液冷储能电池冷却系统的研究

摘 要:当前储能电池的冷却以风冷散热为主,但风冷散热存在电池组散热效率低、系统噪声大、产品环境适应性差等问题,给储能系统的推广应用带来了挑战。液冷系统具有换热系数高、比热容大、冷却速度快等优点,可将储能电池组温升控制在更小范围内,有助于延长电池组的循环寿命。因此,更高效的储能液冷冷却系统成了工程技术人员争相研究的新课题。通过研究锂离子电池的温度特性、冷却系统原理、不同冷却设备的特点等,提出了一种液冷储能电池冷却系统方案,为储能电池的液冷冷却提供借鉴。

0 引言

储能在电源侧、电网侧、用户侧、集中式可再生能源并网、辅助服务等领域均得到了大量应用,对节能减排、可靠性提高、电能质量改善、可再生能源渗透率提升和收益增值等具有重要的实际意义[1]。电化学储能因具有高能量和功率密度、快速响应、高可靠性、长寿命、安装灵活等特点而易实现大规模应用,在新能源利用领域具有广阔的应用前景,已成为全球不同国家的研究热点和未来重点发展方向[2-3]。

当前,锂蓄电池正朝着大功率、高比能量和高循环寿命方向迅速发展,大型锂电池模块已经作为储能电池进入了电力储能系统[4]。随着储能系统容量的增大,电池组热管理需求更加迫切。电池组在充放电过程中会产生大量热量,如不能有效散热,会导致电池温度不断升高,一方面可能造成整个系统的热失控,另一方面也会加速电池老化,缩短电池寿命[5]。目前,电池散热系统常用的技术有风冷、液冷和相变材料冷却等[6-7]。大规模电池组应用时,若采用风冷散热,则存在温度一致性差、噪声大且环境适应性差等问题,因此更高效的液冷系统及其应用就成了工程技术人员研究的热点。

1 储能系统介绍

1.1 储能系统组成

储能系统是指使用锂电池等将电能转化成化学能储存并能按要求释放电能的一种电力装置,主要应用在新能源、分布式发电等系统。目前,储能的技术类型有多种,按不同技术路线分为抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能、超级电容器、飞轮储能和超导储能等[8]。本文主要研究电化学储能系统,以下介绍的储能系统均指电化学储能系统。

储能系统是一套完整的电力设备,它将交流电转换为直流电储存在电池内部,当需要时再将储存在电池内的电反向输出供使用。储能系统典型拓扑如图1所示,储能系统由交流侧、直流侧以及主控制器三大类电力设备及辅助部件组成。交流侧设备一般包括 PCS换流器、进线开关设备、升压变压器、交流配电系统、通信柜、电缆等;直流侧设备一般包括储能电池组、BMS系统、直流汇流控制柜、功率转换系统、消防系统和电缆等。

1.2 储能电池组

用于储能系统的电池主要有锂离子电池、钠硫电池、铅酸电池、液流电池和钠离子电池[9]。其中,锂离子电池具有能量密度高、循环次数多、转换效率高、响应速度快等优点,是目前综合性能最优的一种储能电池[10]。当前应用的储能电池大多以电池舱供货,厂内制造集成,方便现场快速安装,同时缩短项目周期和土建费用。一般电池舱由多个电池簇组成,电池簇又由多个电池模块组成,而电池模块又由多个电池单体组成。一般根据电芯单体容量、项目装机容量,综合考虑电池电芯、电池模块、电池簇的数量,最终组成电池舱。电池舱的组成如图2所示。

1.3 锂离子电池的热特性

储能系统随着容量的增加,需要的电池数量更多,电池容量和功率也更大。温度对锂离子电池的容量、功率和安全性等性能影响巨大。大量的电池组紧密地排列在一个空间内,运行工况复杂多变,时而高倍率运行,时而低倍率运行,很容易造成产热不均匀、温度分布不均匀、电池组温差较大的问题,长此以往,必然会导致部分电池的充放电性能、容量和寿命等下降,从而影响整个系统稳定工作,严重时更会引发热失控,造成事故[9]。

