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集裝箱式儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計
日期:2021-04-14   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_qianjiao 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
集裝箱式電池儲能系統(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、存儲容量大、運輸方便且易于安裝等優(yōu)點,是目前應(yīng)用最廣泛的儲能技術(shù)之一。集裝箱式儲能系統(tǒng)電池排布緊密且集裝箱環(huán)境相對封閉,電池?zé)崃咳菀准蹖?dǎo)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(tǒng)電池溫升過高問題,研究人員利用熱仿真技術(shù)進行了集裝箱式電池儲能系統(tǒng)熱管理風(fēng)道設(shè)計。

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

1、集裝箱式電池儲能系統(tǒng)

集裝箱式電池儲能系統(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個電池模組串聯(lián)。儲能系統(tǒng)額定電壓768V,額定容量1.2MWh。


2、儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計

散熱常用的方式有自然散熱、強迫風(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能系統(tǒng)中使用;強迫風(fēng)冷散熱方式采用工業(yè)空調(diào)和風(fēng)扇進行制冷,能夠滿足儲能系統(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能系統(tǒng)最合適的散熱方式。

2.1風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計

集裝箱式電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部空間狹小,對風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較高。儲能系統(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)集裝箱特點左右對稱布置。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風(fēng)口進入電池模塊內(nèi)部,流經(jīng)電池單體表面對電池單體降溫,然后由風(fēng)扇抽出。


電池模組外觀結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示,其后端面板開孔,便于空調(diào)輸出的氣流進入模組內(nèi)部;前端面板設(shè)計軸流風(fēng)扇,用于將氣流抽出,促進氣流在電池模組內(nèi)部的流動。

圖4(b)所示為電池模組內(nèi)部氣體流向,電池單體間隙3mm,氣流進入電池模塊內(nèi)部后流經(jīng)電池單體表面,與電池單體進行冷熱交換后由風(fēng)扇排出,完成對電池單體的冷卻。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,并充分流過電池表面,換熱能效較高。


2.2空調(diào)制冷量設(shè)計

2.2.1集裝箱冷負荷計算

集裝箱式儲能系統(tǒng)艙內(nèi)冷負荷主要包括電池發(fā)熱形成的冷負荷,以及由于艙體內(nèi)外溫差和太陽輻射作用,通過集裝箱壁傳入艙內(nèi)的熱量形成的冷負荷。儲能系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池單體,在實驗室條件下進行1C充放電測試,電池單體充放電能效為η。則儲能系統(tǒng)電池發(fā)熱形成的冷負荷P1為:


式中:n為儲能系統(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)扇型號規(guī)格。

2.4、集裝箱艙體保溫設(shè)計

集裝箱保溫性能對艙內(nèi)溫度影響較大,集裝箱保溫性能越差,環(huán)境溫度對集裝箱艙體內(nèi)溫度影響越大。儲能系統(tǒng)集裝箱保溫設(shè)計主要考慮艙體的隔熱和密封,通過減小集裝箱壁面?zhèn)鳠岷蛢?nèi)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,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(tǒng)控制策略

儲能系統(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。空調(diào)控制由空調(diào)自身邏輯控制來實現(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,制熱模式實現(xiàn)對電池低溫下的控制和保護,制冷模式實現(xiàn)對電池溫升的有效控制。

當(dāng)集裝箱內(nèi)部溫度低于12℃時,空調(diào)制熱功能開啟;當(dāng)集裝箱內(nèi)部溫度高于28℃時,空調(diào)制冷功能開啟。電池模塊風(fēng)扇由電池管理系統(tǒng)控制,且每一個電池模塊的風(fēng)扇可獨立控制運行。儲能系統(tǒng)運行過程中,當(dāng)電池管理系統(tǒng)檢測某一電池模塊溫度高于33℃時,該電池模塊風(fēng)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(tǒng)的溫度控制能力,在實現(xiàn)熱管理性能指標(biāo)的前提下,有效降低了儲能系統(tǒng)能耗。


 


4、實驗驗證

根據(jù)集裝箱式儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計理論計算,完成對空調(diào)和電池模塊風(fēng)扇的選型設(shè)計。其中儲能系統(tǒng)典型工況下(1C)運行時,系統(tǒng)生熱率計算為39kW,儲能系統(tǒng)需要的空調(diào)最小制冷功率計算為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)。

集裝箱式儲能系統(tǒng)集成后在環(huán)境溫度35℃下分別進行0.5C和1C充電測試,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)計可以保證儲能系統(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能系統(tǒng)的運行穩(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)流動至電池模塊內(nèi)部,風(fēng)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(jié)論

熱管理對于集裝箱式電池儲能系統(tǒng)安全、可靠運行具有重要意義,但目前行業(yè)內(nèi)對儲能系統(tǒng)散熱研究尚未形成統(tǒng)一的認識,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(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,同時設(shè)計集成了額定容量1.2MWh的集裝箱式儲能系統(tǒng),并測試分析了儲能系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計的合理和有效性。研究結(jié)果表明,采用設(shè)計的熱管理系統(tǒng)及溫控策略,可以保證儲能系統(tǒng)0.5C充電運行時,電池最高溫度不高于34℃,儲能系統(tǒng)最大溫差基本保持在5℃,說明儲能系統(tǒng)低倍率運行時,可以保證電池工作在最佳溫度范圍內(nèi)。儲能系統(tǒng)1C充電運行時,電池最高溫度不超過40℃,儲能系統(tǒng)最大溫差8℃以內(nèi),熱管理效果良好。 

原標(biāo)題:集裝箱式儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計
 
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