本文以液冷集装箱式储能系统为例,对储能系统、储能热管理系统和储能消防系统进行设计开发研究,阐述了液冷机组的设计选型,从理论和工程实践验证了液冷集装箱储能系统的优越性。
液冷储能系统最大限度地提高了能量密度,相比于风冷储能系统,其成本和性价比更具优势。储能系统以0.5C运行时,热管理系统可以保证电池工作环境在最佳温度范围内。
1 储能方案的选择
目前,技术成熟度较高、应用较为广泛的储能技术为抽水蓄能和电化学储能,电化学储能主要是利用锂电池技术,综合考虑性价比、安全性、使用寿命和产业成熟度等因素,磷酸铁锂电池是现阶段最适合用于储能的电池。
电池起火主要由电池热失控产生,热失控主要是因为电池内短路,内短路的主要原因有机械滥用、电气滥用和热滥用,应对热滥用的方式是采取良好的热管理设计。
液冷技术通过液体对流换热,将电池产生的热量带走,降低电池温度。液冷的漏液风险可以通过结构设计避免,液冷的效率比风冷的效率高,液冷的温差控制优于风冷,液冷的流体温度和流量控制比风冷的风道控制简单,采用液冷的电池寿命更长。
综合成本考虑,液冷系统比风冷系统更有优势,同时,目前储能电站安全问题突出,液冷的储能系统也在逐渐推广应用。
笔者以某储能系统工程为研究对象,采用液冷的热管理方式,详细论述了储能系统的设计方案,供相关设计人员讨论与交流。
2 液冷锂电池储能系统
锂电池储能系统包含电池舱和电气舱,电池舱由电池簇、液冷系统、消防系统、汇流柜、配电箱等组成,电气舱由变流器(PCS)、变压器、控制柜、环网柜、交流配电柜、空调等组成,本研究详细说明了电池舱的设计开发,对电气舱的说明从略。
整个锂电池储能系统设计流程为电池包(Pack)、电池簇(Rack)、电池舱(Container),如图1所示。
储能系统电芯采用亿纬锂能方形铝壳磷酸铁锂LF280K电芯(3.2 V/280 Ah),电池包的串并联方式是1P48S,单个电池包有48块LF280K电芯,电池包容量是43.008 kW·h,电池系统由8组电池簇并联,每组电池簇由8个电池包串联,储能系统容量为2.75 MW·h,额定电压为1 228.8 V。
储能系统电池舱是标准的集装箱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、防紫外线等功能,其防护等级为IP54。
为了防止电池出现过度充电和过度放电现象,实现对电池的充放电管理,确保电池系统稳定、可靠运行,系统须配置电池管理系统(BMS),保护硬件须配继电器、断路器、熔断器等。
断路器
3 储能热管理设计
3.1 热管理系统设计
液冷热管理系统由液冷板、液冷机组、液冷管路、高低压线束和冷却液组成,关于液冷漏液的问题,采取以下措施。
液冷板
储能线束
第一,液冷接头采用车规级的防漏液冷却管道快插接头,可以保证在储能系统运行时,漏液的风险降到最低。
第二,在液冷机组膨胀水箱设置液位传感器,如果有漏液现象发生,液冷机组会报警。
第三,电池包设计的防护等级为IP67,保证漏液时对系统无影响,电池包的液冷板是铝合金压铸一体成型,集成了底座和液冷板的功能,其中,液冷板和密封盖板采用搅拌摩擦焊连接;
同时,液冷板也会做气密性检测,保证液冷板密封性能良好。电池包液冷板采用“蛇形”流道,冷却液采用质量分数50%水+质量分数50%乙二醇,液冷系统通过一定的热管理策略,使得冷却液流经液冷板时,对电池包进行制冷或制热。
储能液冷板
液冷机组具备制冷、制热以及除湿功能,液冷机组热管理系统的策略和工作模式紧密相关。
当Tmax≥28 ℃、Tvag≥25 ℃时,液冷机组进入制冷模式,压缩机开启,高温高压的制冷剂从压缩机中排出,进入冷凝器冷凝,放热降温后,通过膨胀阀进行节流降压,然后进入蒸发器,并与冷却液进行换热,制冷剂在蒸发器中吸热蒸发后流回压缩机吸气口,完成一个制冷循环。
此时,水路中的水泵开启,PTC加热器不开启,冷却液在板式蒸发器中冷却后进入电池包液冷板,对电池进行冷却,将热量带出,从而达到冷却电池的目的。当Tmax≤25 ℃ 、Tvag≤22 ℃时,停止制冷模式。
当Tmin≤12 ℃、Tvag≤15 ℃时,液冷机组进入制热模式,压缩机处于关闭状态,水泵、PTC加热器开启,冷却液经过PTC加热器加热后,进入电池冷板,加热电池。此模式适用于电池温度过低时,需要对电池进行加热的情况。当Tmin≥20 ℃、Tvag≥23 ℃时,停止制热模式。
当进水口温度≤12 ℃,液冷机组进入自循环模式,压缩机、风机、PTC加热器关闭,水泵开启,使冷却液在电池冷板和机组中周而复始地循环流动,将电池包中的热量带出。当集装箱内湿度高于对应温度下的露点温度时,液冷机组开启除湿模式。
