本文以液冷集裝箱式儲能系統(tǒng)為例，對儲能系統(tǒng)、儲能熱管理系統(tǒng)和儲能消防系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)研究，闡述了液冷機組的設(shè)計選型，從理論和工程實踐驗證了液冷集裝箱儲能系統(tǒng)的優(yōu)越性。
液冷儲能系統(tǒng)最大限度地提高了能量密度，相比于風(fēng)冷儲能系統(tǒng)，其成本和性價比更具優(yōu)勢。儲能系統(tǒng)以0.5C運行時，熱管理系統(tǒng)可以保證電池工作環(huán)境在最佳溫度范圍內(nèi)。
1 儲能方案的選擇
目前，技術(shù)成熟度較高、應(yīng)用較為廣泛的儲能技術(shù)為抽水蓄能和電化學(xué)儲能，電化學(xué)儲能主要是利用鋰電池技術(shù)，綜合考慮性價比、安全性、使用壽命和產(chǎn)業(yè)成熟度等因素，磷酸鐵鋰電池是現(xiàn)階段最適合用于儲能的電池。
電池起火主要由電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生，熱失控主要是因為電池內(nèi)短路，內(nèi)短路的主要原因有機械濫用、電氣濫用和熱濫用，應(yīng)對熱濫用的方式是采取良好的熱管理設(shè)計。
液冷技術(shù)通過液體對流換熱，將電池產(chǎn)生的熱量帶走，降低電池溫度。液冷的漏液風(fēng)險可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計避免，液冷的效率比風(fēng)冷的效率高，液冷的溫差控制優(yōu)于風(fēng)冷，液冷的流體溫度和流量控制比風(fēng)冷的風(fēng)道控制簡單，采用液冷的電池壽命更長。
綜合成本考慮，液冷系統(tǒng)比風(fēng)冷系統(tǒng)更有優(yōu)勢，同時，目前儲能電站安全問題突出，液冷的儲能系統(tǒng)也在逐漸推廣應(yīng)用。
筆者以某儲能系統(tǒng)工程為研究對象，采用液冷的熱管理方式，詳細(xì)論述了儲能系統(tǒng)的設(shè)計方案，供相關(guān)設(shè)計人員討論與交流。
2 液冷鋰電池儲能系統(tǒng)
鋰電池儲能系統(tǒng)包含電池艙和電氣艙，電池艙由電池簇、液冷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、匯流柜、配電箱等組成，電氣艙由變流器（PCS）、變壓器、控制柜、環(huán)網(wǎng)柜、交流配電柜、空調(diào)等組成，本研究詳細(xì)說明了電池艙的設(shè)計開發(fā)，對電氣艙的說明從略。
整個鋰電池儲能系統(tǒng)設(shè)計流程為電池包（Pack）、電池簇（Rack）、電池艙（Container），如圖1所示。
儲能系統(tǒng)電芯采用億緯鋰能方形鋁殼磷酸鐵鋰LF280K電芯（3.2 V/280 Ah），電池包的串并聯(lián)方式是1P48S，單個電池包有48塊LF280K電芯，電池包容量是43.008 kW·h，電池系統(tǒng)由8組電池簇并聯(lián)，每組電池簇由8個電池包串聯(lián)，儲能系統(tǒng)容量為2.75 MW·h，額定電壓為1 228.8 V。
儲能系統(tǒng)電池艙是標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱20尺高柜（6.058 m×2.438 m×2.896 m），具有防水、保溫、防腐、防火、阻沙、防震、防紫外線等功能，其防護(hù)等級為IP54。
為了防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電現(xiàn)象，實現(xiàn)對電池的充放電管理，確保電池系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行，系統(tǒng)須配置電池管理系統(tǒng)（BMS），保護(hù)硬件須配繼電器、斷路器、熔斷器等。
斷路器
3 儲能熱管理設(shè)計
3.1 熱管理系統(tǒng)設(shè)計
液冷熱管理系統(tǒng)由液冷板、液冷機組、液冷管路、高低壓線束和冷卻液組成，關(guān)于液冷漏液的問題，采取以下措施。
液冷板
儲能線束
第一，液冷接頭采用車規(guī)級的防漏液冷卻管道快插接頭，可以保證在儲能系統(tǒng)運行時，漏液的風(fēng)險降到最低。
