匹配条件异常下集装箱式储能SSB蓄电池新型混合冷却系统性能的现场研究

2026-06-08 21:30:38

传统集装箱式电池储能电站的液冷体系无法有用运用天然冷源且温度均匀性较差。为解决这些问题，本研讨开发了一种具有三种运转形式的新式混合液冷体系，并选用双相冷却板规划。为调查其适用性与功能，设置了非匹配工况并展开全年现场测试。经过研讨要害功能指标（包括冷却体系特性与电池温度波动参数，即配备能耗、配备启停状况、供液温度、管路压力及电池温度均匀性），剖析了节能效果与热办理功能。研讨结果表明：混合冷却体系对室外温度变化体现出优异的适应性。当室外温度为10°C时，最大能效比（EER）可达11。在供液温度为25∼28°C的条件下，天然冷却相较于机械冷却更能有用坚持电池温度均匀性。当室外温度降至20°C时，该体系仍可选用22∼25°C供液温度的自由冷却形式。该冷却体系在不同室外温度工况下持续充放电过程中，可坚持最大4°C的温差。简而言之，该新式体系能充分运用天然冷源，并经过两相液冷体系在失配工况下仍坚持电芯温度均匀性。

导言

大规划集装箱式锂离子电池储能体系（LIBESSs）因其高能量密度、快速响应、成本下降以及强壮的环境适应性[1]，在能源办理体系中发挥着重要作用。该体系在工程范畴具有多样化运用，包括接入可再生能源进行削峰填谷、为不间断电源供给备用电力，以及协助安稳城市微电网。近年来，因为可再生能源的大幅添加，LIBESSs正面对需求激增的局面。与此同时，LIBESSs正朝着紧凑化规划、更大规划和更高电池充放电速率的方向开展。
电池热办理体系至关重要，它直接影响高密度锂离子电池储能体系（LIBESSs）的储能功率、运用寿命及全体安全性。首要，大规划LIBESSs一般用于在用电高峰期为建筑物供电，因而有必要下降其运转功耗以完成电池热办理。该能耗首要来源于充放电损耗、冷却体系能耗以及直流电与交流电的转化损耗。其中，冷却体系会使整个储能体系的功率下降3%–5%。此外，将电池坚持在25°C–40°C的可接受温度范围内是一项首要任务[[2], [3], [4]]。关于大规划集装箱式锂离子电池储能体系（LIBESSs），冷却体系需坚持电池温度均匀性。因为"短板效应"，电池温度不一致会导致充放电不完全，然后下降整个体系的能效[5]。因而，为高密度集装箱式LIBESSs开发高效冷却体系至关重要。该冷却体系可以经过采取适当改善和动作（Action），提高能效比（EER）并坚持电池温度均匀性[6]。
集装箱式锂离子电池储能体系（LIBESS）的传统冷却体系一般依靠紧缩机运转，导致能耗明显[7]。为下降能耗，研讨要点集中于优化风冷与液冷体系[[8], [9], [10]]。针对风冷体系，很多研讨经过模仿手法优化气流散布与通风口布局[7,11,12]。Zhu等[11]选用数值模仿办法，研讨了不同送风角度对1540 kWh集装箱式储能电池体系内部传热特性的影响。研讨发现，调整送风角度与回风口方位可使电池表面最高温度下降16.47%，并将平均温差降至3.0°C。因为液冷技能在冷却速度与结构紧凑性方面的优势，其正逐渐替代风冷技能，成为高密度集装箱式LIBESS的主流计划[[13], [14], [15]]。
在液冷体系的研讨中，大都文献集中于优化冷板结构与运转参数的探究[[16], [17], [18]]。例如Guo等[16]经过模仿剖析了100 kW/500 kWh储能体系在不同冷却液流速与环境温度下的温度场及均匀性特性，模仿数据表明环境温度与冷却液流速对锂离子电池储能体系热行为具有明显影响。Chen等[19]选用具有高效散热和低成本特性的roll-bond液冷板，对串联的两个100Ah锂离子电池进行了热办理剖析。乙二醇与水的50/50混合溶液是最常用的液冷工质，但单相冷却剂固有的温升特性易导致电池单体间出现温度散布不均现象[20]。