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液冷热管理系统由液冷板、液冷机组、液冷管路、高低压线束和冷却液组成,关于液冷漏液的问题,采取以下措施。第一,液冷接头采用车规级的防漏液冷却管道快插接头,可以保证在储能系统运行时,漏液的风险降到最低。第二,在液冷机组膨胀水箱设置液位传感器,如果有漏液现象发生,液冷机组会报警。第三,电池包设计的防护等级为IP67,保证漏液时对系统无影响,电池包的液冷板是铝合金压铸一体成型,集成了底座和液冷板的功能,其中,液冷板和密封盖板采用搅拌摩擦焊连接;同时,液冷板也会做气密性检测,保证液冷板密封性能良好。电池包液冷板采用“蛇形”流道,冷却液采用质量分数 50%水+质量分数 50% 乙二醇,液冷系统通过一定的热管理策略,使得冷却液流经液冷板时,对电池包进行制冷或制热。液冷机组具备制冷、制热以及除湿功能,液冷机组热管理系统的策略和工作模式紧密相关。文中,Tmax指电池最高温度;Tvag指电池平均温度;Tmin指电池最低温度。当 Tmax≥28 ℃、Tvag≥25 ℃时,液冷机组进入制冷模式,压缩机开启,高温高压的制冷剂从压缩机中排出,进入冷凝器冷凝,放热降温后,通过膨胀阀进行节流降压,然后进入蒸发器,并与冷却液进行换热,制冷剂在蒸发器中吸热蒸发后流回压缩机吸气口,完成一个制冷循环。此时,水路中的水泵开启,PTC加热器不开启,冷却液在板式蒸发器中冷却后进入电池包液冷板,对电池进行冷却,将热量带出,从而达到冷却电池的目的。当 Tmax≤25 ℃ 、Tvag≤22 ℃时,停止制冷模式。当 Tmin≤12 ℃、Tvag≤15 ℃时,液冷机组进入制热模式,压缩机处于关闭状态,水泵、PTC 加热器开启,冷却液经过PTC加热器加热后,进入电池冷板,加热电池。此模式适用于电池温度过低时,需要对电池进行加热的情况。当 Tmin≥20 ℃、Tvag≥23 ℃时,停止制热模式。当进水口温度≤12 ℃,液冷机组进入自循环模式,压缩机、风机、PTC加热器关闭,水泵开启,使冷却液在电池冷板和机组中周而复始地循环流动,将电池包中的热量带出。当集装箱内湿度高于对应温度下的露点温度时,液冷机组开启除湿模式。
储能集装箱采用外维护模式,储能系统共有 8簇,其中,4 簇并排在一起,另外 4 簇与之背靠背布置,储能系统的液冷回路采用并联方式,但相邻两个电池包采用串联方式,各支路采用流量计独立监控,保证各个电池包冷却液的流速和流量均衡。集装箱内一些主要的热负荷为电芯发热功率P、电芯温升吸热Q,单体电芯在不同倍率下的充电或放电功率可用式(1)表示。
P0=I2×R×1.2
(1)式中:I为电芯容量;R为电芯直流电阻。储能系统设定的充放电倍率为 0.5C,电芯 LF280K 在0.5C充电的发热功率平均值为12.5 W,放电的发热功率平均值为9.5 W。储能系统的总电芯数量为 n,整个储能系统有3 072块LF280K电芯。电芯总发热功率(0.5C 充电)为 P=n×P0=12.5×3 072=38 400 W。设置电芯的最大温升 ΔT=10 ℃,电芯的质量m=5.42×3 072=16 650.24 kg,电芯温升发热量可用式(2)表示。
Q=CmΔT
(2)式中:C 为电池比热容,kJ/(kg·℃),一般取1.055代入得Q=175 660.03kJ。电池本体吸收热功率P1=Q/t,充放电 2 h,则 t=7 200s,P1=24 397 W。液冷机组的制冷负荷P2>(P-P1 )·k,其中,k 为安全系数,一般取1.2~1.5,P2=19.6 kW,所以制冷功率设定为20 kW。
因为锂离子电池的工作温度为-20~50 ℃,充电温度为 0~50 ℃,所以若锂电池在零下低温环境中重新开始工作,就需要先预热一段时间,将电芯温度提升到 0 ℃及以上。假定环境温度为-30 ℃,电池吸收的热量为 Q1=CmΔT1,其中ΔT1=-30 ℃,电池吸收的热量为 Q1=526980.09kJ,电池的吸热功率为 P2=Q1/t1,其中,t1=12h,P2=12.2kW,所以制热功率设定为 14 kW。液冷机组为非标定制化设计,将其制热制冷功率参数确定下来,然后在试验中检验其性能。
液冷集装箱储能系统在环境温度为 25 ℃的情况下进行 0.5C 充电测试,由 BMS 记录各电池包的温度变化情况。充电结束时,电池包内电芯表面温度小于 35 ℃,其温升小于 10 ℃,在整个充电过程中,监测点最低温度为32.5 ℃,最高温度为34.8 ℃,其温差小于2.3 ℃,如图2所示。由图试验结果可以看出,液冷集装箱的温升远小于风冷集装箱的温差,一般风冷集装箱的温差达到5~8 ℃,能较好地促进整个储能系统的温度一致性,延长系统运行寿命。
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