集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)
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發(fā)布日期： 2021.05.31
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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(guò)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(guò)高問(wèn)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)。
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(12.192m×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(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(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(kāi)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(guò)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(guò)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。
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(jìn)出風(fēng)口溫差，K?？筛鶕?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(guò)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50mm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?？照{(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(kāi)啟；當(dāng)集裝箱內(nèi)部溫度高于28℃時(shí)，空調(diào)制冷功能開(kāi)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(guò)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)(MC125HDNC1B，深圳產(chǎn))，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(Y-Y12038H24B)。
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，且能充分流過(guò)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(shuō)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(guò)40℃，儲(chǔ)能系統(tǒng)最大溫差8℃以內(nèi)，熱管理效果良好。
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