储能两相冷板液冷系统的温控效果研究.docx

储能两相冷板液冷系统的温控效果研究

长期处于高温与大温差将会损坏电池性能与寿命,而现有的电池储能冷却系统普遍存在冷却效率低?冷热气流组织紊乱以及漏液风险等问题?针对以上不足,本文研发了应用于大型集装箱储能的新型两相冷板液冷系统,并在湖南省湘潭市某一储能电站对其温控效果进行现场实测?首先分析了两相冷板在整个充?放电过程中对全舱与各电池箱的电池温度和温度一致性的控制效果,其次揭示了充?放电过程结束后的静置期间电池温度变化规律?研究结果表明,两相冷板液冷系统在整个充放电过程中能够有效降低电池的温升,并将全舱电池的最大温差从传统液冷系统的4.17℃降低至3℃以内,提高了电池温度的一致性;在同等充?放电条件下,充电时电池散发的热量高于放电时电池散发的热量;无冷却情况下,静置阶段储能电站内部电池会出现80分钟及更长时间持续高温的现象?

在双碳的大背景下,可再生能源和储能系统的部署量近年来增长迅速?据统计,截至2022年底,中国已投运的新型储能累计装机规模达到13.1GW/27.1GWh,功率规模年增长率达128%,能量规模年增长率达141%?其中,锂离子电池储能具有能量和功率密度高?循环寿命长?自放电低等优点,其累计装机规模占比高达94%?然而,在集装箱式储能电站中,数量庞大的电池的性能?安全性和寿命受其温度的影响:温度过低会降低电池容量,温度过高会减少电池寿命甚至导致热失控?

锂离子电池的最佳推荐温度范围为25℃至40℃?当多个锂离子电池串联或并联组成电池组时,电池间的最大温差不应超过5℃?随着储能需求的不断增加,其热流密度也在不断增加,集装箱式储能电站的高效热管理系统日益重要?目前,电池常用的热管理系统主要包括风冷和液冷?风冷热管理系统因结构简单?成本低等而被广泛应用,但存在冷热气流组织紊乱?冷却效率低等缺陷?相比之下,液冷热管理系统具有较高的传热系数,能够提高电池组的均温性?Wang等人对动力电池液冷冷板进行流向布局优化,可以将电池温度控制在35.74℃内,温差控制在4.17℃以内?郑海等人研究了底部液冷热管理系统中冷却液温度对电池组最大温差的影响,结果表明冷却液温度过低或与环境温差差值越大时,会导致电池组间温度一致性下降?陈雅等人设计了一种蛇形液冷板,研究发现该液冷板在冷却液流速大于0.4m/s后能够将电池最大温差维持在4.5℃左右?然而,传统液冷系统通常采用乙二醇水溶液等单相工质,电池组间温差大?冷却液泄漏风险与结露等问题会导致电池腐蚀或热失控?而在两相液冷系统中,冷却工质利用相变潜热,能够使得输送管道中工质的进?出口温度保持一致,进一步提高电池组的均温性;假如发生泄露也会瞬间汽化,保证电池的安全性?近年来,两相液冷系统因其换热效率高?无漏液风险备受学者关注?

Sun等人提出了一种运用于数据中心机架级的两相制冷剂系统,实现了按需冷却,年平均COP达到7.81?Hou等人将紧凑型两相冷却系统应用于高热通量芯片热管理并进行了实验研究,其散热能力达到了380W/cm2以上?芯片温度保持在90℃?Hong等人对直接使用两相制冷剂与使用传统乙二醇水溶液两种不同冷却工质对动力电池的影响进行了比较,相比乙二醇水溶液冷却,制冷剂冷却使冷却模块重量减轻56%,在恶劣环境下能够更好地控制电池温度并且延缓电池老化?迄今为止,国内外关于两相液冷系统的研究主要集中于数据中心?芯片及动力电池的领域,很少涉及储能电站的冷却应用?对于储能电站冷却系统的研究,主要以风冷为主且采用模拟仿真居多?Yang等人以14个电池箱组成的储能集装箱为研究对象,研究对比不同风机控制策略下储能电站内部的风冷热管理系统的气流组织?Huang等人利用机器学习算法探究冷却空气对储能电站电池温度分布的影响并预测电池模块在不同进风条件下的安全性?邹燚涛等人提出了“主风道+立管”形式的均匀送风方案,并基于CFD技术对集装箱式储能系统内部进行全通道的流场特性分析与结构优化?结合以上和作者最大知识范围内,目前关于液冷储能电站的温度分布与均温性的现场实验研究还未曾有相关报道,两相冷板液冷系统实验研究将揭示不同条件下的大型储能系统冷却效果和电池均温性?因此,本文开发了一种新型应用于集装箱式储能的两相冷板液冷热管理系统,并现场实验测试其充电?放电与静置过程中的不同电池温度变化差异,对其热管理效果进行分析,研究结果表明,该系统可以显著提升冷却效果和电池的均温性?

1、实验设置

气候描述

湘潭市地处夏热冬冷地区,位于东经111°58′—113°05′,北纬27°20′55″—28°05′40″?实验期间的室外气象条件如图1所示?室外最高?最低和平均气温分别为28.6℃?22.8℃和26.5℃,平均湿度为53.58%?

系统介绍

本文建立了一种基于两相冷板的储能电站热管理系统,并对其热管理性能进行了分析?整