液冷储能电池冷却系统的探讨.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：李陈剑（1986），男，汉族，浙江温州人，本科，高级结构工程师，现任职于浙江南都能源科技有限公司，研究方向为交直流一体化大型液冷储能系统。-68-液冷储能电池冷却系统的探讨 李陈剑 浙江南都能源科技有限公司，浙江 杭州 310000 摘要：摘要：在我国逐步的增强了经济建设工作力度以来，各个行业的发展都迈入到了新的阶段。储能电池在投入使用的过程中往往都会产生诸多的电能，所以具有较强的危险性。储能电池冷却技术对于储能电站的安全性会造成诸多的影响，并且也是现如今我国储能领域的主要研究内容。储能电池冷却技术主要涉及风冷散热和液冷散热两个方面，其中液冷系统的效果最好。这篇研究主要围绕液冷储能电池冷却系统展开深入的分析研究，希望能够对我国储能电池的良好发展有所帮助。关键词：关键词：冷却系统；液冷储能；电池 中图分类号：中图分类号：TM912 0 引言 就当前实际情况来说，储能因为具有良好实用性，所以被人们引用到了诸多领域之中，从根本上促进了节能减排、电能质量以及可再生能源利用效率的限制提高。电化学储能因为在实践中表现出了较强的稳定性、功率密度、反应灵敏、使用持续时间较长、安装灵活等特征，所以得到了大范围的运用，其在新能源的未来发展方面具有良好的前景，逐步的成为世界各个国家的重点研究对象。现如今，人们在锂电池的研究方面投入了大量的精力，从而使得锂电池朝着大功率、高比能量以及高循环寿命的方向迈进，大型锂电池模块逐步的被人们当做储能电池并且引入到了电力储能系统之中。在电力事业快速发展的过程中，储能系统的容量随之逐步的增加，这样就对电池组的热管理工作提出了更高的要求。电池组在放电的时候会形成诸多的热量，如果不能及时高效的将这些热量散发出来，那么必然会导致电池温度的提高，这样不但会导致整个系统无法得到良好的控制，并且还会加剧电池老化问题的发生。现如今，电池散热系统中使用最为频繁的技术主要为风冷和液冷，在将大规模电池组加以实践运用的时候，如果所运用的是风冷散热，那么就会导致温度无法保证良好的统一，并且会形成较大的噪声，所以还需要我们加强对液冷系统及其应用的深入研究。1 储能液冷技术应用场景 在我国储能市场快速发展的过程中，下游储能集成商和电池厂商逐渐的提高了对储能液冷技术的研究力度，从而使得大量的新产品和新技术被研发出来，通过大量的实践，液冷储能系统逐步的发展成了行业的主流发展趋势。总的来说，液冷系统适合被运用到下列场景之中：1.1 极端高温场景 极端高温场景宜用液冷系统。由于极端高温的环境中室内外温度会出现较大的温差，风冷系统的热交换效率就会有所下降，与此同时风冷系统的制冷功率也会不断的降低，无法确保能够满足项目温控的实际需要，而液冷系统能够对制冷功率加以良好的保障，为系统运行提供适合的环境。1.2 发热量较大的项目 发热量较大的项目宜用液冷系统。因为能量型储能的高容量高系统功率密度和功率型储能的高性能的需要都会造成发热量的增加。而冷却系统并不能为这种类型的环境给予温控辅助，所以适合采用液冷系统。1.3 严酷环境 海边高盐地和沙漠等恶劣的环境中适合采用液冷系统。因为风冷系统自身集成度相对较差，所运用到的零部件的数量较多，系统运行往往会受到不良因素的影响而出现故障的情况。液冷系统具有良好的高集成度的优越性，能够有效的控制故障情况的发生，所以液冷系统适合运用。2 储能系统介绍 2.1 储能系统组成 中国科技期刊数据库 工业 A-69-储能系统其实质就是指利用锂电池等设施将电能转变为化学能进行存储，并且按照要求完成电能的释放的一种电力装置，其通常都会被人们运用到新能源、分布式发电系统之中。现如今，储能技术的种类较多，依据不同技术线路主要可以分为：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。就储能系统来说，其属于专业的电力设施，其主要作用就是将交流电转变为直流电，并且利用电池将其进行存储，在后续需要的时候将储存的电池内的电能反向进行输出和利用。储能系统一般都是由交流侧、直流侧以及主控制器三大类电力设备及辅助部件组成。2.2 储能电池组 通常来说，被运用到储能系统之中的电池主要为锂离子电池、钠硫电池、铅酸电池、液流电池和钠离子电池。其中，锂离子电池最为突出的特征就是其能量密度相对较高，循环次数较多，并且转换效率相对较高，反应时间较短等，是当前在使用方面表现最为良好的一种储能电池。当代使用储能电池通常都是采用电池舱进行供货的，在场内进行统一的生产和制造，这样就可以在现场高效的进行安装，从而有效的提升项目实践工作的效率，控制成本。通常情况下，电池舱都是由多个电池族组合而成的，在电池族内会安设多种电池模块，电池模块主要是由多个电池单体组成的，通常都会结合电芯单体的容量、项目装机容量来进行合理的设置。2.3 锂离子电池的热特性 储能系统的容量得到了不断的扩展的同时，对于电池数量多需求量也在不断的增加，电池容量和功率也在逐步的提升，温度对于离子电池的容量、功率和安全性能的影响都是非常显著的，大量的电池族被放置在同一个空间之中，运行情况较为复杂，并且会出现诸多的变化，极易导致形成的热量不均衡的情况发生，温度分布也是不集中的，电池组温度就会产生一定的差别，对于上述问题如果不能有效的加以解决，那么最终就会对电池的充放性能造成诸多的损害，并且还会导致电池使用寿命的下降，对于整个系统的运行稳定性必然会形成诸多的威胁，也会导致故障发生概率的增加。