集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展

王安國(guó)

（珠?？苿?chuàng)儲(chǔ)能科技有限公司，廣東 珠海 519000）

在新能源裝機(jī)容量不斷增加的同時(shí)，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的間歇性、波動(dòng)等問(wèn)題也日益突出。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效抑制新能源裝機(jī)容量的波動(dòng)，是保障微網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一[1-3]。同時(shí)，通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)和電力系統(tǒng)的消納，可以大大提升電力系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性[4]。

儲(chǔ)能主要分為電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能等，電化學(xué)儲(chǔ)能又以鋰電池儲(chǔ)能為主。鋰電池因其能源效率高、使用壽命長(zhǎng)、額定電壓高、功率容限大、重量輕、運(yùn)行環(huán)保、生產(chǎn)中不用水等特點(diǎn)，逐漸成為儲(chǔ)能的主要產(chǎn)品。以鋰電池儲(chǔ)能為主的電力系統(tǒng)構(gòu)建模式，其構(gòu)建費(fèi)用較低，壽命較長(zhǎng)，部署靈活等特點(diǎn)。機(jī)械儲(chǔ)能由于其占地面積大，建設(shè)周期長(zhǎng)，投資大，不足之處也越來(lái)越明顯。

1 集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀

電化學(xué)儲(chǔ)能是一種將鋰電池、變流器、測(cè)溫系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整合到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱內(nèi)的一種新型的儲(chǔ)能建設(shè)模式，它的建設(shè)周期短，安全性高，模塊化程度高，運(yùn)輸安裝便利[5]。然而，集裝箱內(nèi)的儲(chǔ)能暴露在室外條件和惡劣的天氣條件下，這就需要更好的環(huán)保和電池的管理。隨著集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的尺寸和強(qiáng)度不斷增大，對(duì)它的安全性提出了更高的要求。近年來(lái)，集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)頻繁發(fā)生，結(jié)果表明，引起火災(zāi)的主要原因?yàn)樾铍姵乇Ｗo(hù)裝置失效，尤其當(dāng)蓄電池工作異常時(shí)，蓄電池的溫度管理裝置失效。操作上的問(wèn)題包括：電路故障，過(guò)載，顆?；蛩魵馕廴?，開(kāi)始是一個(gè)元件的電解質(zhì)分解，蒸汽壓力上升導(dǎo)致單體熱故障，然后擴(kuò)散到存儲(chǔ)模塊的其他元件，最終表現(xiàn)為普遍的熱失控。封閉的設(shè)計(jì)和開(kāi)放的操作環(huán)境給集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的熱傳導(dǎo)問(wèn)題。由于外界的太陽(yáng)輻射、電子設(shè)備自身的熱量、蓄電池的充放電等因素，使集裝箱內(nèi)部的溫度超出了電器和蓄電池的容許工作極限。在較高的溫度下，長(zhǎng)時(shí)間的工作，將會(huì)加快電子器件的老化速度，嚴(yán)重時(shí)可能造成器件的損傷，尤其是對(duì)溫度十分敏感的蓄電池；溫度升高會(huì)加快蓄電池的老化速度，使它的容量急劇降低。

隨著存儲(chǔ)系統(tǒng)容量的增加和電池密度的提高，目前，單一的熱管理技術(shù)已無(wú)法滿足不斷提高的高熱通量密度需求。其次，“不匹配”與“短板效應(yīng)”是制約熱處理批量化技術(shù)發(fā)展的主要原因，因此先進(jìn)熱處理技術(shù)成為需要解決的重要內(nèi)容。

2 集裝箱儲(chǔ)能電池的溫濕度特性

在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，鋰電池是一種重要的能源。在對(duì)集裝箱型蓄熱裝置的熱傳導(dǎo)進(jìn)行探討與分析前，有必要對(duì)鋰電池的溫、濕性能進(jìn)行研究。

2.1 溫度對(duì)鋰電池容量和壽命的影響

研究表明，鋰電池的容量和壽命隨溫度的變化而變化，主要是由于溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻的增加以及活性材料和有效鋰離子的損失。內(nèi)阻的增加被認(rèn)為是由于金屬離子在高溫下從正極溶解到電解質(zhì)中，然后通過(guò)隔膜擴(kuò)散并沉積在負(fù)極上，導(dǎo)致負(fù)極的內(nèi)阻增加[6]。跟高溫環(huán)境相似，在低溫下，鋰電池的容量也會(huì)降低。例如，磷酸鐵鋰在0℃時(shí)的容量保持率為60%～70%，而在-20℃時(shí)，其容量將下降至20%～40%，這是由于在較低的溫度下，電解液的傳輸能力將會(huì)大幅度下降。

