液冷集装箱式储能系统设计开发研究

帅昌俊

摘 要：介绍了储能行业发展的政策与前景，以液冷集装箱式储能系统为例，对储能系统、储能热管理系统和储能消防系统进行设计开发研究，阐述了液冷机组的设计选型，从理论和工程实践验证了液冷集装箱储能系统的优越性。液冷储能系统最大限度地提高了能量密度，相比于风冷储能系统，其成本和性价比更具优势。储能系统以0.5C运行时，热管理系统可以保证电池工作环境在最佳温度范围内。

关键词：储能;液冷;储能热管理;储能消防系统

中图分类号：TM912     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）12-0091-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.019

Design of Liquid Cooling Container Energy Storage System

SHUAI  Changjun

（Wuhan EVE Energy Co.， Ltd.， Wuhan 430223，China）

Abstract： The policies and prospects for the development of energy storage industry are introduced. Taking the liquid cooling container type energy storage system as an example， studies the design and development of the energy storage system， energy storage thermal management system and energy storage fire protection system， expounds the design and selection of the liquid cooled unit， and verifies the superiority of the liquid cooling container energy storage system from theory and engineering practice. The liquid cooling energy storage system maximizes the energy density， and has more advantages in cost and price than the air-cooled energy storage system. When the energy storage system operates at 0.5C， the thermal management system can ensure that the battery working environment is within the optimal temperature range.

Keywords： energy storage; liquid cooling; energy storage thermal management; energy storage fire protection system

0 引言

2022年2月，國家发展改革委、国家能源局印发《“十四五”新型储能发展实施方案》，明确了新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备，到2025年，新型储能规模化发展，到2030年，新型储能全面市场化发展。国家出台了一系列政策，储能行业迎来了发展的良机。我国储能市场将由百MW/MWh级时代步入GW/GWh级时代，大规模、大容量的储能将广泛有序地应用于新型电力系统的发电侧、电网侧、用户侧各环节，有力地推进我国实现“碳达峰、碳中和”的国家战略目标。

从2019年开始，现在已经有40多所高校开设储能科学与工程本科专业，为我国储能事业提供人才支撑。我国也相应发布了一系列标准，如GB/T 36276—2018、GB 51048—2014等，在锂电池、电池管理系统（BMS）、变流器（PCS）、消防安全以及系统各方面都有涉及，国际上也发布了一些储能系统通用认证标准，如UL 1642、UL 1973、UL 9540、UL 9540A、UN 38.3等。

从政策、人才储备、标准规范以及整个社会的发展趋势来看，储能行业是继互联网行业之后的另一个风口，必将在未来几年内迎来爆发式发展。本研究从储能方案的选择、储能系统的设计、储能热管理系统和储能消防系统的设计，对新的储能系统进行设计开发研究，可为储能系统的发展提供依据。

1 储能方案的选择

目前，技术成熟度较高、应用较为广泛的储能技术为抽水蓄能和电化学储能，电化学储能主要是利用锂电池技术，综合考虑性价比、安全性、使用寿命和产业成熟度等因素，磷酸铁锂电池是现阶段最适合用于储能的电池。火电储能辅助调频对储能电池性能有较高的要求，包括储能技术的高倍率特性、高爬坡特性、快速响应能力、强能效比、高温安全性和长寿命等。因此，对于火电储能联合调频项目，推荐采用磷酸铁锂电池。从用户侧储能应用场景来看，根据削峰填谷、需求响应、供电可靠性等需求，也推荐采用磷酸铁锂电池。

储能电站的安全事故频发，2011—2021年，全球共发生32起储能电站起火爆炸事故，其中，80%起火的储能电站均采用三元锂电池。2021年，北京丰台储能电站发生起火爆炸事故，事故调查报告指出，起火的直接原因是电池发生内短路故障，引发电池热失控起火。

电池起火主要由电池热失控产生，热失控主要是因为电池内短路，内短路的主要原因有机械滥用、电气滥用和热滥用，应对热滥用的方式是采取良好的热管理设计。王晓松等[1]提出热管理设计的标准指标有两项，一是保证电池表面温度处于15～35 ℃，二是保持电池间的温差不超过5 ℃，其分析与研究是基于风冷的热管理方式。钟国彬等[2]提出现有的储能系统很少选用液冷技术，因为电池储能系统在一定空间内积聚了大量的电池，一旦乙二醇水溶液泄漏会造成短路，易引发连锁反应，造成重大事故。游峰等[3]提出储能系统技术的核心是电池组、电池簇结构设计、电池系统热设计、电池系统的保护技术、电池管理系统等。田刚领等[4]在某项目中的热管理采用风冷方案，保证储能系统0.5C充电运行时，电池最高温度不高于34 ℃，储能系统最大温差基本保持在5 ℃。田刚领等[5]提出当电池模组内温差达到5 ℃时，电池模组的寿命比温差控制在2 ℃以内的模组寿命减少30%。

液冷技术通过液体对流换热，将电池产生的热量带走，降低电池温度。液冷的漏液风险可以通过结构设计避免，液冷的效率比风冷的效率高，液冷的温差控制优于风冷，液冷的流体温度和流量控制比风冷的风道控制简单，采用液冷的电池寿命更长。综合成本考虑，液冷系统比风冷系统更有优势，同时，目前储能电站安全问题突出，液冷的储能系统也在逐渐推广应用。笔者以某储能系统工程为研究对象，采用液冷的热管理方式，详细论述了储能系统的设计方案，供相关设计人员讨论与交流。

2 液冷锂电池储能系统

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

储能系统电芯采用亿纬锂能方形铝壳磷酸铁锂LF280K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LF280K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2.75 MW·h，额定电压为1 228.8 V。

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、保溫、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。

3 储能热管理设计

3.1 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。

3.2 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=175 660.03 kJ。

电池本体吸收热功率P1=Q/t，充放电2 h，则t=7 200 s，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=526 980.09 kJ，电池的吸热功率为P2=Q1/t1，其中，t1=12 h，P2=12.2 kW，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。

4 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舱进行监控防护，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，然后噴洒到电池包内部，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。

5 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。

6 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。

参考文献：

[1] 王晓松，游峰，张敏吉，等.集装箱式储能系统数值仿真模拟与优化[J].储能科学与技术，2016，5（4）：577-582.

[2] 钟国彬，王羽平，王超，等.大容量锂离子电池储能系统的热管理技术现状分析[J].储能科学与技术，2018，7（2）：203-210.

[3] 游峰，钱艳婷，梁嘉，等.MW级集装箱式电池储能系统研究[J].电源技术，2017，41（11）：1657-1659.

[4] 田刚领，张柳丽，牛哲荟，等.集装箱式储能系统热管理设计[J].电源技术，2021，45（3）：317-329.

[5] 田刚领，刘皓，杨凯，等.锂离子电池组结构热仿真[J].储能科学与技术，2020，9（1）：266-270.