張建府

(中國(guó)華能集團(tuán)有限公司，北京 100031)

0 引言

隨著碳達(dá)峰●碳中和目標(biāo)的提出和光伏風(fēng)電等新能源裝機(jī)容量的快速增加，電池儲(chǔ)能技術(shù)的重要性愈發(fā)凸顯，將是未來(lái)推動(dòng)可再生能源規(guī)?；_(kāi)發(fā)和利用的重要支撐。電池儲(chǔ)能技術(shù)目前存在的主要安全問(wèn)題是電池系統(tǒng)存在熱失控著火的風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有已投用的電化學(xué)儲(chǔ)能電站多數(shù)采用空調(diào)冷卻方案，由于冷卻風(fēng)量的分配不均和空氣比熱較小的原因，實(shí)際運(yùn)行的電池儲(chǔ)能站中，電芯的溫差普遍較大，可達(dá)10 ℃以上，這一方面會(huì)降低電芯的循環(huán)壽命，另一方面也增加了電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)[1-2]。由于電池液冷方式能夠提高冷卻效果和解決冷卻不均勻的問(wèn)題，且具有設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，項(xiàng)目建設(shè)成本低等優(yōu)勢(shì)，因此采用液冷方式的電池儲(chǔ)能技術(shù)正逐步成為電化學(xué)儲(chǔ)能電站的一個(gè)重要發(fā)展方向[3-4]。

1 液冷技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 空冷技術(shù)的不足

1) 集裝箱內(nèi)溫度不均衡問(wèn)題?？绽湎到y(tǒng)預(yù)制集裝箱體積較大，長(zhǎng)度約為12 m。實(shí)際應(yīng)用中，由于缺乏有效的風(fēng)道設(shè)計(jì)，普遍存在集裝箱內(nèi)各電池包之間溫度差較大的問(wèn)題，尤其是遠(yuǎn)離空調(diào)出風(fēng)口的電池包與出風(fēng)口處的電池包，溫差能夠達(dá)到10 ℃以上。

2) 集裝箱內(nèi)凝露問(wèn)題。集裝箱內(nèi)空氣濕度高，存在水分冷凝問(wèn)題。凝露問(wèn)題在濕熱地區(qū)發(fā)生的比例較高，如國(guó)內(nèi)華南地區(qū)。集裝箱內(nèi)存在冷凝水，會(huì)給系統(tǒng)安全帶來(lái)如下影響：一是消防系統(tǒng)傳感器誤報(bào)警、失效，存在安全隱患；二是電池直流系統(tǒng)絕緣失效，引發(fā)絕緣保護(hù)動(dòng)作；三是電池直流系統(tǒng)絕緣擊穿、拉弧，存在嚴(yán)重安全風(fēng)險(xiǎn)。為了控制凝露，需要長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行干燥，這大幅增加了自身廠(chǎng)用電消耗。

3) 電池包防護(hù)等級(jí)低。風(fēng)冷電池系統(tǒng)，需要通過(guò)電池包上的風(fēng)扇帶動(dòng)冷卻風(fēng)流動(dòng)，電池包的防護(hù)等級(jí)僅為IP 20，在西北風(fēng)沙大的地區(qū)，風(fēng)沙侵入，加速了電氣設(shè)備老化，降低了設(shè)備的可靠性和使用壽命。

1.2 液冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1) 液冷方式換熱效果提升，有利于降低系統(tǒng)能耗，提升電芯壽命。相比空氣換熱，采用乙二醇水溶液作為介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)大幅提升，因此電池包可以設(shè)計(jì)得更為緊湊，且換熱效果更好，集裝箱內(nèi)各電池簇之間的溫度差可以控制在5 ℃以?xún)?nèi)，可以提升電池使用壽命。

2) 設(shè)備封閉性好，防護(hù)等級(jí)高，更適合在惡劣環(huán)境下使用。尤其在西北沙戈荒環(huán)境下使用，液冷電池包密閉性能好，能夠達(dá)到IP 67 的防護(hù)等級(jí)，集裝箱普遍達(dá)到IP 55 防護(hù)等級(jí)，能有效抵御風(fēng)沙侵入，提高設(shè)備使用壽命。