综上所述,有效控制锂离子电池的温度,是储能系统安全稳定运行的前提。温度对锂离子电池容量的衰减速度有非常重要的影响。温度越高,锂离子电池的容量衰减越快。Ehrlich等分别在21℃和45℃下对锰酸锂电池进行了500次1C 倍 率 充 放 电 循 环,发 现 电 池 容 量 衰 减 分 别 为28%和51%[9-10]。锂 离 子 电 池 在 充 放 电 过 程 中 会 产 生 热能,当电池工作产生的热量无法及时散出时,热量就会在电池内聚集形成高温。随着温度的升高,SEI膜分解并放热,电解液吸热蒸发,隔膜融化,从而发生短路,严重时会引起燃烧、爆炸等安全问题。因此,保证电池系统工作在可控的温度范围内至关重要。

2 液冷冷却系统原理

液冷冷却系统以液体作为冷却媒质,吸入被冷却对象的热量,然后经水泵循环通过不同的冷却设备进行散热的冷却系统。换热器是冷却系统中最关键的设备,按换热器中液体的接触方式可分为间接冷却和直接冷却两种。储能电池当前主要以风冷散热为主,但风冷散热系统冷却效率低、噪声大、防护等级低,因此行业内已开始向液冷储能方面开展探索应用。据报道,已有不少项目采用间接冷却(即冷板式冷却)的储能投入运行,且相比风冷系统有一定的优势。直接冷却是指将冷却介质与被冷却对象直接接触,而电池的能量密度高,采用直接冷却必须考虑电池安全性问题。目前针对储能电池的安全性冷却介质未见应用报道。

间接液冷冷却系统一般采用密闭式循环的方式,由主循环泵组、换热器、控制保护系统和管道等组成。其中,主循环泵组包括主水泵、稳压回路、管路;换热器一般为空气冷却器、冷却塔、冷水机组等一种或多种设备。密闭式液冷冷却系统工作原理如图3所示,冷却媒质 (纯水或水与防冻液混合物)经主水泵增压后,通过管道进入换热器 (空气冷却器、冷却塔、冷水机组),与空气进行热量交换从而降低温度,再流入储能电池组,带出电池组所产生的热量而升温,升温后的冷却媒质经过脱气罐回到主水泵入口,形成一个密闭式循环回路,如此连续往复运行。

通过密闭式液冷冷却系统工作原理可以得知,选择满足散热需求且经济的换热器设备是冷却系统的关键。

3.1 空气冷却器

空气冷却器以空气为冷却媒质,利用空气对流来实现热量交换,从而达到降低水温的目的。空气冷却器与冷却塔相比,具有节约水资源、节省维护成本、降低环境破坏和污染等优点[11]。根据不同的生产工艺,空气冷却器分为穿片管束式和套片管束式两种。制造商根据空气冷却器散热容量、体积大小以及工艺能力来选择相应的生产工艺。空气冷却器由风扇、电机、配电箱、汇集水管、钢结构和其他附件组成。热的冷却媒质在管束内流动,风机带动空气流动并吹过管束,使得管束内高温介质得到冷却。截至目前,空气冷却器已在不同行业中广泛应用。在应用时,被冷却对象的入口介质温度相比极端环境温度要高,一般高5 ℃时最经济。受限于储能电池运行温度不高于35 ℃ (电芯厂商提供)的需求,入口介质温度一般控制在低于25 ℃。也就是说,对于环境温度高于20 ℃的地区,采用空气冷却器不能满足储能电池的温度要求,即不能选用该设备。

