液冷储能系统冷凝水问题及液冷系统方案计算思路.docx

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1、液冷储能系统冷凝水问题及液冷系统方案计算思路当前电化学储能系统产品采用空水冷（相对于电池或IGBT来说，称为液冷）的冷却方式已经成为主流。但这种冷却方式很容易形成冷凝水造成内部电芯外部短路或电路板上电子器件短路损坏失效。这些需引起重点关注。首先了解下形成冷凝水原理，有三个条件：1）空气中水分要含量高，湿度大。2）舱室内外有温度差且温差超过10。C以上。3）水蒸气遇到温度较低的物体表面容易形成凝露。液冷锂电池储能电池舱室里，由于电池Pack内部电芯是通过水冷散热方式将热量带走。舱室内的液冷管路是个相对隔热且隔离的独立管道，一级管路为金属材质，表面需包保温隔热棉。二级和三级管路为PVC或塑料材质，

2、导热性较差，表面不容易产生凝露。电池PaCk内的液冷板与电芯集成在IP67的密闭箱壳内，水气不能进入。今年5月份时，有个朋友跟我说他们的20英尺液冷储能电池集装箱在工厂做测试，停机后打开舱门，发现电池舱室内器件表面有很多冷凝水，问我有没有解决办法。然后我们电话聊了下，询问现场的情况。那几天工厂测试时，经常下雨，厂区内湿度比较大。他们的20英尺电池舱室只装了一排电池簇,背面一排电池架没装电池Pack,是空着的。另外电池舱室的一级液冷管路进/出水管口没有完全封堵,外面的空气能进入到电池舱室内。了解到这些信息，基本满足以上形成冷凝水的三个条件。下图是当时拍的电池舱室内冷凝水照片。然后我给出解决办法，

3、1）把液冷一级管路进/出水管口密封堵住,不要让外界空气进入电池舱。2）电池集装箱有无装有除湿空调，有的话打开除湿功能。3）将空着的电池架隔舱空间做个简易隔绝，他们用纸箱板放在一排装有电池Pack的电池簇背面，将装有电池簇的舱室与未装电池簇的舱室隔开。过了几天，我问他效果怎样，他回复没有再形成冷凝水，问题解决了。根据我去年做液冷储能电池系统的设计经验，液冷散热的电池Pack防护等级一定要做到IP67,另外电池Pack上的防爆泄压阀选型需要带呼吸功能且可过滤掉空气中的小水珠。关于储能电池集装箱的防冷凝水的办法，有些厂家是装带除湿功能的空调，需要计算下整个电池舱室的除湿量，选择相应的空调功率大小。C

4、公司的20尺液冷电池集装箱是将电池Pack舱室与直流高压控制盒、配电/通讯控制柜隔开，请看下面3D模型图。在电池PaCk与直流控制盒间再加装一道隔离层钢板。另外国内也有家储能公司做的CTS的液冷储能电池柜，其防护等级设计只做到IP55,后期在交付运行时发现柜内有冷凝水，造成电芯外部短路、接地、绝缘故障等问题。以上是液冷电池系统内出现冷凝水的设计缺陷问题。国内也有储能变流器采用的是空水冷的方案。IGBT模块是通过液冷散热，液冷板与其他电路控制板放置在一块，铜排和PCBA板表面很容易形成冷凝水，造成设备故障。另外冷却水水箱和蒸发器安装在柜内且在电抗器的正上方位置。如冷却水管路发生漏水，冷却水直接滴

5、到电抗器上,造成电抗器短路。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

6、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1535,二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。

7、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05C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5oCo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

8、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。（八）电池包(Park)(b)电池筱(KadJ图1储能系统设计流程图储能系统电芯采用

9、亿纬锂能方形铝壳磷酸铁锂LF280K电芯(3.2V/280Ah),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43.008kWh,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2.75MWh,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(6.058m2.438m2.896m),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。3

10、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

11、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Tmax28、Tvag25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，对电池进行冷去上将

12、热量带出，从而达到冷却电池的目的。当Tmax25、Tvag22时，停止制冷模式。当Tmin12、Tvag15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Tmine20、Tvag23时，停止制热模式。当进水口温度W12,液冷机组进入自循环模式，压缩机、风机、PTe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

13、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。PO=I2R1.2(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05C,电芯LF280K在0.5C充电的发热功率平均值为12.5W,放电的发热功率平均值为95W。储能系统的总电芯数量为n,整个储能系统有3072LF280Ko电芯总发热功率(0.5C充电)为P=nP0=1

14、2.53072=38400Wo设置电芯的最大温升T=10,电芯的质量m=5.42X3072=16650.24kg,电芯温升发热量可用式(2)表示。Q=CmT(2)式中：C为电池比热容，kJ/(kg),一般取L055代入得Q=175660.03kJ.电池本体吸收热功率Pl=Qt,充放电2h,则t=7200s,Pl=24397Wo液冷机组的制冷负荷P2(P-Pl)k,其中，k为安全系数，一般取L2L5,P2=19.6kW,所以制冷功率设定为20kWo因为锂离子电池的工作温度为-2050,充电温度为050,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

15、环境温度为-30,电池吸收的热量为Ql=CmTl,其中AT1=-3O,电池吸收的热量为Ql=526980.09kJ,电池的吸热功率为P2=Qltl,其中，tl=12h,P2=12.2kW,所以制热功率设定为14kW0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进行监控防护，感温感烟探测器对电气舱进

16、行监控防护o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。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0.5

17、C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58,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。25TIlllll1(01800360054007200时间”s图2储能系统充电过程中的温度曲线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o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。