第二，在液冷機組膨脹水箱設(shè)置液位傳感器，如果有漏液現(xiàn)象發(fā)生，液冷機組會報警。
第三，電池包設(shè)計的防護(hù)等級為IP67，保證漏液時對系統(tǒng)無影響，電池包的液冷板是鋁合金壓鑄一體成型，集成了底座和液冷板的功能，其中，液冷板和密封蓋板采用攪拌摩擦焊連接;
同時，液冷板也會做氣密性檢測，保證液冷板密封性能良好。電池包液冷板采用“蛇形”流道，冷卻液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%水+質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%乙二醇，液冷系統(tǒng)通過一定的熱管理策略，使得冷卻液流經(jīng)液冷板時，對電池包進(jìn)行制冷或制熱。
儲能液冷板
液冷機組具備制冷、制熱以及除濕功能，液冷機組熱管理系統(tǒng)的策略和工作模式緊密相關(guān)。
當(dāng)Tmax≥28 ℃、Tvag≥25 ℃時，液冷機組進(jìn)入制冷模式，壓縮機開啟，高溫高壓的制冷劑從壓縮機中排出，進(jìn)入冷凝器冷凝，放熱降溫后，通過膨脹閥進(jìn)行節(jié)流降壓，然后進(jìn)入蒸發(fā)器，并與冷卻液進(jìn)行換熱，制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)后流回壓縮機吸氣口，完成一個制冷循環(huán)。
此時，水路中的水泵開啟，PTC加熱器不開啟，冷卻液在板式蒸發(fā)器中冷卻后進(jìn)入電池包液冷板，對電池進(jìn)行冷卻，將熱量帶出，從而達(dá)到冷卻電池的目的。當(dāng)Tmax≤25 ℃ 、Tvag≤22 ℃時，停止制冷模式。
當(dāng)Tmin≤12 ℃、Tvag≤15 ℃時，液冷機組進(jìn)入制熱模式，壓縮機處于關(guān)閉狀態(tài)，水泵、PTC加熱器開啟，冷卻液經(jīng)過PTC加熱器加熱后，進(jìn)入電池冷板，加熱電池。此模式適用于電池溫度過低時，需要對電池進(jìn)行加熱的情況。當(dāng)Tmin≥20 ℃、Tvag≥23 ℃時，停止制熱模式。
當(dāng)進(jìn)水口溫度≤12 ℃，液冷機組進(jìn)入自循環(huán)模式，壓縮機、風(fēng)機、PTC加熱器關(guān)閉，水泵開啟，使冷卻液在電池冷板和機組中周而復(fù)始地循環(huán)流動，將電池包中的熱量帶出。當(dāng)集裝箱內(nèi)濕度高于對應(yīng)溫度下的露點溫度時，液冷機組開啟除濕模式。
3.2 熱管理系統(tǒng)設(shè)計計算
儲能集裝箱采用外維護(hù)模式，儲能系統(tǒng)共有8簇，其中，4簇并排在一起，另外4簇與之背靠背布置，儲能系統(tǒng)的液冷回路采用并聯(lián)方式，但相鄰兩個電池包采用串聯(lián)方式，各支路采用流量計獨立監(jiān)控，保證各個電池包冷卻液的流速和流量均衡。
集裝箱內(nèi)一些主要的熱負(fù)荷為電芯發(fā)熱功率P、電芯溫升吸熱Q，單體電芯在不同倍率下的充電或放電功率可用式（1）表示。
P0=I2×R×1.2 ? ? ?（1）
式中：I為電芯容量;R為電芯直流電阻。儲能系統(tǒng)設(shè)定的充放電倍率為0.5C，電芯LF280K在0.5C充電的發(fā)熱功率平均值為12.5 W，放電的發(fā)熱功率平均值為9.5 W。
儲能系統(tǒng)的總電芯數(shù)量為n，整個儲能系統(tǒng)有3 072塊LF280K電芯。
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電芯總發(fā)熱功率（0.5C充電）為P=n×P0=12.5×3 072=38 400 W。
設(shè)置電芯的最大溫升ΔT=10 ℃，電芯的質(zhì)量m=5.42×3 072=16 650.24 kg，電芯溫升發(fā)熱量可用式（2）表示。
Q=CmΔT ? ? ?（2）
式中：C為電池比熱容，kJ/（kg·℃），一般取1.055。代入得Q=175 660.03 kJ。
電池本體吸收熱功率P1=Q/t，充放電2 h，則t=7 200 s，P1=24 397 W。
液冷機組的制冷負(fù)荷P2>（P-P1）·k，其中，k為安全系數(shù)，一般取1.2～1.5，P2=19.6 kW，所以制冷功率設(shè)定為20 kW。