3.2 冷却塔

闭式蒸发冷却塔近几年在钢铁冶金、电力电子、机械加工、空调系统等行业得到了广泛应用[12]。闭式冷却塔衍生自工业用蒸发式冷却器,它利用环境空气的干湿球温度差和间接蒸发的方式降低盘管内介质温度。热的冷却媒质在蒸发冷却塔盘管内流过,冷却塔顶部喷淋水均匀流过布置在塔顶的喷淋水管,在喷淋水泵的驱动下喷洒在冷却塔盘管的表面,大气中的冷空气由塔体的进风口流入塔内,并在风机的驱动下形成空气循环,塔内的空冷与喷洒下来的喷淋水呈反方向流过塔体盘管,通过喷淋水吸热和风机的驱动冷却降低盘管中冷却媒质温度。

蒸发冷却塔主要受湿球温度影响,地区湿球温度一般低于28 ℃,储能电池进口温度低于25 ℃,在极端环境下也不能满足进水温度要求。冷却塔还会消耗大量的水资源,为保护冷却塔盘管不被腐蚀,还需设计符合要求的水处理设备,导致系统更复杂且成本增加。基于以上原因,在缺乏水资源和高湿球温度的地区,冷却塔在液冷储能电池系统中的应用受到限制。

3.3 冷水机组

在现代制冷技术中,相变制冷是利用某种物质相变时的吸热效应,达到降低温度的效果[13]。相变是指物质集聚的变化,例如冰变成水。冷水机组就是利用制冷 剂 (即R134a、R407c等环保冷媒)的相变实现制冷的常用设备。选择不同的冷媒可以实现更低的制冷温度,如 R134a温度范围为60~10 ℃,完全可以满足液冷储能电池的介质入口温度。

本文以风冷冷水机组为例介绍制冷循环过程。冷水机组主要包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、控制箱、蒸发器、连接管道等部件,构成一个密闭的循环系统。其工作原理为低温低压液态的制冷剂进入蒸发器,吸收被冷却物的热量后变成低温低压气态的制冷剂再进入压缩机,经过压缩机变高温高压气态的制冷剂进入冷凝器,高温高压蒸汽通过冷凝器向大气释放热,同时制冷剂变成低温高压的液体,最后经膨胀阀节流后回到蒸发器,如此周而复始地循环,实现制冷过程,如图4所示。

3.4 电池液冷冷却系统设计

有研究表明,锂离子电化学电池的特性在10~35 ℃温度区间最佳,应尽可能使锂电池工作在这一温度区间内[9,14]。这就要求间接冷却的冷却液温度低于35℃,行业内一般控制进水温度在25 ℃左右,又由于项目地的极端环境温度一般高于35 ℃,因此给液冷冷却系统的换热设备选型带来了制约。外冷设备的选型受限于项目环境温度、设备入口温度、项目地水源条件等因素,典型散热设备技术特点见表1。

通过对比散热设备特点可以发现,在液冷储能系统中,只有冷水机组能够适应更广泛的环境条件,满足储能电池适宜的工作温度条件,因此选用冷水机组作为散热设备最适宜,将会使电池均温性更好,温差相比于 风 冷 更优,但是冷水机组也有弊端,即耗电量较高。通过研究液冷储能电池的热特性、冷却系统工作原理以及散热设备的特点,笔者发明了一种应用于液冷储能电池的冷却系统(专利号:202221420453.6),如图5所示。

4 结语

本文通过研究储能系统的组成、液冷冷却系统的工作原理、散热设备的特点,分析常用的散热设备空冷器、冷却塔、冷水机组的特点,结合液冷储能电池的工作温度,选择更适宜液冷储能电池的冷却设备,并在最后给出了一套适用于液冷储能电池冷却系统的解决方案,为液冷储能电池的冷却提供参考。值得注意的是,该冷水机组在制冷时会消耗一定的电能,在后续的实际应用中,还需要根据项目环境条件、电池工作需求、水资源情况,综合考虑冷却系统设计,实现节约用电,降低项目总耗电量和总投入成本。

本文标题：液冷储能电池冷却系统的研究

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