1 儲能系統(tǒng)設計

鋰電池儲能系統(tǒng)包含電池艙和電氣艙，電池艙由電池簇、液冷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、匯流柜、配電箱等組成，電氣艙由變流器（PCS）、變壓器、控制柜、環(huán)網(wǎng)柜、交流配電柜、空調等組成，本研究詳細說明了電池艙的設計開發(fā)，對電氣艙的說明從略。整個鋰電池儲能系統(tǒng)設計流程為電芯（Cell）、電池包（Pack）、電池簇（Rack）、電池艙（Container），如圖1所示。

儲能系統(tǒng)電芯采用方形鋁殼磷酸鐵鋰 280Ah電芯（3.2 V/280 Ah），電池包的串并聯(lián)方式是1P48S，單個電池包有48塊280Ah電芯，電池包容量是 43.008 kW·h，電池系統(tǒng)由8 組電池簇并聯(lián)，每組電池簇由 8 個電池包串聯(lián)，儲能系統(tǒng)容量為2.75MW·h，額定電壓為1228.8V。儲能系統(tǒng)電池艙是標準的集裝箱 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、防紫外線等功能，其防護等級為 IP54。為了防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電現(xiàn)象，實現(xiàn)對電池的充放電管理，確保電池系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行，系統(tǒng)須配置電池管理系統(tǒng)（BMS），保護硬件須配繼電器、斷路器、熔斷器等。

2 儲能熱管理設計

2.1 熱管理系統(tǒng)設計

液冷熱管理系統(tǒng)由液冷板、液冷機組、液冷管路、高低壓線束和冷卻液組成，關于液冷漏液的問題，采取以下措施。第一，液冷接頭采用車規(guī)級的防漏液冷卻管道快插接頭，可以保證在儲能系統(tǒng)運行時，漏液的風險降到最低。第二，在液冷機組膨脹水箱設置液位傳感器，如果有漏液現(xiàn)象發(fā)生，液冷機組會報警。第三，電池包設計的防護等級為IP67，保證漏液時對系統(tǒng)無影響，電池包的液冷板是鋁合金壓鑄一體成型，集成了底座和液冷板的功能，其中，液冷板和密封蓋板采用攪拌摩擦焊連接；同時，液冷板也會做氣密性檢測，保證液冷板密封性能良好。電池包液冷板采用“蛇形”流道，冷卻液采用質量分數(shù) 50% 水+質量分數(shù) 50% 乙二醇，液冷系統(tǒng)通過一定的熱管理策略，使得冷卻液流經(jīng)液冷板時，對電池包進行制冷或制熱。

液冷機組具備制冷、制熱以及除濕功能，液冷機組熱管理系統(tǒng)的策略和工作模式緊密相關。文中，Tmax指電池最高溫度；Tvag指電池平均溫度；Tmin指電池最低溫度。

當 Tmax≥28 ℃、Tvag≥25 ℃時，液冷機組進入制冷模式，壓縮機開啟，高溫高壓的制冷劑從壓縮機中排出，進入冷凝器冷凝，放熱降溫后，通過膨脹閥進行節(jié)流降壓，然后進入蒸發(fā)器，并與冷卻液進行換熱，制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)后流回壓縮機吸氣口，完成一個制冷循環(huán)。此時，水路中的水泵開啟，PTC加熱器不開啟，冷卻液在板式蒸發(fā)器中冷卻后進入電池包液冷板，對電池進行冷卻，將熱量帶出，從而達到冷卻電池的目的。當 Tmax≤25 ℃ 、Tvag≤22 ℃時，停止制冷模式。

當 Tmin≤12 ℃、Tvag≤15 ℃時，液冷機組進入制熱模式，壓縮機處于關閉狀態(tài)，水泵、PTC 加熱器開啟，冷卻液經(jīng)過PTC加熱器加熱后，進入電池冷板，加熱電池。此模式適用于電池溫度過低時，需要對電池進行加熱的情況。當 Tmin≥20 ℃、Tvag≥23 ℃時，停止制熱模式。

當進水口溫度≤12 ℃，液冷機組進入自循環(huán)模式，壓縮機、風機、PTC加熱器關閉，水泵開啟，使冷卻液在電池冷板和機組中周而復始地循環(huán)流動，將電池包中的熱量帶出。當集裝箱內濕度高于對應溫度下的露點溫度時，液冷機組開啟除濕模式。

2.2 熱管理系統(tǒng)設計計算

儲能集裝箱采用外維護模式，儲能系統(tǒng)共有 8簇，其中，4 簇并排在一起，另外 4 簇與之背靠背布置，儲能系統(tǒng)的液冷回路采用并聯(lián)方式，但相鄰兩個電池包采用串聯(lián)方式，各支路采用流量計獨立監(jiān)控，保證各個電池包冷卻液的流速和流量均衡。 集裝箱內一些主要的熱負荷為電芯發(fā)熱功率P、電芯溫升吸熱Q，單體電芯在不同倍率下的充電或放電功率可用式（1）表示。