3.2 热管理系统设计计算
储能集装箱采用外维护模式,储能系统共有8簇,其中,4簇并排在一起,另外4簇与之背靠背布置,储能系统的液冷回路采用并联方式,但相邻两个电池包采用串联方式,各支路采用流量计独立监控,保证各个电池包冷却液的流速和流量均衡。
集装箱内一些主要的热负荷为电芯发热功率P、电芯温升吸热Q,单体电芯在不同倍率下的充电或放电功率可用式(1)表示。
P0=I2×R×1.2 (1)
式中:I为电芯容量;R为电芯直流电阻。储能系统设定的充放电倍率为0.5C,电芯LF280K在0.5C充电的发热功率平均值为12.5 W,放电的发热功率平均值为9.5 W。
储能系统的总电芯数量为n,整个储能系统有3 072块LF280K电芯。
电芯总发热功率(0.5C充电)为P=n×P0=12.5×3 072=38 400 W。
设置电芯的最大温升ΔT=10 ℃,电芯的质量m=5.42×3 072=16 650.24 kg,电芯温升发热量可用式(2)表示。
Q=CmΔT (2)
式中:C为电池比热容,kJ/(kg·℃),一般取1.055。代入得Q=175 660.03 kJ。
电池本体吸收热功率P1=Q/t,充放电2 h,则t=7 200 s,P1=24 397 W。
液冷机组的制冷负荷P2>(P-P1)·k,其中,k为安全系数,一般取1.2~1.5,P2=19.6 kW,所以制冷功率设定为20 kW。
因为锂离子电池的工作温度为-20~50 ℃,充电温度为0~50 ℃,所以若锂电池在零下低温环境中重新开始工作,就需要先预热一段时间,将电芯温度提升到0 ℃及以上。
假定环境温度为-30 ℃,电池吸收的热量为Q1=CmΔT1,其中ΔT1=-30 ℃,电池吸收的热量为Q1=526 980.09 kJ,电池的吸热功率为P2=Q1/t1,其中,t1=12 h,P2=12.2 kW,所以制热功率设定为14 kW。液冷机组为非标定制化设计,将其制热制冷功率参数确定下来,然后在试验中检验其性能。
4 储能消防系统
消防系统以每个电池Pack为最小防护单元,采用气液两相雾化灭火剂的全新灭火技术方案,联合采用吸气式探测器、可燃气体探测器、感温感烟探测器对整个储能箱进行全方位监控、时时探测。
火灾报警控制装置
其中,吸气式探测器以电池簇为单位对整簇电池箱进行监控防护,可燃气体探测器对电池舱进行监控防护,感温感烟探测器对电气舱进行监控防护。
火灾探测装置
当某个电池包发生电池热失控火灾时,探测器探测到火情,探测器开启该电池簇分区控制阀,同时将火情信息通过CAN总线传送至火灾抑制主机,声光报警器打开,排风系统打开,抑制主机启动输出,灭火剂通过管路、分区控制阀输送至气液两相的喷头,灭火剂通过喷头成雾化状态,然后噴洒到电池包内部,实施降温、灭火功能。
机架式探测灭火一体机
储能火灾抑制主机采用全氟己酮作为主要灭火剂,对储能柜进行早期火灾的扑灭、抑制和防控,一旦火情过大,灭火剂需要长时间喷洒,主机内部自带的全氟己酮灭火剂使用完后,系统会自动补进消防栓水,实现长时间持续喷洒、抑制火灾复燃和电池降温的目的。
5 试验验证
液冷集装箱储能系统在环境温度为25 ℃的情况下进行0.5C充电测试,由BMS记录各电池包的温度变化情况。
充电结束时,电池包内电芯表面温度小于35 ℃,其温升小于10 ℃,在整个充电过程中,监测点最低温度为32.5 ℃,最高温度为34.8 ℃,其温差小于2.3 ℃,如图2所示。
由图2试验结果可以看出,液冷集装箱的温升远小于风冷集装箱的温差,一般风冷集装箱的温差达到5~8 ℃,能较好地促进整个储能系统的温度一致性,延长系统运行寿命。
6 结语
该工程设计了20尺液冷集装箱储能系统,包括系统理论设计、热管理设计、消防设计等,最后通过试验验证表明,储能系统温度一致性较好,温升符合要求。
液冷电池包在新能源汽车中运用非常成熟,储能系统是静止放置的,不会有漏液风险。液冷集装箱系统减少了内部风道的设计,采用外维护系统,不用设置内部走廊空间,采用大电池包设计,最大限度地提高了能量密度。
从综合成本上讲,液冷集装箱储能系统更有优势,储能系统最重要的是保证其安全性,消防系统的设计是至关重要的,系统采用Pack级消防,同时采用全氟己酮+水消防持续抑制的方案,保证系统安全运行。
资料来源:《液冷集装箱式储能系统设计开发研究》作者:帅昌俊 武汉亿纬储能有限公司、艾邦储能、网络
原文始发于微信公众号(艾邦高分子):液冷集装箱式储能系统设计开发研究