集裝箱儲能系統熱管理系統的現狀及發展

王安國

（珠海科創儲能科技有限公司，廣東 珠海 519000）

在新能源裝機容量不斷增加的同時，電力系統中出現的間歇性、波動等問題也日益突出。儲能系統能夠有效抑制新能源裝機容量的波動，是保障微網安全穩定運行的關鍵因素之一[1-3]。同時，通過對電力系統進行頻率調節和電力系統的消納，可以大大提升電力系統的可靠性、穩定性和經濟性[4]。

儲能主要分為電化學儲能、機械儲能等，電化學儲能又以鋰電池儲能為主。鋰電池因其能源效率高、使用壽命長、額定電壓高、功率容限大、重量輕、運行環保、生產中不用水等特點，逐漸成為儲能的主要產品。以鋰電池儲能為主的電力系統構建模式，其構建費用較低，壽命較長，部署靈活等特點。機械儲能由于其占地面積大，建設周期長，投資大，不足之處也越來越明顯。

1 集裝箱儲能系統熱管理系統的現狀

電化學儲能是一種將鋰電池、變流器、測溫系統和監測系統整合到一個標準的集裝箱內的一種新型的儲能建設模式，它的建設周期短，安全性高，模塊化程度高，運輸安裝便利[5]。然而，集裝箱內的儲能暴露在室外條件和惡劣的天氣條件下，這就需要更好的環保和電池的管理。隨著集裝箱式儲能系統的尺寸和強度不斷增大，對它的安全性提出了更高的要求。近年來，集裝箱式儲能系統的火災頻繁發生，結果表明，引起火災的主要原因為蓄電池保護裝置失效，尤其當蓄電池工作異常時，蓄電池的溫度管理裝置失效。操作上的問題包括：電路故障，過載，顆粒或水蒸氣污染，開始是一個元件的電解質分解，蒸汽壓力上升導致單體熱故障，然后擴散到存儲模塊的其他元件，最終表現為普遍的熱失控。封閉的設計和開放的操作環境給集裝箱式儲能系統帶來了巨大的熱傳導問題。由于外界的太陽輻射、電子設備自身的熱量、蓄電池的充放電等因素，使集裝箱內部的溫度超出了電器和蓄電池的容許工作極限。在較高的溫度下，長時間的工作，將會加快電子器件的老化速度，嚴重時可能造成器件的損傷，尤其是對溫度十分敏感的蓄電池；溫度升高會加快蓄電池的老化速度，使它的容量急劇降低。

隨著存儲系統容量的增加和電池密度的提高，目前，單一的熱管理技術已無法滿足不斷提高的高熱通量密度需求。其次，“不匹配”與“短板效應”是制約熱處理批量化技術發展的主要原因，因此先進熱處理技術成為需要解決的重要內容。

2 集裝箱儲能電池的溫濕度特性

在儲運過程中，鋰電池是一種重要的能源。在對集裝箱型蓄熱裝置的熱傳導進行探討與分析前，有必要對鋰電池的溫、濕性能進行研究。

2.1 溫度對鋰電池容量和壽命的影響

研究表明，鋰電池的容量和壽命隨溫度的變化而變化，主要是由于溫度變化導致內阻的增加以及活性材料和有效鋰離子的損失。內阻的增加被認為是由于金屬離子在高溫下從正極溶解到電解質中，然后通過隔膜擴散并沉積在負極上，導致負極的內阻增加[6]。跟高溫環境相似，在低溫下，鋰電池的容量也會降低。例如，磷酸鐵鋰在0℃時的容量保持率為60%～70%，而在-20℃時，其容量將下降至20%～40%，這是由于在較低的溫度下，電解液的傳輸能力將會大幅度下降。

2.2 溫度對鋰電池熱穩定性的影響

溫度是影響鋰電池穩定性的一個重要因素，其原因是在較高的溫度下，會引起電池內部物質的分解。在鋰電池中，SEI 薄膜先被破壞，隨后與電解質發生反應，再被溶解，最終在高溫條件下，正極與電解質發生裂解。一般情況下，SEI 薄膜在80℃～120℃的高溫下分解。這些變化導致鋰離子通道關閉，導致正負電極之間的直接接觸而短路，釋放大量的熱量。此外，鋰離子電池中在發生爆炸的同時，還會釋放出大量的氣體和熱能，引起電池內壓急劇升高，引起電池膨脹、爆裂、泄壓閥爆裂、鋁箔融化等熱失控現象。在出現熱失控時，其內部溫度差可達520℃。很明顯，這會對電池的安全性構成很大的威脅。再者，長期在低溫下，也會導致電池負極的鋰沉淀，嚴重穿透SEI 膜，使電池無法使用。