2.2 溫度對(duì)鋰電池?zé)岱€(wěn)定性的影響

溫度是影響鋰電池穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，其原因是在較高的溫度下，會(huì)引起電池內(nèi)部物質(zhì)的分解。在鋰電池中，SEI 薄膜先被破壞，隨后與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，再被溶解，最終在高溫條件下，正極與電解質(zhì)發(fā)生裂解。一般情況下，SEI 薄膜在80℃～120℃的高溫下分解。這些變化導(dǎo)致鋰離子通道關(guān)閉，導(dǎo)致正負(fù)電極之間的直接接觸而短路，釋放大量的熱量。此外，鋰離子電池中在發(fā)生爆炸的同時(shí)，還會(huì)釋放出大量的氣體和熱能，引起電池內(nèi)壓急劇升高，引起電池膨脹、爆裂、泄壓閥爆裂、鋁箔融化等熱失控現(xiàn)象。在出現(xiàn)熱失控時(shí)，其內(nèi)部溫度差可達(dá)520℃。很明顯，這會(huì)對(duì)電池的安全性構(gòu)成很大的威脅。再者，長(zhǎng)期在低溫下，也會(huì)導(dǎo)致電池負(fù)極的鋰沉淀，嚴(yán)重穿透SEI 膜，使電池?zé)o法使用。

2.3 電池模塊的溫度均勻性要求

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于負(fù)荷的變化，可能會(huì)產(chǎn)生較大的電流，造成電池組件發(fā)熱不均勻。在重復(fù)使用的過(guò)程中，每一個(gè)單元的老化都是不一樣的，這就會(huì)造成電池組的過(guò)充電、過(guò)放電，進(jìn)而影響到電池的性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一些安全問(wèn)題。另外，由于各單元電池之間的不均勻性，會(huì)使整個(gè)電池組在工作時(shí)出現(xiàn)“木桶短板”效應(yīng)，也就是說(shuō)，電池組的性能是被那些表現(xiàn)最差的單元電池所決定的。模塊之間的溫度差異會(huì)降低電池組的整體性能和壽命，因此，在鋰離子電池的使用過(guò)程中，必須確保各個(gè)電池有足夠的舒適度，并確保電池組各個(gè)單元之間的均勻性，以提高電池組的整體壽命。

2.4 濕度對(duì)電池性能的影響

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)規(guī)定了電池制造和儲(chǔ)存過(guò)程中環(huán)境溫度和濕度的相關(guān)規(guī)格和要求。但是，目前對(duì)于不同濕度條件下鋰離子電池的熱退化機(jī)理還缺乏系統(tǒng)深入的認(rèn)識(shí)。有報(bào)道指出，當(dāng)空氣中的水分含量較高時(shí)，鋰離子電池會(huì)發(fā)生更多的內(nèi)化學(xué)反應(yīng)，引起鋰離子電池的體積膨脹、殼體破碎等問(wèn)題，從而引起電解質(zhì)的失穩(wěn)。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)空氣中的水分含量越高，其熱分解臨界點(diǎn)所需的時(shí)間越短。濕度為100%時(shí)的臨界時(shí)間比濕度為50%時(shí)早7.2%，表明在一定范圍內(nèi)，濕度會(huì)加速熱分解過(guò)程。過(guò)高的濕度會(huì)導(dǎo)致電池電解液的降解，從而導(dǎo)致氫氟酸的降解，導(dǎo)致腐蝕和金屬部件的泄漏。然而，由于氫氟酸的存在，會(huì)對(duì)電極表面的SEI 膜造成一定的損傷，從而引起鋰離子在電極表面的不可逆反應(yīng)，使電池的能量下降。因此，在設(shè)計(jì)電池的熱管理解決方案時(shí)，不應(yīng)忽視濕度控制，特別是當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)在高溫和高濕度環(huán)境中使用時(shí)。

3 集裝箱熱管理設(shè)計(jì)

