液冷集装箱式储能系统设计

1 储能系统设计

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芯（Cell）、电池包（Pack）、电池簇（Rack）、电池舱（Container），如图1所示。

储能系统电芯采用方形铝壳磷酸铁锂 280Ah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280Ah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2.75MW·h，额定电压为1228.8V。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、保温、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。

2 储能热管理设计

2.1 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。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。

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。文中，Tmax指电池最高温度；Tvag指电池平均温度；Tmin指电池最低温度。

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。

2.2 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=175 660.03kJ。

电池本体吸收热功率P1=Q/t，充放电 2 h，则 t=7 200s，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=526980.09kJ，电池的吸热功率为 P2=Q1/t1，其中，t1=12h，P2=12.2kW，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。

3 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。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进行监控防护，感温感烟探测器对电气舱进行监控防护。

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，然后喷洒到电池包内部，实施降温、灭火功能。

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。

4 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。

5 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。

审核编辑 ：李倩