1.2 MWh。

圖1 集裝箱式電池儲能系統(tǒng)

2 儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計

散熱常用的方式有自然散熱、強迫風冷、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能系統(tǒng)中使用；強迫風冷散熱方式采用工業(yè)空調(diào)和風扇進行制冷，能夠滿足儲能系統(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能系統(tǒng)最合適的散熱方式。

2.1 風道結(jié)構(gòu)設(shè)計

集裝箱式電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部空間狹小，對風道結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較高。儲能系統(tǒng)散熱風道結(jié)構(gòu)如圖2 所示，風道包括與空調(diào)出口連接的主風道、主風道內(nèi)的擋風板、風道出口以及電池架兩端的擋風板，根據(jù)集裝箱特點左右對稱布置。其中主風道用于將空調(diào)輸出的氣流輸送至各風道出口處；主風道內(nèi)的擋風板用于分配各風道出口的氣體流量，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2 儲能系統(tǒng)散熱風道結(jié)構(gòu)

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)風道出口以一定的速度向下流出后，在電池模塊前端面板風扇的作用下，從電池模塊后端面板進風口進入電池模塊內(nèi)部，流經(jīng)電池單體表面對電池單體降溫，然后由風扇抽出。

圖3 電池簇內(nèi)部氣體流向

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)輸出的氣流進入模組內(nèi)部；前端面板設(shè)計軸流風扇，用于將氣流抽出，促進氣流在電池模組內(nèi)部的流動。圖4(b)所示為電池模組內(nèi)部氣體流向，電池單體間隙3 mm，氣流進入電池模塊內(nèi)部后流經(jīng)電池單體表面，與電池單體進行冷熱交換后由風扇排出，完成對電池單體的冷卻。本文提出的熱控系統(tǒng)可以保證空調(diào)出風風量損失很小，并充分流過電池表面，換熱能效較高。

圖4 電池模塊散熱設(shè)計

2.2 空調(diào)制冷量設(shè)計

2.2.1 集裝箱冷負荷計算

集裝箱式儲能系統(tǒng)艙內(nèi)冷負荷主要包括電池發(fā)熱形成的冷負荷，以及由于艙體內(nèi)外溫差和太陽輻射作用，通過集裝箱壁傳入艙內(nèi)的熱量形成的冷負荷。儲能系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池單體，在實驗室條件下進行1 C 充放電測試，電池單體充放電能效為η。則儲能系統(tǒng)電池發(fā)熱形成的冷負荷P1為：

式中：n 為儲能系統(tǒng)內(nèi)電池單體數(shù)量；E 為電池單體額定能量，Wh；t1為充放電時間，h。

集裝箱傳熱冷負荷可由傳熱方程計算[10]：

式中：K 為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A 為集裝箱換熱面積，m2；?T1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、外部和艙體間為對流傳熱，艙體壁面間是導(dǎo)熱傳熱，故傳熱系數(shù)K 表達式為[11]：

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。

儲能系統(tǒng)總冷負荷P3為：

2.2.2 空調(diào)制冷量設(shè)計

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)計由空調(diào)搬運至集裝箱外部，該部分熱量即空調(diào)所需的最小制冷量。儲能系統(tǒng)以1 C 進行充放電后，電池吸收的熱量Q1為：

式中：C 為電池比熱容，J/(kg·K)；M 為儲能系統(tǒng)內(nèi)電池質(zhì)量，kg；?T2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為充放電時間，s。

2.3 電池模組風扇設(shè)計

儲能系統(tǒng)運行過程中，電池溫度達到一定值后電池模塊前面板上風扇啟動，用于輔助降溫。電池模組散熱所需風扇風量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；?T3為電池模組進出風口溫差，K?？筛鶕?jù)電池模塊散熱風量要求，確定風扇型號規(guī)格。