3) 電氣與電池分隔設(shè)計(jì)，電氣安全性提升。不存在凝露問(wèn)題，電氣安全性水平提升。

4) 提升消防安全性。液冷技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)熱失控對(duì)應(yīng)電池簇的精準(zhǔn)、定向主動(dòng)水循環(huán)降溫?？梢酝ㄟ^(guò)控制不同電池簇的冷卻液流量和溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)單一電池簇、電池包進(jìn)行冷卻。2023-03-29，寧德時(shí)代公司在中國(guó)儲(chǔ)能大會(huì)報(bào)告中，展示了其開(kāi)展的相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果顯示冷卻水循環(huán)可以大幅降低電芯熱失控后的溫度，水循環(huán)開(kāi)啟1 800 s，電芯溫度比未開(kāi)啟水循環(huán)降低約50 ℃。

5) 設(shè)備能量密度提升，預(yù)制艙體積減小，方便運(yùn)輸和安裝。電池預(yù)制艙可以采用20 ft (1 ft=0.304 8 m) 標(biāo) 準(zhǔn) 集 裝 箱， 尺 寸6 058 mm×2 462 mm×2 896 mm，內(nèi)部可以布置10 個(gè)電池簇，每簇包含8 個(gè)電池包，標(biāo)稱(chēng)電量能夠到達(dá)3.2～3.7 MWh，電柜整體重量控制在35 t左右。預(yù)制艙方便運(yùn)輸和安裝，能夠大幅降低現(xiàn)場(chǎng)安裝費(fèi)用。

6) 占地面積小，大幅降低廠(chǎng)站投資成本。以3.2 ～3.7 MWh 的單個(gè)液冷集裝箱為例，占地面積僅為16.74 m2，相比原來(lái)2.5 MWh 的空冷集裝箱占地面積34.14 m2，降幅達(dá)51 %。若以100 MWh 的整個(gè)廠(chǎng)站考慮，占地面積降幅在35 %左右。由此，廠(chǎng)站征地面積可減少35 %，設(shè)備基礎(chǔ)、電纜相應(yīng)減少，降低了項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工費(fèi)用，進(jìn)而降低項(xiàng)目建設(shè)成本。

2 現(xiàn)有液冷電池包問(wèn)題分析

經(jīng)調(diào)研，國(guó)內(nèi)主要的儲(chǔ)能電池設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家目前已商用的電池包液冷方式普遍采用簡(jiǎn)單的大底板冷卻方式，其主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在電池包底部設(shè)計(jì)一個(gè)冷卻液底板，內(nèi)部可以設(shè)計(jì)不同的液體流道，底板上部直接接觸電芯底部，縫隙之間為導(dǎo)熱膠。此種大底液冷板主要采用鋁材作為導(dǎo)熱金屬，內(nèi)部冷卻介質(zhì)主要為乙二醇水溶液，體積比為1:1。該液冷包設(shè)計(jì)能夠較好地控制集裝箱內(nèi)各液冷電池包之間的溫度偏差，相比空冷方式，在控制集裝箱內(nèi)整體溫度不均衡方面有較大的提升[5]；且大底液冷板方案設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單，造價(jià)低，因此被電池設(shè)備制造商廣泛采用。

圖1 大底液冷板電池包結(jié)構(gòu)

大底液冷板方案的不足也是明顯的，因僅有電芯底部接觸到導(dǎo)熱金屬板，受導(dǎo)熱溫度梯度的影響，電芯上部無(wú)法很好地進(jìn)行換熱，導(dǎo)致電芯本體上部跟下部之間存在較大的溫度偏差。

基于CFD 模擬軟件Ansys 進(jìn)行了電池包熱仿真，1 C 放電工況放電結(jié)束時(shí)，電池系統(tǒng)電芯間最大溫差可達(dá)到9 ℃，主要體現(xiàn)在電芯最底部與電芯最上部之間的溫差。

3 方案改進(jìn)分析

3.1 優(yōu)化電池包液冷方案設(shè)計(jì)

以下三種方式從傳熱角度分析，均有利于提升電芯換熱效果，提高溫度的均勻性。

1) 采用浸沒(méi)冷卻箱方式。如圖2 所示，制作一個(gè)電池插箱，在底部箱體里充入冷卻液，液冷箱設(shè)計(jì)多個(gè)插槽，電芯放置于插槽中，邊緣可用密封膠進(jìn)行密封，確保冷卻液不會(huì)從縫隙泄露。此種設(shè)計(jì)，能夠?qū)㈦娦菊w置于冷卻液中，冷卻效果好，電芯本體溫度均勻性好；缺點(diǎn)是電池包設(shè)備比較大，空間利用率不足。

