集裝箱儲能系統設計開發要點

本文以液冷集裝箱式儲能系統為例，對儲能系統、儲能熱管理系統和儲能消防系統進行設計開發研究，闡述了液冷機組的設計選型，從理論和工程實踐驗證了液冷集裝箱儲能系統的優越性。

液冷儲能系統最大限度地提高了能量密度，相比于風冷儲能系統，其成本和性價比更具優勢。儲能系統以0.5C運行時，熱管理系統可以保證電池工作環境在最佳溫度范圍內。

1 儲能方案的選擇

目前，技術成熟度較高、應用較為廣泛的儲能技術為抽水蓄能和電化學儲能，電化學儲能主要是利用鋰電池技術，綜合考慮性價比、安全性、使用壽命和產業成熟度等因素，磷酸鐵鋰電池是現階段最適合用于儲能的電池。

電池起火主要由電池熱失控產生，熱失控主要是因為電池內短路，內短路的主要原因有機械濫用、電氣濫用和熱濫用，應對熱濫用的方式是采取良好的熱管理設計。

液冷技術通過液體對流換熱，將電池產生的熱量帶走，降低電池溫度。液冷的漏液風險可以通過結構設計避免，液冷的效率比風冷的效率高，液冷的溫差控制優于風冷，液冷的流體溫度和流量控制比風冷的風道控制簡單，采用液冷的電池壽命更長。

綜合成本考慮，液冷系統比風冷系統更有優勢，同時，目前儲能電站安全問題突出，液冷的儲能系統也在逐漸推廣應用。

筆者以某儲能系統工程為研究對象，采用液冷的熱管理方式，詳細論述了儲能系統的設計方案，供相關設計人員討論與交流。

2 液冷鋰電池儲能系統

鋰電池儲能系統包含電池艙和電氣艙，電池艙由電池簇、液冷系統、消防系統、匯流柜、配電箱等組成，電氣艙由變流器（PCS）、變壓器、控制柜、環網柜、交流配電柜、空調等組成，本研究詳細說明了電池艙的設計開發，對電氣艙的說明從略。

整個鋰電池儲能系統設計流程為電池包（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，電池系統由8組電池簇并聯，每組電池簇由8個電池包串聯，儲能系統容量為2.75 MW·h，額定電壓為1 228.8 V。

儲能系統電池艙是標準的集裝箱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，其防護等級為IP54。

為了防止電池出現過度充電和過度放電現象，實現對電池的充放電管理，確保電池系統穩定、可靠運行，系統須配置電池管理系統（BMS），保護硬件須配繼電器、斷路器、熔斷器等。

繼 電器

斷路器

3 儲能熱管理設計

3.1 熱管理系統設計

液冷熱管理系統由液冷板、液冷機組、液冷管路、高低壓線束和冷卻液組成，關于液冷漏液的問題，采取以下措施。

液冷板

儲能線束

第一，液冷接頭采用車規級的防漏液冷卻管道快插接頭，可以保證在儲能系統運行時，漏液的風險降到最低。

第二，在液冷機組膨脹水箱設置液位傳感器，如果有漏液現象發生，液冷機組會報警。

第三，電池包設計的防護等級為IP67，保證漏液時對系統無影響，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，冷卻液采用質量分數50%水+質量分數50%乙二醇，液冷系統通過一定的熱管理策略，使得冷卻液流經液冷板時，對電池包進行制冷或制熱。

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的策略和工作模式緊密相關。

文中，Tmax指電池最高溫度;Tvag指電池平均溫度;Tmin指電池最低溫度。

當Tmax≥28 ℃、Tvag≥25 ℃時，液冷機組進入制冷模式，壓縮機開啟，高溫高壓的制冷劑從壓縮機中排出，進入冷凝器冷凝，放熱降溫后，通過膨脹閥進行節流降壓，然后進入蒸發器，并與冷卻液進行換熱，制冷劑在蒸發器中吸熱蒸發后流回壓縮機吸氣口，完成一個制冷循環。

此時，水路中的水泵開啟，PTC加熱器不開啟，冷卻液在板式蒸發器中冷卻后進入電池包液冷板，對電池進行冷卻，將熱量帶出，從而達到冷卻電池的目的。當Tmax≤25 ℃ 、Tvag≤22 ℃時，停止制冷模式。

當Tmin≤12 ℃、Tvag≤15 ℃時，液冷機組進入制熱模式，壓縮機處于關閉狀態，水泵、PTC加熱器開啟，冷卻液經過PTC加熱器加熱后，進入電池冷板，加熱電池。此模式適用于電池溫度過低時，需要對電池進行加熱的情況。當Tmin≥20 ℃、Tvag≥23 ℃時，停止制熱模式。