2.4 集裝箱艙體保溫設(shè)計

集裝箱保溫性能對艙內(nèi)溫度影響較大，集裝箱保溫性能越差，環(huán)境溫度對集裝箱艙體內(nèi)溫度影響越大。儲能系統(tǒng)集裝箱保溫設(shè)計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)外空氣對流來提高保溫性能。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120 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.044 W/(m·K)，阻燃性能A1 級，可以有效提高艙體保溫性能和防火性能。密封方面，集裝箱艙體防護等級不低于IP54。

3 熱管理系統(tǒng)控制策略

儲能系統(tǒng)溫度控制策略包括空調(diào)控制和電池模塊風扇控制，如圖5 所示?？照{(diào)控制由空調(diào)自身邏輯控制來實現(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，制熱模式實現(xiàn)對電池低溫下的控制和保護，制冷模式實現(xiàn)對電池溫升的有效控制。當集裝箱內(nèi)部溫度低于12 ℃時，空調(diào)制熱功能開啟；當集裝箱內(nèi)部溫度高于28 ℃時，空調(diào)制冷功能開啟。電池模塊風扇由電池管理系統(tǒng)控制，且每一個電池模塊的風扇可獨立控制運行。儲能系統(tǒng)運行過程中，當電池管理系統(tǒng)檢測某一電池模塊溫度高于33 ℃時，該電池模塊風扇啟動，至溫度回差小于2 ℃時停止運行。該溫控策略可以基于不同工況啟動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，在實現(xiàn)熱管理性能指標的前提下，有效降低了儲能系統(tǒng)能耗。

圖5 儲能系統(tǒng)溫度控制策略

4 實驗驗證

根據(jù)集裝箱式儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計理論計算，完成對空調(diào)和電池模塊風扇的選型設(shè)計。其中儲能系統(tǒng)典型工況下(1 C)運行時，系統(tǒng)生熱率計算為39 kW，儲能系統(tǒng)需要的空調(diào)最小制冷功率計算為24 kW。故空調(diào)選用一體式工業(yè)空調(diào)(MC125HDNC1B，深圳產(chǎn))，空調(diào)制冷量12.5 kW，加熱功率6 kW，風量2 900 m3/h。電池模組風扇選用額定功率9.6 W、風量為209 m3/h 的軸流風扇(Y-Y12038H24B，蘇州產(chǎn))。

集裝箱式儲能系統(tǒng)集成后在環(huán)境溫度35 ℃下分別進行0.5 C 和1 C 充電測試，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)計可以保證儲能系統(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1 C 下運行，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能系統(tǒng)的運行穩(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)出風基本在封閉的空間內(nèi)流動至電池模塊內(nèi)部，風量損失小，且能充分流過電池表面進行熱交換，換熱能效高。

5 結(jié)論

熱管理對于集裝箱式電池儲能系統(tǒng)安全、可靠運行具有重要意義，但目前行業(yè)內(nèi)對儲能系統(tǒng)散熱研究尚未形成統(tǒng)一的認識，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)計的最大難點。本文針對兆瓦級集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)，完成了熱管理系統(tǒng)散熱風道結(jié)構(gòu)、空調(diào)、電池模組散熱風扇以及熱管理系統(tǒng)溫控策略設(shè)計，同時設(shè)計集成了額定容量1.2 MWh 的集裝箱式儲能系統(tǒng)，并測試分析了儲能系統(tǒng)在不同運行工況下的電池表面溫度分布，驗證了熱管理系統(tǒng)設(shè)計的合理和有效性。研究結(jié)果表明，采用設(shè)計的熱管理系統(tǒng)及溫控策略，可以保證儲能系統(tǒng)0.5 C 充電運行時，電池最高溫度不高于34 ℃，儲能系統(tǒng)最大溫差基本保持在5 ℃，說明儲能系統(tǒng)低倍率運行時，可以保證電池工作在最佳溫度范圍內(nèi)。儲能系統(tǒng)1 C 充電運行時，電池最高溫度不超過40 ℃，儲能系統(tǒng)最大溫差8 ℃以內(nèi)，熱管理效果良好。

圖6 儲能系統(tǒng)充電過程中的電池溫度曲線