儲能液冷電池包特點及改進研究

張建府

(中國華能集團有限公司，北京 100031)

0 引言

隨著碳達峰●碳中和目標的提出和光伏風電等新能源裝機容量的快速增加，電池儲能技術(shù)的重要性愈發(fā)凸顯，將是未來推動可再生能源規(guī)模化開發(fā)和利用的重要支撐。電池儲能技術(shù)目前存在的主要安全問題是電池系統(tǒng)存在熱失控著火的風險，國內(nèi)現(xiàn)有已投用的電化學儲能電站多數(shù)采用空調(diào)冷卻方案，由于冷卻風量的分配不均和空氣比熱較小的原因，實際運行的電池儲能站中，電芯的溫差普遍較大，可達10 ℃以上，這一方面會降低電芯的循環(huán)壽命，另一方面也增加了電池熱失控的風險[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題，且具有設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，項目建設(shè)成本低等優(yōu)勢，因此采用液冷方式的電池儲能技術(shù)正逐步成為電化學儲能電站的一個重要發(fā)展方向[3-4]。

1 液冷技術(shù)優(yōu)勢

1.1 空冷技術(shù)的不足

1) 集裝箱內(nèi)溫度不均衡問題。空冷系統(tǒng)預(yù)制集裝箱體積較大，長度約為12 m。實際應(yīng)用中，由于缺乏有效的風道設(shè)計，普遍存在集裝箱內(nèi)各電池包之間溫度差較大的問題，尤其是遠離空調(diào)出風口的電池包與出風口處的電池包，溫差能夠達到10 ℃以上。

2) 集裝箱內(nèi)凝露問題。集裝箱內(nèi)空氣濕度高，存在水分冷凝問題。凝露問題在濕熱地區(qū)發(fā)生的比例較高，如國內(nèi)華南地區(qū)。集裝箱內(nèi)存在冷凝水，會給系統(tǒng)安全帶來如下影響：一是消防系統(tǒng)傳感器誤報警、失效，存在安全隱患；二是電池直流系統(tǒng)絕緣失效，引發(fā)絕緣保護動作；三是電池直流系統(tǒng)絕緣擊穿、拉弧，存在嚴重安全風險。為了控制凝露，需要長時間開啟空調(diào)系統(tǒng)進行干燥，這大幅增加了自身廠用電消耗。

3) 電池包防護等級低。風冷電池系統(tǒng)，需要通過電池包上的風扇帶動冷卻風流動，電池包的防護等級僅為IP 20，在西北風沙大的地區(qū)，風沙侵入，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

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)的導熱系數(shù)大幅提升，因此電池包可以設(shè)計得更為緊湊，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 ℃以內(nèi)，可以提升電池使用壽命。

2) 設(shè)備封閉性好，防護等級高，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，能夠達到IP 67 的防護等級，集裝箱普遍達到IP 55 防護等級，能有效抵御風沙侵入，提高設(shè)備使用壽命。

3) 電氣與電池分隔設(shè)計，電氣安全性提升。不存在凝露問題，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)熱失控對應(yīng)電池簇的精準、定向主動水循環(huán)降溫?？梢酝ㄟ^控制不同電池簇的冷卻液流量和溫度，實現(xiàn)對單一電池簇、電池包進行冷卻。2023-03-29，寧德時代公司在中國儲能大會報告中，展示了其開展的相關(guān)試驗，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)開啟1 800 s，電芯溫度比未開啟水循環(huán)降低約50 ℃。

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

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

2 現(xiàn)有液冷電池包問題分析

經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)主要的儲能電池設(shè)備生產(chǎn)廠家目前已商用的電池包液冷方式普遍采用簡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)計一個冷卻液底板，內(nèi)部可以設(shè)計不同的液體流道，底板上部直接接觸電芯底部，縫隙之間為導熱膠。此種大底液冷板主要采用鋁材作為導熱金屬，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)計制造簡單，造價低，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熱金屬板，受導熱溫度梯度的影響，電芯上部無法很好地進行換熱，導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 進行了電池包熱仿真，1 C 放電工況放電結(jié)束時，電池系統(tǒng)電芯間最大溫差可達到9 ℃，主要體現(xiàn)在電芯最底部與電芯最上部之間的溫差。

