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20尺儲能模塊液冷系統(tǒng)熱管理設計
來源: | 作者:港菱機構 | 發(fā)布時間: 325天前 | 373 次瀏覽 | 分享到:
本文以20尺儲能系統(tǒng)為例簡述了液冷系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)的設計方案。

       本文以20尺儲能系統(tǒng)為例簡述了液冷系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)的設計方案。

      電芯采用億緯鋰能方形鋁殼磷酸鐵鋰 LF280K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LF280K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2.75 MW·h,額定電壓為1 228.8 V。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。


01
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(zhì)量分數(shù) 50%水+質(zhì)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(nèi)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。


02
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(nèi)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(zhì)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。


03
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(nèi)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。


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