2.3 電池模塊的溫度均勻性要求

在實際應用過程中，由于負荷的變化，可能會產生較大的電流，造成電池組件發熱不均勻。在重復使用的過程中，每一個單元的老化都是不一樣的，這就會造成電池組的過充電、過放電，進而影響到電池的性能，嚴重時還會產生一些安全問題。另外，由于各單元電池之間的不均勻性，會使整個電池組在工作時出現“木桶短板”效應，也就是說，電池組的性能是被那些表現最差的單元電池所決定的。模塊之間的溫度差異會降低電池組的整體性能和壽命，因此，在鋰離子電池的使用過程中，必須確保各個電池有足夠的舒適度，并確保電池組各個單元之間的均勻性，以提高電池組的整體壽命。

2.4 濕度對電池性能的影響

相關標準中已經規定了電池制造和儲存過程中環境溫度和濕度的相關規格和要求。但是，目前對于不同濕度條件下鋰離子電池的熱退化機理還缺乏系統深入的認識。有報道指出，當空氣中的水分含量較高時，鋰離子電池會發生更多的內化學反應，引起鋰離子電池的體積膨脹、殼體破碎等問題，從而引起電解質的失穩。在一定范圍內，當空氣中的水分含量越高，其熱分解臨界點所需的時間越短。濕度為100%時的臨界時間比濕度為50%時早7.2%，表明在一定范圍內，濕度會加速熱分解過程。過高的濕度會導致電池電解液的降解，從而導致氫氟酸的降解，導致腐蝕和金屬部件的泄漏。然而，由于氫氟酸的存在，會對電極表面的SEI 膜造成一定的損傷，從而引起鋰離子在電極表面的不可逆反應，使電池的能量下降。因此，在設計電池的熱管理解決方案時，不應忽視濕度控制，特別是當儲能系統在高溫和高濕度環境中使用時。

3 集裝箱熱管理設計

集裝箱儲能系統包括兩類對溫度和發熱敏感度不同的設備：電池、PCS 和隔離變壓器。磷酸鐵鋰凝膠電池通常要求的工作溫度在20℃～30℃之間，而PCS 和絕緣變壓器的工作溫度通常高于50℃，能夠在0℃之下工作。

將蓄電池、PCS、絕緣變壓器等設置于不同的隔室內，針對其溫度適應性，分別采取相應的熱管理措施，實現了系統的最優管理與節能效果。在PCS 隔間中，設置了PCS 隔離變壓器、壁掛式配電箱及與之相匹配的消防設備，電池隔間中設置了電池柜、管理系統、本地監控系統、環境監控系統以及與之相匹配的消防設備。

3.1 電池隔間熱設計

為了確保電池隔間的正確工作溫度，電池隔間的所有六個側面都覆蓋了一層50～80 毫米厚的雙層鋼巖棉。由于空調器的高效冷卻特性和暖氣的高效加熱特性，根據集裝箱的地理位置，電池隔間可以通過空調和加熱相結合的方式進行控制，在溫度較低的地區，也有必要增加熱水器的配置功率。在每一塊磷酸鋰鐵電池模塊的各個小室中，都有一個溫度感應點，它能夠對電池的溫度進行全方位的監控，這樣熱管理系統就能夠對其進行合理的調節。

3.1.1 制冷量和制熱量的計算

設計電池隔間的熱管理，最重要的是根據集裝箱的導熱性計算所需的冷卻和加熱能力，計算方法如下。

1.制冷量計算。集裝箱電池隔間內外的導熱系數計算公式如下：

其中：P1 為導熱系數，kW；γ 為石棉的熱阻系數，γ=0.04W/m.℃；A 為導熱表面積；Th、Tc 為高溫和低溫表面溫度，即集裝箱的內部和外部溫度，℃；δ 為集裝箱兩個表面之間的距離。

考慮到門或其他縫隙的導熱性，計算需要考慮修正系數。

假設電池產生的熱量為P2，則空調的所需冷卻能力為：P=P1’+P2。

2.制熱量的計算。假設集裝箱外的最低溫度為T，集裝箱內所需的控制溫度為Th，加熱器的制熱量P3 應大于環境的導熱系數P1 和設備的熱負荷之和，計算假設設備(包括電池）的熱負荷之和為0。考慮到門或其他間隙的導熱系數的修正系數，加熱器的熱輸出如下：