3 方案改進分析

3.1 優(yōu)化電池包液冷方案設(shè)計

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) 采用浸沒冷卻箱方式。如圖2 所示，制作一個電池插箱，在底部箱體里充入冷卻液，液冷箱設(shè)計多個插槽，電芯放置于插槽中，邊緣可用密封膠進行密封，確保冷卻液不會從縫隙泄露。此種設(shè)計，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；缺點是電池包設(shè)備比較大，空間利用率不足。

圖2 浸沒冷卻箱設(shè)計模型

2) 采用液冷大底板加電芯間隔板方式。此設(shè)計方案是在原有的液冷大底板基礎(chǔ)上進行的改進。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熱金屬板，側(cè)面也能夠接觸到導熱金屬板，有助于提升換熱效果，且對于空間的利用率較高，對現(xiàn)有設(shè)計改造小，成本增加小，性價比較高。

3) 采用蛇形管布置方式。如圖3 所示，設(shè)計蛇形冷卻流道，包裹住電芯四周，可以實現(xiàn)對電芯三個側(cè)面進行冷卻，相比單純的液冷大底板，此種設(shè)計，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

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)用場景的需要，對換熱材質(zhì)和冷卻工質(zhì)進行優(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)，銅的導熱系數(shù)相比鋁更高，有助于提升換熱效果。同時，對于冷卻工質(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)計大容量電站集中式冷水機組

集中式冷水機組方案，如圖4 所示。以整個儲能電站為對象設(shè)計電站的集中液冷系統(tǒng)，采用壓縮冷水機組及閉式水循環(huán)組合成集中式液冷換熱系統(tǒng)，可通過調(diào)節(jié)閉式水溫度和進入每個集裝箱的閉冷水流量的方式達到穩(wěn)定控制電池模塊溫度的目的。實際應(yīng)用中，可根據(jù)儲能電站的容量規(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，具有投資運維成本低，換熱效率高，運行調(diào)節(jié)方便靈活，設(shè)備可靠性行高、壽命長，維護工作量少等優(yōu)勢。

圖4 集中式閉式水循環(huán)系統(tǒng)

3.4 考慮消防功能

進行電池冷卻方案設(shè)計時，可以綜合考慮其消防功能。當單個電芯發(fā)生熱失控時，系統(tǒng)檢測到相關(guān)信號后，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，控制其對相鄰電池包的影響，避免事故擴大[6]。

3.5 優(yōu)化溫度測點布局和設(shè)計充放電控制算法

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點作為電芯的溫度，則電芯下部實際溫度將低于電池包測點溫度，在低溫充電階段，容易發(fā)生充電電流過大的情況，影響電芯使用壽命。因此，一方面可以優(yōu)化溫度測點布置，在電芯上下部均設(shè)計布置溫度測點，使得系統(tǒng)采集的溫度更好地代表電芯本體的實際溫度分布；另一方面針對目前的電池冷卻方式，可以進一步優(yōu)化充放電控制算法，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，獲得底部溫度與上部溫度的偏差曲線，在充放電過程中，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

通過分析液冷電池包的特點與不足，通過CFD 技術(shù)對液冷電池包進行模擬，結(jié)果顯示電芯本體上下溫差較大。針對此問題，提出了三種液冷電池包改進方案，有助于提升電芯冷卻效果及電芯溫度均勻性。為提高大容量儲能電站的經(jīng)濟性，可以設(shè)計集中式冷水機組，以充分利用規(guī)?；党杀镜膬?yōu)勢。同時，為進一步提高預(yù)制艙的安全性，可以在冷卻系統(tǒng)設(shè)計中考慮消防功能，并進一步優(yōu)化電池包內(nèi)溫度測點布局，優(yōu)化充放電控制算法。