集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)包括兩類(lèi)對(duì)溫度和發(fā)熱敏感度不同的設(shè)備：電池、PCS 和隔離變壓器。磷酸鐵鋰凝膠電池通常要求的工作溫度在20℃～30℃之間，而PCS 和絕緣變壓器的工作溫度通常高于50℃，能夠在0℃之下工作。

將蓄電池、PCS、絕緣變壓器等設(shè)置于不同的隔室內(nèi)，針對(duì)其溫度適應(yīng)性，分別采取相應(yīng)的熱管理措施，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的最優(yōu)管理與節(jié)能效果。在PCS 隔間中，設(shè)置了PCS 隔離變壓器、壁掛式配電箱及與之相匹配的消防設(shè)備，電池隔間中設(shè)置了電池柜、管理系統(tǒng)、本地監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)以及與之相匹配的消防設(shè)備。

3.1 電池隔間熱設(shè)計(jì)

為了確保電池隔間的正確工作溫度，電池隔間的所有六個(gè)側(cè)面都覆蓋了一層50～80 毫米厚的雙層鋼巖棉。由于空調(diào)器的高效冷卻特性和暖氣的高效加熱特性，根據(jù)集裝箱的地理位置，電池隔間可以通過(guò)空調(diào)和加熱相結(jié)合的方式進(jìn)行控制，在溫度較低的地區(qū)，也有必要增加熱水器的配置功率。在每一塊磷酸鋰鐵電池模塊的各個(gè)小室中，都有一個(gè)溫度感應(yīng)點(diǎn)，它能夠?qū)﹄姵氐臏囟冗M(jìn)行全方位的監(jiān)控，這樣熱管理系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行合理的調(diào)節(jié)。

3.1.1 制冷量和制熱量的計(jì)算

設(shè)計(jì)電池隔間的熱管理，最重要的是根據(jù)集裝箱的導(dǎo)熱性計(jì)算所需的冷卻和加熱能力，計(jì)算方法如下。

1.制冷量計(jì)算。集裝箱電池隔間內(nèi)外的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式如下：

其中：P1 為導(dǎo)熱系數(shù)，kW；γ 為石棉的熱阻系數(shù)，γ=0.04W/m.℃；A 為導(dǎo)熱表面積；Th、Tc 為高溫和低溫表面溫度，即集裝箱的內(nèi)部和外部溫度，℃；δ 為集裝箱兩個(gè)表面之間的距離。

考慮到門(mén)或其他縫隙的導(dǎo)熱性，計(jì)算需要考慮修正系數(shù)。

假設(shè)電池產(chǎn)生的熱量為P2，則空調(diào)的所需冷卻能力為：P=P1’+P2。

2.制熱量的計(jì)算。假設(shè)集裝箱外的最低溫度為T(mén)，集裝箱內(nèi)所需的控制溫度為T(mén)h，加熱器的制熱量P3 應(yīng)大于環(huán)境的導(dǎo)熱系數(shù)P1 和設(shè)備的熱負(fù)荷之和，計(jì)算假設(shè)設(shè)備(包括電池）的熱負(fù)荷之和為0。考慮到門(mén)或其他間隙的導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)，加熱器的熱輸出如下：

3.空調(diào)和加熱器功率的計(jì)算。以工業(yè)3 千瓦空調(diào)和4千瓦加熱器的組合為例進(jìn)行溫度控制。按照常規(guī)3.4倍的能效比，3 千瓦空調(diào)的制冷量為3×3.4=10.2 千瓦，有效制冷量為：Pe=10.2×0.9=9.18 千瓦。有效制冷量Pe 高于空調(diào)制冷量P，則所選空調(diào)容量符合要求。如果加熱效率為0.9，4 千瓦的加熱器的有效加熱能力為：Pe’=4×0.9=3.6 千瓦，有效加熱能力Pe’高于加熱器的加熱能力P3’，則所選加熱器能力符合要求。

3.1.2 溫度控制策略

1.待機(jī)狀態(tài)起機(jī)模式。在集裝箱中的溫度降到0℃以下時(shí)，空調(diào)機(jī)就會(huì)啟動(dòng)升溫，直到蓄電池進(jìn)入其正常工作狀態(tài)（也就是充電和放電的狀態(tài)）為止，再升溫到10℃。

2.正常運(yùn)行狀態(tài)模式。如果集裝箱內(nèi)的溫度低于5℃，空調(diào)器開(kāi)始加熱；如果集裝箱內(nèi)的溫度高于40℃，空調(diào)器開(kāi)始冷卻。溫度控制系統(tǒng)應(yīng)將集裝箱內(nèi)的溫度保持在5℃～40℃之間。

