集裝箱式儲能系統熱管理設計

田剛領， 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)

為適應經濟社會發展的需求，應對全球氣候變暖帶來的危機以及電網面臨的嚴重挑戰，許多國家開展了智能電網的研究與實踐。儲能技術可以有效地實現用戶需求側管理，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，提高電網系統運行的穩定性并提高電網電能質量，保證供電可靠，對堅強智能電網的建設具有重大意義[1-3]。

集裝箱式電池儲能系統將鋰離子電池、電池管理系統、交直流轉換裝置、熱管理系統及消防系統等集成在標準集裝箱內，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點，是目前應用最廣泛的儲能技術之一[4-6]。集裝箱式儲能系統電池排布緊密且集裝箱環境相對封閉，電池熱量容易集聚導致溫升過高，影響電池的壽命和使用性能。為了解決集裝箱式儲能系統電池溫升過高問題，研究人員利用熱仿真技術進行了集裝箱式電池儲能系統熱管理風道設計。沈毅[7]采用CFD 仿真技術進行了集裝箱式儲能系統風道設計，提出在空調回風口設置擋板的方案可以使儲能系統溫度分布更加均勻。王曉松等[8]通過CFD 仿真研究了集裝箱式儲能系統的氣流場和溫度場，通過在風道內加設導流板，并對風道結構進行調整來改善風量分布，提高集裝箱內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的溫差和氣流場進行模擬仿真研究，其設計的風道，電池背部開有小孔用于出風，小孔上裝有手動可調風口，用以調節出風口的風量、大小及方向，實現均勻出風，保證集裝箱內溫度場均勻性。

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

1 集裝箱式電池儲能系統

集裝箱式電池儲能系統由標準集裝箱(12.192 m×2.438 m×2.896 m)、鋰離子電池系統、電池管理系統、儲能變流器、空調和風道、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)；電池模組串并聯方式為2P24S，包括48 只電池單體；電池系統由6 組電池簇并聯，每組電池簇由10 個電池模組串聯。儲能系統額定電壓768 V，額定容量1.2 MWh。

圖1 集裝箱式電池儲能系統

2 儲能系統熱管理設計

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要求和成本較高，不適合在集裝箱式電池儲能系統中使用；強迫風冷散熱方式采用工業空調和風扇進行制冷，能夠滿足儲能系統的散熱要求，且成本在可接受范圍內，是目前集裝箱式電池儲能系統最合適的散熱方式。

2.1 風道結構設計

集裝箱式電池儲能系統內部空間狹小，對風道結構設計要求較高。儲能系統散熱風道結構如圖2 所示，風道包括與空調出口連接的主風道、主風道內的擋風板、風道出口以及電池架兩端的擋風板，根據集裝箱特點左右對稱布置。其中主風道用于將空調輸出的氣流輸送至各風道出口處；主風道內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壁間的間隙逸出。

圖2 儲能系統散熱風道結構

圖3 所示為電池簇內部氣體流向，空調輸出的氣流經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部，流經電池單體表面對電池單體降溫，然后由風扇抽出。

圖3 電池簇內部氣體流向

電池模組外觀結構如圖4(a)所示，其后端面板開孔，便于空調輸出的氣流進入模組內部；前端面板設計軸流風扇，用于將氣流抽出，促進氣流在電池模組內部的流動。圖4(b)所示為電池模組內部氣體流向，電池單體間隙3 mm，氣流進入電池模塊內部后流經電池單體表面，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可以保證空調出風風量損失很小，并充分流過電池表面，換熱能效較高。

圖4 電池模塊散熱設計

2.2 空調制冷量設計

2.2.1 集裝箱冷負荷計算

集裝箱式儲能系統艙內冷負荷主要包括電池發熱形成的冷負荷，以及由于艙體內外溫差和太陽輻射作用，通過集裝箱壁傳入艙內的熱量形成的冷負荷。儲能系統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。則儲能系統電池發熱形成的冷負荷P1為：

式中：n 為儲能系統內電池單體數量；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，W/(m2·K)；A 為集裝箱換熱面積，m2；?T1為集裝箱內外溫差，K。