圖2 浸沒(méi)冷卻箱設(shè)計(jì)模型

2) 采用液冷大底板加電芯間隔板方式。此設(shè)計(jì)方案是在原有的液冷大底板基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)。在原有的冷卻底板上層表面上，焊接上一排排的相同材質(zhì)的金屬板，類(lèi)似于換熱翅片，電芯放置于金屬板之間，可以使電芯不光底部接觸導(dǎo)熱金屬板，側(cè)面也能夠接觸到導(dǎo)熱金屬板，有助于提升換熱效果，且對(duì)于空間的利用率較高，對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)改造小，成本增加小，性?xún)r(jià)比較高。

3) 采用蛇形管布置方式。如圖3 所示，設(shè)計(jì)蛇形冷卻流道，包裹住電芯四周，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯三個(gè)側(cè)面進(jìn)行冷卻，相比單純的液冷大底板，此種設(shè)計(jì)，電芯換熱接觸面積大，換熱效果更好，電芯本體溫度均勻性好。

圖3 電池包蛇形冷卻流道設(shè)計(jì)

3.2 優(yōu)化換熱材質(zhì)及冷卻工質(zhì)

在上述液冷方案中，可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需要，對(duì)換熱材質(zhì)和冷卻工質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。如要求換熱效果更好的地方，可以采用銅材替代鋁材作為換熱材質(zhì)，銅的導(dǎo)熱系數(shù)相比鋁更高，有助于提升換熱效果。同時(shí)，對(duì)于冷卻工質(zhì)，也可以根據(jù)需要，采用乙二醇水溶液、絕緣油等。

3.3 設(shè)計(jì)大容量電站集中式冷水機(jī)組

集中式冷水機(jī)組方案，如圖4 所示。以整個(gè)儲(chǔ)能電站為對(duì)象設(shè)計(jì)電站的集中液冷系統(tǒng)，采用壓縮冷水機(jī)組及閉式水循環(huán)組合成集中式液冷換熱系統(tǒng)，可通過(guò)調(diào)節(jié)閉式水溫度和進(jìn)入每個(gè)集裝箱的閉冷水流量的方式達(dá)到穩(wěn)定控制電池模塊溫度的目的。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)儲(chǔ)能電站的容量規(guī)模、環(huán)境氣候條件，量身定制。該系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量少，且方便大型化集中布置，具有投資運(yùn)維成本低，換熱效率高，運(yùn)行調(diào)節(jié)方便靈活，設(shè)備可靠性行高、壽命長(zhǎng)，維護(hù)工作量少等優(yōu)勢(shì)。

圖4 集中式閉式水循環(huán)系統(tǒng)

3.4 考慮消防功能

進(jìn)行電池冷卻方案設(shè)計(jì)時(shí)，可以綜合考慮其消防功能。當(dāng)單個(gè)電芯發(fā)生熱失控時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到相關(guān)信號(hào)后，增大該電池包冷卻液流量，降低冷卻液溫度，以提升冷卻效果，控制其對(duì)相鄰電池包的影響，避免事故擴(kuò)大[6]。

3.5 優(yōu)化溫度測(cè)點(diǎn)布局和設(shè)計(jì)充放電控制算法

如上述分析，現(xiàn)有的液冷大底板電池包上下溫度偏差明顯，如果僅根據(jù)電池包上部的溫度測(cè)點(diǎn)作為電芯的溫度，則電芯下部實(shí)際溫度將低于電池包測(cè)點(diǎn)溫度，在低溫充電階段，容易發(fā)生充電電流過(guò)大的情況，影響電芯使用壽命。因此，一方面可以?xún)?yōu)化溫度測(cè)點(diǎn)布置，在電芯上下部均設(shè)計(jì)布置溫度測(cè)點(diǎn)，使得系統(tǒng)采集的溫度更好地代表電芯本體的實(shí)際溫度分布；另一方面針對(duì)目前的電池冷卻方式，可以進(jìn)一步優(yōu)化充放電控制算法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得底部溫度與上部溫度的偏差曲線(xiàn)，在充放電過(guò)程中，根據(jù)電芯上下溫度情況，選擇合理的充放電電流。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析液冷電池包的特點(diǎn)與不足，通過(guò)CFD 技術(shù)對(duì)液冷電池包進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示電芯本體上下溫差較大。針對(duì)此問(wèn)題，提出了三種液冷電池包改進(jìn)方案，有助于提升電芯冷卻效果及電芯溫度均勻性。為提高大容量?jī)?chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性，可以設(shè)計(jì)集中式冷水機(jī)組，以充分利用規(guī)?；党杀镜膬?yōu)勢(shì)。同時(shí)，為進(jìn)一步提高預(yù)制艙的安全性，可以在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮消防功能，并進(jìn)一步優(yōu)化電池包內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布局，優(yōu)化充放電控制算法。