总的来说，采用有效的方法来对锂离子电池的温度进行合理的控制，对于保证储能系统的运行稳定性和安全性都是非常有帮助的。温度对于离子电池容量的衰减速度会造成巨大的影响，温度较高的状态下，锂电池的容量的缩减效率就会越高。锂电池在充放电的环节中会形成诸多的热量，如果电池使用过程中所形成的巨大的热量无法及时有效的散发出来，那么热量就会在电池内大量的存积，这样就会导致电池温度的提升，在这个过程中 SEI 膜逐步的分散比过年前会产生大量的热量，电解液会受到热量的影响而蒸发，隔膜熔化，这样就会造成短路的情况，极易导致危险事故的发生，所以积极的控制的温度对于确保电池系统的运行效率和效果是非常重要的。3 液冷冷却系统原理 液冷冷却系统其实质就是利用液体当作冷却媒介，将被冷却对象的热量进行吸收，随后通过水泵循环系统来通过所设置的冷却设备来完成散热的冷却系统。换热器在这个那个冷却系统之中的作用是非常重要的，结合换热器中的液体的接触形式的差别可以分为间接冷却和直接冷却两种类型。储能电池当前都是以风冷散热为基础，但是风冷散热系统冷却效率相对较差，并且会产生严重的噪声，安全性较差，所以还需要专业人士对其进行更进一步的研究。结合相关调查研究发现，现如今很多项目所采用的都是间接冷却的储能方法，与风冷系统相对比具有较强的优越性。直接冷却其实质就是指冷却介质与被冷却对象进行直接的接触，电池的能量密度相对较高，利用直接冷却还需要对电池的安全性加以充分的考虑。间接液冷冷却系统通常都是采用的密闭式的循环模式，整个系统是由主循环泵组、换热器、控制保护系统和管道多个部分组合而成，其中循环泵组主要涉及主水泵、稳压回路、管路几个部分。密闭式液冷冷却系统运行原理为：冷却介质通过主水泵增加压力之后，通过管道进入到换热器之中，并且完成与空气的热量交换，这样就可以实现降低温度的目标，随后进入到储能电池组，将电池内所形成的热量携带出来，从而提升温度。在上述操作结束之后，冷却媒介通过脱气罐能够进入到主泵入口，这样就产生了完整的循环回路。利用密闭式的液冷冷却系统工作的原理我们可以发现，选择适合的散热器，保证散热器的经济性是冷却系统中国科技期刊数据库 工业 A-70-效果保证的重要基础。4 储能液冷系统的设计研究 4.1 空气冷却器 空气冷却器其是以空气为冷却媒介，借助空气对流来完成热量的交换，这样就能够实现降低水温的目标。空气冷却器与冷却塔相对比来说，具备良好的节约能源、控制成本、保护环境的优势。结合生产工艺的不同，空气冷却器一般可以分为穿片管束式和套片管束式两种。生产商可以结合空气冷却器的散热容、规模大小以及工艺能力来挑选使用最为适合的生产工艺。空气冷却器通常都是由风扇、电机、配电箱、水管以及其他相关配件组合而成。冷却介质在管道内移动，风机能够使得空气流送速度的提升，从而对管束进行降温，最终实现对馆内高温物质进行冷却的目的。就当下实际情况来说，空气冷却器在众多领域中都得到了大范围的运用。再加以实践运用的过程中，被冷却对象的入口介质温度相对于一般环境温度较高，因为储能电池运行温度需要进行严格的控制，所以入口介质的温度也需要保证达到规定的要求。4.2 冷却塔 闭式蒸发冷却塔当前被人们大范围的运用到了钢铁冶金、电力电子、机械加工以及空调生产等众多领域之中，并且取得了良好的效果。在闭式冷却塔的基础上产生了适合工业生产的蒸发式冷却设备，其主要作用就是结合环境空气的干湿球温度差和间接蒸发的方式来对管道内的介质的温度进行有效的控制。温度较高的冷却介质在蒸发冷却塔内的管道中流动，冷却塔丁策给你的喷淋水会均匀通过设置在塔顶的喷淋水管，在喷淋水泵的辅助下，喷洒在冷却塔的表层，大气中的冷空气通常都是从进风口进入到冷却塔之中的，并且会在风机的辅助下形成空气循环，塔内的空冷和喷洒下来的水体会反方向通过塔体管道，通过喷淋水来将管道内的冷却介质进行降温处理。蒸发冷却塔往往会遭到湿球温度的影响，整个地区的湿球温度都需要控制在既定的范围之内，储能电池的进口温度不能低于规定的标准，在极端环境下业务部要保证达到进水温度的规定。冷却塔一般对于水资源的需求量相对较大，为了对冷却塔的管道加以良好的保护，避免遭到外界不良因素的影响，还需要结合实际情况和需要来设置专门的水处理设备，但是这样就会导致系统运行成本的增加，所以在那些水资源较为匮乏的地区，冷却塔在液冷储能电池系统之中并不会加以运用。4.3 冷水机组 就当前先进的制冷技术实际情况来说，相变制冷其实质就是借助适合的物质相变的过程所存在的吸热效应，从而实现控制温度的目的。相变其实质就是指物质聚集的变化，在实践运用的过程，所挑选使用的冷却介质的不同，对于制冷的效果都是不同的，所以还需要工作人员做好前期的分析和准备工作，并且还需要结合实际需要来对液冷储能电池的介质入口的温度进行合理的控制。4.4 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 1035温度区间最佳，应尽可能使锂电池工作在这一温度区间内。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。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。5 结束语 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。中国科技期刊数据库 工业 A-71-参考文献 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