P0=I2×R×1.2

（1）式中：I為電芯容量；R為電芯直流電阻。儲能系統(tǒng)設定的充放電倍率為 0.5C，電芯 LF280K 在0.5C充電的發(fā)熱功率平均值為12.5 W，放電的發(fā)熱功率平均值為9.5 W。

儲能系統(tǒng)的總電芯數(shù)量為 n，整個儲能系統(tǒng)有3 072塊LF280K電芯。電芯總發(fā)熱功率（0.5C 充電）為 P=n×P0=12.5×3 072=38 400 W。

設置電芯的最大溫升 ΔT=10 ℃，電芯的質量m=5.42×3 072=16 650.24 kg，電芯溫升發(fā)熱量可用式（2）表示。

Q=CmΔT（2）式中：C 為電池比熱容，kJ/（kg·℃），一般取1.055

代入得Q=175 660.03kJ。

電池本體吸收熱功率P1=Q/t，充放電 2 h，則 t=7 200s，P1=24 397 W。液冷機組的制冷負荷P2》（P-P1 ）·k，其中，k 為安全系數(shù)，一般取1.2~1.5，P2=19.6 kW，所以制冷功率設定為20 kW。

因為鋰離子電池的工作溫度為-20~50 ℃，充電溫度為 0~50 ℃，所以若鋰電池在零下低溫環(huán)境中重新開始工作，就需要先預熱一段時間，將電芯溫度提升到 0 ℃及以上。假定環(huán)境溫度為-30 ℃，電池吸收的熱量為 Q1=CmΔT1，其中ΔT1=-30 ℃，電池吸收的熱量為 Q1=526980.09kJ，電池的吸熱功率為 P2=Q1/t1，其中，t1=12h，P2=12.2kW，所以制熱功率設定為 14 kW。液冷機組為非標定制化設計，將其制熱制冷功率參數(shù)確定下來，然后在試驗中檢驗其性能。

3 儲能消防系統(tǒng)

消防系統(tǒng)以每個電池 Pack 為最小防護單元，采用氣液兩相霧化滅火劑的全新滅火技術方案，聯(lián)合采用吸氣式探測器、可燃氣體探測器、感溫感煙探測器對整個儲能箱進行全方位監(jiān)控、時時探測。其中，吸氣式探測器以電池簇為單位對整簇電池箱進行監(jiān)控防護，可燃氣體探測器對電池進行監(jiān)控防護，感溫感煙探測器對電氣艙進行監(jiān)控防護。

當某個電池包發(fā)生電池熱失控火災時，探測器探測到火情，探測器開啟該電池簇分區(qū)控制閥，同時將火情信息通過 CAN 總線傳送至火災抑制主機，聲光報警器打開，排風系統(tǒng)打開，抑制主機啟動輸出，滅火劑通過管路、分區(qū)控制閥輸送至氣液兩相的噴頭，滅火劑通過噴頭成霧化狀態(tài)，然后噴灑到電池包內部，實施降溫、滅火功能。

儲能火災抑制主機采用全氟己酮作為主要滅火劑，對儲能柜進行早期火災的撲滅、抑制和防控，一旦火情過大，滅火劑需要長時間噴灑，主機內部自帶的全氟己酮滅火劑使用完后，系統(tǒng)會自動補進消防栓水，實現(xiàn)長時間持續(xù)噴灑、抑制火災復燃和電池降溫的目的。

4 試驗驗證

液冷集裝箱儲能系統(tǒng)在環(huán)境溫度為 25 ℃的情況下進行 0.5C 充電測試，由 BMS 記錄各電池包的溫度變化情況。充電結束時，電池包內電芯表面溫度小于 35 ℃，其溫升小于 10 ℃，在整個充電過程中，監(jiān)測點最低溫度為32.5 ℃，最高溫度為34.8 ℃，其溫差小于2.3 ℃，如圖2所示。由圖2試驗結果可以看出，液冷集裝箱的溫升遠小于風冷集裝箱的溫差，一般風冷集裝箱的溫差達到5~8 ℃，能較好地促進整個儲能系統(tǒng)的溫度一致性，延長系統(tǒng)運行壽命。

5 結語

該工程設計了 20 尺液冷集裝箱儲能系統(tǒng)，包括系統(tǒng)理論設計、熱管理設計、消防設計等，最后通過試驗驗證表明，儲能系統(tǒng)溫度一致性較好，溫升符合要求。

液冷電池包在新能源汽車中運用非常成熟，儲能系統(tǒng)是靜止放置的，不會有漏液風險。液冷集裝箱系統(tǒng)減少了內部風道的設計，采用外維護系統(tǒng)，不用設置內部走廊空間，采用大電池包設計，最大限度地提高了能量密度。從綜合成本上講，液冷集裝箱儲能系統(tǒng)更有優(yōu)勢，儲能系統(tǒng)最重要的是保證其安全性，消防系統(tǒng)的設計是至關重要的，系統(tǒng)采用 Pack級消防，同時采用全氟己酮+水消防持續(xù)抑制的方案，保證系統(tǒng)安全運行。

審核編輯 ：李倩