3.空調和加熱器功率的計算。以工業3 千瓦空調和4千瓦加熱器的組合為例進行溫度控制。按照常規3.4倍的能效比，3 千瓦空調的制冷量為3×3.4=10.2 千瓦，有效制冷量為：Pe=10.2×0.9=9.18 千瓦。有效制冷量Pe 高于空調制冷量P，則所選空調容量符合要求。如果加熱效率為0.9，4 千瓦的加熱器的有效加熱能力為：Pe’=4×0.9=3.6 千瓦，有效加熱能力Pe’高于加熱器的加熱能力P3’，則所選加熱器能力符合要求。

3.1.2 溫度控制策略

1.待機狀態起機模式。在集裝箱中的溫度降到0℃以下時，空調機就會啟動升溫，直到蓄電池進入其正常工作狀態（也就是充電和放電的狀態）為止，再升溫到10℃。

2.正常運行狀態模式。如果集裝箱內的溫度低于5℃，空調器開始加熱；如果集裝箱內的溫度高于40℃，空調器開始冷卻。溫度控制系統應將集裝箱內的溫度保持在5℃～40℃之間。

3.2 PCS 間熱設計

PCS 室用于安裝 PCS，絕緣變壓器和配電箱，工作在-20℃～65℃的環境中。所以，只需要在這個隔間的頂棚上加巖棉保溫隔熱層。熱量要從與PCS 及絕緣變壓器柜頂端相連的管子中排出，用裝置自身的頂端排氣扇把熱排出集裝箱外。

4 集裝箱儲能電池熱管理系統發展趨勢

4.1 精準化送風

由于鋰電池對溫度非常敏感，電池的最佳工作溫度范圍通常在10℃～35℃之間。但是，目前的儲能體系中，鋰離子電池一般采用串聯或并聯的方式，導致各單元間的阻抗增大，從而導致動力負荷不均。這樣，由于在電池組件中的布置，電池的熱產生的程度是不一致的，由于在充放電期間的電阻，蓄電池的溫度也是不一致的。為了解決這些問題，在開發儲能系統的熱管理解決方案時，對單個電池進行單獨的熱處理是至關重要的。

4.2 混合熱管理技術

風冷技術因其生產成本低、簡單和可靠，是目前成本最優的熱管理技術之一。然而，它受到使用環境和單個元件的熱釋放率的限制。由于環境溫度高，電池的充放電率高，空氣的傳熱系數低，使得傳統的風冷技術不適合用于儲能系統的熱管理。初步研究表明，金屬泡沫熱交換器、翅片熱交換器和冷卻板等技術都能很好地改善空氣之間的換熱強化特性。然而，這些方法通常會增加系統的尺寸和重量。此外，新的熱管理技術，如熱管技術和液冷技術已經成功地利用了現有的電池熱傳導解決方案。重量、氣密性和緊湊性仍然是需要克服的障礙。結合傳統的熱管理技術以彌補單個熱管理技術的缺陷，是未來儲能系統熱管理的一個重要研究領域。

4.3 電-熱-流一體化的環境控制策略

傳統的熱管理系統是基于粗放式的批量熱處理，但儲能設備的實際性能取決于其運行參數，而同一狀態下的電池散熱是非常不均勻的。因此，必須根據每個電池模塊在不同工作條件下的熱負荷要求來設計電池冷卻系統。解決以上問題的一個行之有效的辦法就是采用電、熱、流體的集成仿真，也就是將電池的動力特性與流體的流動、傳熱機理相結合，從而為集裝箱儲能系統提供一種全面的環境控制策略。

5 結論

在集裝箱型儲能技術向大功率、小型化發展的同時，其熱安全性與穩定性也是當前集裝箱型儲能技術的熱點與難點。對集裝箱電池的溫度和濕度適應性有科學的認識，對現有集裝箱電池系統的熱處理方法有一定的認識，并克服現有控制方法的局限性。了解熱管理的發展趨勢，以制定儲能系統在完整工作條件下的環境控制策略是非常必要的。盡管在電池熱管理方面，已取得了大量的理論與試驗結果，但是對儲能系統的熱管理的研究仍然處在一個持續發展與完善的過程中，儲能系統的安全防護與熱傳遞安全管理仍然面臨著很多挑戰。