此外，单相液冷体系存在凝露与液体泄漏的潜在危险，这会大幅添加电池组的安全隐患[7,8]。近年来，得益于高效传热功能、卓越温控才能及更高安全性，两相液冷技能在电动汽车和数据中心范畴受到广泛关注[[21], [22], [23]]。这些研讨的一起局限在于首要聚集于优化冷却体系终端，而疏忽了全体冷却体系[19,24,25]。关于很多储能电池而言，冷却体系运转参数（如配备启停状况、供液温度等）的变化会影响体系能耗与电池温度均匀性。大都研讨根据单体电池或电池模块标准的模仿展开[16,19,26]，或许疏忽了冷却体系的实践能耗、电池全体温度均匀性以及怎么有用运用冷却体系天然冷源等问题[7,11,16]。针对大规划锂离子电池储能体系，现在仍缺少足量现场实验数据来验证冷却体系对能耗与电池温度均匀性的影响。
此外，天然冷源作为一种低成本、环境友好的冷却办法，在适合气候条件下能明显缩短紧缩机运转时间或下降读档率以完成节能[6]，现在已在数据中心和通讯基站得到广泛运用[22,27,28]。前期研讨提出直接运用室外冷空气的天然冷却计划或泵驱动环路热管体系来运用天然冷源[[29], [30], [31]]，但这些办法无法全年供给满意散热需求的适合冷却才能。针对天然冷却的混合冷却体系亦被研讨[32]，其可分为三类。第一类是经过配备阀门的管道并联衔接的紧缩机体系。这类体系供给两种运转形式，包括机械制冷与天然冷却，但无法完成混合冷却，这限制了其在过渡季节的节能潜力[27]。第二类是在机械紧缩制冷循环中增设天然冷却用换热器的体系。这些额外的换热器可与机械紧缩制冷循环的蒸发器选用串联或并联办法衔接。为克服天然冷却回路中较高的流动阻力，一般需在回路中增设制冷剂泵[[32], [33], [34]]。此类冷却体系可完成三种运转形式：机械制冷形式、天然冷却形式及混合冷却形式。但是，对各换热器内流量的办理与猜测仍存在技能难点[21]。第三类混合冷却体系的特征在于具有两条独立回路。例如，部分研讨选用三流体换热器耦合机械紧缩制冷循环与天然冷却回路，但三流体换热器的优化仍是要害问题[35]。现有关于数据中心和5G通讯基站运用天然冷源的冷却技能文献无法直接适用于大规划锂离子电池储能体系。与数据中心和通讯基站不同，锂离子电池储能体系因包括数百甚至数千个电池单体，会在有限空间内产生很多热量。这些电池单元对温度均匀性有严格要求，以防止热失控并提高储能功率。在低能耗条件下坚持温度均匀性是一项严重挑战[12,36]。但是，从前研讨没有探讨怎么充分运用天然冷源为集装箱式锂离子电池储能体系构建节能冷却计划。
大大都实验研讨在额外实验环境或运用模仿电池条件下进行，这与实践运用场景存在明显差异[2,7,12,16]。%%传统机械制冷体系按照最大负荷需求配置容量，极易导致体系容量冗余[37]。过大的容量规划使其难以满意实践低负荷需求，从而引发体系不安稳现象[37,38]，冬天工况下尤为明显。%%因而，在非匹配工况下展开全面实验对新式体系研发至关重要。若新式冷却体系在预设劣化条件下仍能坚持更优功能，则可保证其在额外工况下具有更好的适用性与运转体现[20]。
本文提出一种针对高密度锂离子电池储能体系(LIBESS)的新式冷却办法。本工作的首要立异点包括：1)开发了一种集成双相冷板(终端配备部件)的新式混合冷却体系，该体系具有三种不同运转形式。该冷却体系能充分运用天然冷源完成节能，并在低能耗需求条件下提高大规划集装箱式LIBESS的温度均匀性；2)根据实地调研探究实践运转特性，以更好地评价体系适用性。经过人为设置失配运转工况来模仿极点失配条件，并展开现场测试以评价不同室外温度与运转形式下的体系功能；3) 因为传统机械紧缩式冷却体系在室外低温条件下功能不佳，本研讨经过丈量并比照天然冷却形式与机械冷却形式下冬天电池温度均匀性及能耗体现，以评价天然冷却源在锂离子电池储能体系（LIBESSs）运用范畴的可行性。