3.2 PCS 間熱設(shè)計(jì)

PCS 室用于安裝 PCS，絕緣變壓器和配電箱，工作在-20℃～65℃的環(huán)境中。所以，只需要在這個(gè)隔間的頂棚上加巖棉保溫隔熱層。熱量要從與PCS 及絕緣變壓器柜頂端相連的管子中排出，用裝置自身的頂端排氣扇把熱排出集裝箱外。

4 集裝箱儲(chǔ)能電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 精準(zhǔn)化送風(fēng)

由于鋰電池對(duì)溫度非常敏感，電池的最佳工作溫度范圍通常在10℃～35℃之間。但是，目前的儲(chǔ)能體系中，鋰離子電池一般采用串聯(lián)或并聯(lián)的方式，導(dǎo)致各單元間的阻抗增大，從而導(dǎo)致動(dòng)力負(fù)荷不均。這樣，由于在電池組件中的布置，電池的熱產(chǎn)生的程度是不一致的，由于在充放電期間的電阻，蓄電池的溫度也是不一致的。為了解決這些問(wèn)題，在開(kāi)發(fā)儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理解決方案時(shí)，對(duì)單個(gè)電池進(jìn)行單獨(dú)的熱處理是至關(guān)重要的。

4.2 混合熱管理技術(shù)

風(fēng)冷技術(shù)因其生產(chǎn)成本低、簡(jiǎn)單和可靠，是目前成本最優(yōu)的熱管理技術(shù)之一。然而，它受到使用環(huán)境和單個(gè)元件的熱釋放率的限制。由于環(huán)境溫度高，電池的充放電率高，空氣的傳熱系數(shù)低，使得傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)不適合用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理。初步研究表明，金屬泡沫熱交換器、翅片熱交換器和冷卻板等技術(shù)都能很好地改善空氣之間的換熱強(qiáng)化特性。然而，這些方法通常會(huì)增加系統(tǒng)的尺寸和重量。此外，新的熱管理技術(shù)，如熱管技術(shù)和液冷技術(shù)已經(jīng)成功地利用了現(xiàn)有的電池?zé)醾鲗?dǎo)解決方案。重量、氣密性和緊湊性仍然是需要克服的障礙。結(jié)合傳統(tǒng)的熱管理技術(shù)以彌補(bǔ)單個(gè)熱管理技術(shù)的缺陷，是未來(lái)儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。

4.3 電-熱-流一體化的環(huán)境控制策略

傳統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)是基于粗放式的批量熱處理，但儲(chǔ)能設(shè)備的實(shí)際性能取決于其運(yùn)行參數(shù)，而同一狀態(tài)下的電池散熱是非常不均勻的。因此，必須根據(jù)每個(gè)電池模塊在不同工作條件下的熱負(fù)荷要求來(lái)設(shè)計(jì)電池冷卻系統(tǒng)。解決以上問(wèn)題的一個(gè)行之有效的辦法就是采用電、熱、流體的集成仿真，也就是將電池的動(dòng)力特性與流體的流動(dòng)、傳熱機(jī)理相結(jié)合，從而為集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)提供一種全面的環(huán)境控制策略。

5 結(jié)論

在集裝箱型儲(chǔ)能技術(shù)向大功率、小型化發(fā)展的同時(shí)，其熱安全性與穩(wěn)定性也是當(dāng)前集裝箱型儲(chǔ)能技術(shù)的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。對(duì)集裝箱電池的溫度和濕度適應(yīng)性有科學(xué)的認(rèn)識(shí)，對(duì)現(xiàn)有集裝箱電池系統(tǒng)的熱處理方法有一定的認(rèn)識(shí)，并克服現(xiàn)有控制方法的局限性。了解熱管理的發(fā)展趨勢(shì)，以制定儲(chǔ)能系統(tǒng)在完整工作條件下的環(huán)境控制策略是非常必要的。盡管在電池?zé)峁芾矸矫?，已取得了大量的理論與試驗(yàn)結(jié)果，但是對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理的研究仍然處在一個(gè)持續(xù)發(fā)展與完善的過(guò)程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全防護(hù)與熱傳遞安全管理仍然面臨著很多挑戰(zhàn)。