當進水口溫度≤12 ℃，液冷機組進入自循環模式，壓縮機、風機、PTC加熱器關閉，水泵開啟，使冷卻液在電池冷板和機組中周而復始地循環流動，將電池包中的熱量帶出。當集裝箱內濕度高于對應溫度下的露點溫度時，液冷機組開啟除濕模式。

3.2 熱管理系統設計計算

儲能集裝箱采用外維護模式，儲能系統共有8簇，其中，4簇并排在一起，另外4簇與之背靠背布置，儲能系統的液冷回路采用并聯方式，但相鄰兩個電池包采用串聯方式，各支路采用流量計獨立監控，保證各個電池包冷卻液的流速和流量均衡。

集裝箱內一些主要的熱負荷為電芯發熱功率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。儲能系統設定的充放電倍率為0.5C，電芯LF280K在0.5C充電的發熱功率平均值為12.5 W，放電的發熱功率平均值為9.5 W。

儲能系統的總電芯數量為n，整個儲能系統有3 072塊LF280K電芯。

電芯總發熱功率（0.5C充電）為P=n×P0=12.5×3 072=38 400 W。

設置電芯的最大溫升ΔT=10 ℃，電芯的質量m=5.42×3 072=16 650.24 kg，電芯溫升發熱量可用式（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。

液冷機組的制冷負荷P2>（P-P1）·k，其中，k為安全系數，一般取1.2～1.5，P2=19.6 kW，所以制冷功率設定為20 kW。

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境中重新開始工作，就需要先預熱一段時間，將電芯溫度提升到0 ℃及以上。

假定環境溫度為-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，所以制熱功率設定為14 kW。液冷機組為非標定制化設計，將其制熱制冷功率參數確定下來，然后在試驗中檢驗其性能。

4 儲能消防系統

消防系統以每個電池Pack為最小防護單元，采用氣液兩相霧化滅火劑的全新滅火技術方案，聯合采用吸氣式探測器、可燃氣體探測器、感溫感煙探測器對整個儲能箱進行全方位監控、時時探測。

火災報警控制裝置

其中，吸氣式探測器以電池簇為單位對整簇電池箱進行監控防護，可燃氣體探測器對電池艙進行監控防護，感溫感煙探測器對電氣艙進行監控防護。

火災探測裝置

當某個電池包發生電池熱失控火災時，探測器探測到火情，探測器開啟該電池簇分區控制閥，同時將火情信息通過CAN總線傳送至火災抑制主機，聲光報警器打開，排風系統打開，抑制主機啟動輸出，滅火劑通過管路、分區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，然后噴灑到電池包內部，實施降溫、滅火功能。

機架式探測滅火一體機

儲能火災抑制主機采用全氟己酮作為主要滅火劑，對儲能柜進行早期火災的撲滅、抑制和防控，一旦火情過大，滅火劑需要長時間噴灑，主機內部自帶的全氟己酮滅火劑使用完后，系統會自動補進消防栓水，實現長時間持續噴灑、抑制火災復燃和電池降溫的目的。

5 試驗驗證

液冷集裝箱儲能系統在環境溫度為25 ℃的情況下進行0.5C充電測試，由BMS記錄各電池包的溫度變化情況。

充電結束時，電池包內電芯表面溫度小于35 ℃，其溫升小于10 ℃，在整個充電過程中，監測點最低溫度為32.5 ℃，最高溫度為34.8 ℃，其溫差小于2.3 ℃，如圖2所示。

由圖2試驗結果可以看出，液冷集裝箱的溫升遠小于風冷集裝箱的溫差，一般風冷集裝箱的溫差達到5～8 ℃，能較好地促進整個儲能系統的溫度一致性，延長系統運行壽命。

6 結語

該工程設計了20尺液冷集裝箱儲能系統，包括系統理論設計、熱管理設計、消防設計等，最后通過試驗驗證表明，儲能系統溫度一致性較好，溫升符合要求。

液冷電池包在新能源汽車中運用非常成熟，儲能系統是靜止放置的，不會有漏液風險。液冷集裝箱系統減少了內部風道的設計，采用外維護系統，不用設置內部走廊空間，采用大電池包設計，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更有優勢，儲能系統最重要的是保證其安全性，消防系統的設計是至關重要的，系統采用Pack級消防，同時采用全氟己酮+水消防持續抑制的方案，保證系統安全運行。

來源：網絡

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