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因為鋰離子電池的工作溫度為-20～50 ℃，充電溫度為0～50 ℃，所以若鋰電池在零下低溫環(huán)境中重新開始工作，就需要先預(yù)熱一段時間，將電芯溫度提升到0 ℃及以上。
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假定環(huán)境溫度為-30 ℃，電池吸收的熱量為Q1=CmΔT1，其中ΔT1=-30 ℃，電池吸收的熱量為Q1=526 980.09 kJ，電池的吸熱功率為P2=Q1/t1，其中，t1=12 h，P2=12.2 kW，所以制熱功率設(shè)定為14 kW。液冷機組為非標(biāo)定制化設(shè)計，將其制熱制冷功率參數(shù)確定下來，然后在試驗中檢驗其性能。
4 儲能消防系統(tǒng)
消防系統(tǒng)以每個電池Pack為最小防護(hù)單元，采用氣液兩相霧化滅火劑的全新滅火技術(shù)方案，聯(lián)合采用吸氣式探測器、可燃?xì)怏w探測器、感溫感煙探測器對整個儲能箱進(jìn)行全方位監(jiān)控、時時探測。
火災(zāi)報警控制裝置
其中，吸氣式探測器以電池簇為單位對整簇電池箱進(jìn)行監(jiān)控防護(hù)，可燃?xì)怏w探測器對電池艙進(jìn)行監(jiān)控防護(hù)，感溫感煙探測器對電氣艙進(jìn)行監(jiān)控防護(hù)。
火災(zāi)探測裝置
當(dāng)某個電池包發(fā)生電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)時，探測器探測到火情，探測器開啟該電池簇分區(qū)控制閥，同時將火情信息通過CAN總線傳送至火災(zāi)抑制主機，聲光報警器打開，排風(fēng)系統(tǒng)打開，抑制主機啟動輸出，滅火劑通過管路、分區(qū)控制閥輸送至氣液兩相的噴頭，滅火劑通過噴頭成霧化狀態(tài)，然后噴灑到電池包內(nèi)部，實施降溫、滅火功能。
機架式探測滅火一體機
儲能火災(zāi)抑制主機采用全氟己酮作為主要滅火劑，對儲能柜進(jìn)行早期火災(zāi)的撲滅、抑制和防控，一旦火情過大，滅火劑需要長時間噴灑，主機內(nèi)部自帶的全氟己酮滅火劑使用完后，系統(tǒng)會自動補進(jìn)消防栓水，實現(xiàn)長時間持續(xù)噴灑、抑制火災(zāi)復(fù)燃和電池降溫的目的。
5 試驗驗證
液冷集裝箱儲能系統(tǒng)在環(huán)境溫度為25 ℃的情況下進(jìn)行0.5C充電測試，由BMS記錄各電池包的溫度變化情況。
充電結(jié)束時，電池包內(nèi)電芯表面溫度小于35 ℃，其溫升小于10 ℃，在整個充電過程中，監(jiān)測點最低溫度為32.5 ℃，最高溫度為34.8 ℃，其溫差小于2.3 ℃，如圖2所示。
由圖2試驗結(jié)果可以看出，液冷集裝箱的溫升遠(yuǎn)小于風(fēng)冷集裝箱的溫差，一般風(fēng)冷集裝箱的溫差達(dá)到5～8 ℃，能較好地促進(jìn)整個儲能系統(tǒng)的溫度一致性，延長系統(tǒng)運行壽命。
6 結(jié)語
該工程設(shè)計了20尺液冷集裝箱儲能系統(tǒng)，包括系統(tǒng)理論設(shè)計、熱管理設(shè)計、消防設(shè)計等，最后通過試驗驗證表明，儲能系統(tǒng)溫度一致性較好，溫升符合要求。
液冷電池包在新能源汽車中運用非常成熟，儲能系統(tǒng)是靜止放置的，不會有漏液風(fēng)險。液冷集裝箱系統(tǒng)減少了內(nèi)部風(fēng)道的設(shè)計，采用外維護(hù)系統(tǒng)，不用設(shè)置內(nèi)部走廊空間，采用大電池包設(shè)計，最大限度地提高了能量密度。
從綜合成本上講，液冷集裝箱儲能系統(tǒng)更有優(yōu)勢，儲能系統(tǒng)最重要的是保證其安全性，消防系統(tǒng)的設(shè)計是至關(guān)重要的，系統(tǒng)采用Pack級消防，同時采用全氟己酮+水消防持續(xù)抑制的方案，保證系統(tǒng)安全運行。
資料來源：《液冷集裝箱式儲能系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)研究》作者：帥昌俊 武漢億緯儲能有限公司、艾邦儲能、網(wǎng)絡(luò)
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