由集裝箱的傳熱過程可知，集裝箱艙體內部、外部和艙體間為對流傳熱，艙體壁面間是導熱傳熱，故傳熱系數K 表達式為[11]：

式中：hw和hn為艙體外、內壁傳熱系數，W/(m2·K)；λi為艙體壁面各層導熱率，W/(m·K)；δi為艙體壁面各層厚度，m。

儲能系統總冷負荷P3為：

2.2.2 空調制冷量設計

電池的發熱量和集裝箱壁面傳導入艙內的熱量，一部分轉化為集裝箱艙內設備的溫升，主要是電池的溫升，另一部分通過電池的散熱設計由空調搬運至集裝箱外部，該部分熱量即空調所需的最小制冷量。儲能系統以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 為儲能系統內電池質量，kg；?T2為電池平均溫升，K。

則空調最小制冷功率P4可表示為：

式中：k 為安全系數，建議取值范圍1.2～1.5；t2為充放電時間，s。

2.3 電池模組風扇設計

儲能系統運行過程中，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 為考慮電池模組內部氣流阻力引入的增量系數，建議取值范圍1.1～1.2；P4為電池模塊發熱功率，W；?T3為電池模組進出風口溫差，K?？筛鶕姵啬K散熱風量要求，確定風扇型號規格。

2.4 集裝箱艙體保溫設計

集裝箱保溫性能對艙內溫度影響較大，集裝箱保溫性能越差，環境溫度對集裝箱艙體內溫度影響越大。儲能系統集裝箱保溫設計主要考慮艙體的隔熱和密封，通過減小集裝箱壁面傳熱和內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，導熱系數≤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 熱管理系統控制策略

儲能系統溫度控制策略包括空調控制和電池模塊風扇控制，如圖5 所示。空調控制由空調自身邏輯控制來實現，根據集裝箱內部不同溫度條件可分為制熱模式和制冷模式，制熱模式實現對電池低溫下的控制和保護，制冷模式實現對電池溫升的有效控制。當集裝箱內部溫度低于12 ℃時，空調制熱功能開啟；當集裝箱內部溫度高于28 ℃時，空調制冷功能開啟。電池模塊風扇由電池管理系統控制，且每一個電池模塊的風扇可獨立控制運行。儲能系統運行過程中，當電池管理系統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的溫度控制能力，在實現熱管理性能指標的前提下，有效降低了儲能系統能耗。

圖5 儲能系統溫度控制策略

4 實驗驗證

根據集裝箱式儲能系統熱管理設計理論計算，完成對空調和電池模塊風扇的選型設計。其中儲能系統典型工況下(1 C)運行時，系統生熱率計算為39 kW，儲能系統需要的空調最小制冷功率計算為24 kW。故空調選用一體式工業空調(MC125HDNC1B，深圳產)，空調制冷量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)。

集裝箱式儲能系統集成后在環境溫度35 ℃下分別進行0.5 C 和1 C 充電測試，采用電池管理系統采集記錄各電池模組內電池溫度變化。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 ℃。結果表明，該熱管理設計可以保證儲能系統在低倍率工況下，艙內環境溫度維持在鋰離子電池最佳工作范圍內，且溫度分布較為均勻；在1 C 下運行，電池工作環境溫度保持在40 ℃以下，溫差控制在8 ℃以內，從而提升集裝箱式儲能系統的運行穩定性和使用壽命。此外，熱管理系統結構可以保證空調出風基本在封閉的空間內流動至電池模塊內部，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 結論

熱管理對于集裝箱式電池儲能系統安全、可靠運行具有重要意義，但目前行業內對儲能系統散熱研究尚未形成統一的認識，如何保證集裝箱內大量電池工作在合適的溫度區間內且溫度分布均勻，是熱管理設計的最大難點。本文針對兆瓦級集裝箱式鋰離子電池儲能系統，完成了熱管理系統散熱風道結構、空調、電池模組散熱風扇以及熱管理系統溫控策略設計，同時設計集成了額定容量1.2 MWh 的集裝箱式儲能系統，并測試分析了儲能系統在不同運行工況下的電池表面溫度分布，驗證了熱管理系統設計的合理和有效性。研究結果表明，采用設計的熱管理系統及溫控策略，可以保證儲能系統0.5 C 充電運行時，電池最高溫度不高于34 ℃，儲能系統最大溫差基本保持在5 ℃，說明儲能系統低倍率運行時，可以保證電池工作在最佳溫度范圍內。儲能系統1 C 充電運行時，電池最高溫度不超過40 ℃，儲能系統最大溫差8 ℃以內，熱管理效果良好。

圖6 儲能系統充電過程中的電池溫度曲線