储能大趋势—储能集装箱【液冷】系统方案

摘 要：介绍了储能行业发展的政策与前景，以液冷集装箱式储能系统为例，对储能系统、储能热管理系统和储能消防系统进行设计开发研究，阐述了液冷机组的设计选型，从理论和工程实践验证了液冷集装箱储能系统的优越性。液冷储能系统最大限度地提高了能量密度，相比于风冷储能系统，其成本和性价比更具优势。储能系统以0.5C运行时，热管理系统可以保证电池工作环境在最佳温度范围内。

0 引言

2022 年 2 月，国家发展改革委、国家能源局印发《“十四五”新型储能发展实施方案》，明确了新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备，到 2025 年，新型储能规模化发展，到 2030 年，新型储能全面市场化发展。国家出台了一系列政策，储能行业迎来了发展的良机。我国储能市场将由百 MW/MWh 级时代步入 GW/GWh 级时代，大规模、大容量的储能将广泛有序地应用于新型电力系统的发电侧、电网侧、用户侧各环节，有力地推进我国实现“碳达峰、碳中和”的国家战略目标。

从 2019 年开始，现在已经有 40 多所高校开设储能科学与工程本科专业，为我国储能事业提供人才支撑。我国也相应发布了一系列标准，如GB/T 36276—2018、GB 51048—2014等，在锂电池、电池管理系统（BMS）、变流器（PCS）、消防安全以及系统各方面都有涉及，国际上也发布了一些储能系统通用认证标准，如UL 1642、UL 1973、UL 9540、UL 9540A、UN 38.3等。从政策、人才储备、标准规范以及整个社会的发展趋势来看，储能行业是继互联网行业之后的另一个风口，必将在未来几年内迎来爆发式发展。本研究从储能方案的选择、储能系统的设计、储能热管理系统和储能消防系统的设计，对新的储能系统进行设计开发研究，可为储能系统的发展提供依据。

1储能方案的选择

目前，技术成熟度较高、应用较为广泛的储能技术为抽水蓄能和电化学储能，电化学储能主要是利用锂电池技术，综合考虑性价比、安全性、使用寿命和产业成熟度等因素，磷酸铁锂电池是现阶段最适合用于储能的电池。火电储能辅助调频对储能电池性能有较高的要求，包括储能技术的高倍率特性、高爬坡特性、快速响应能力、强能效比、高温安全性和长寿命等。因此，对于火电储能联合调频项目，推荐采用磷酸铁锂电池。从用户侧储能应用场景来看，根据削峰填谷、需求响应、供电可靠性等需求，也推荐采用磷酸铁锂电池。

储能电站的安全事故频发，2011—2021 年，全球共发生 32 起储能电站起火爆炸事故，其中，80%起火的储能电站均采用三元锂电池。2021年，北京丰台储能电站发生起火爆炸事故，事故调查报告指出，起火的直接原因是电池发生内短路故障，引发电池热失控起火。

电池起火主要由电池热失控产生，热失控主要是因为电池内短路，内短路的主要原因有机械滥用、电气滥用和热滥用，应对热滥用的方式是采取良好的热管理设计。王晓松等［1］ 提出热管理设计的标准指标有两项，一是保证电池表面温度处于15～35 ℃，二是保持电池间的温差不超过 5 ℃，其分析与研究是基于风冷的热管理方式。钟国彬等［2］ 提出现有的储能系统很少选用液冷技术，因为电池储能系统在一定空间内积聚了大量的电池，一旦乙二醇水溶液泄漏会造成短路，易引发连锁反应，造成重大事故。游峰等［3］ 提出储能系统技术的核心是电池组、电池簇结构设计、电池系统热设计、电池系统的保护技术、电池管理系统等。田刚领等［4］ 在某项目中的热管理采用风冷方案，保证储能系统0.5C充电运行时，电池最高温度不高于34 ℃，储能系统最大温差基本保持在5 ℃。田刚领等［5］提出当电池模组内温差达到 5 ℃时，电池模组的寿命比温差控制在2 ℃以内的模组寿命减少30%。

液冷技术通过液体对流换热，将电池产生的热量带走，降低电池温度。液冷的漏液风险可以通过结构设计避免，液冷的效率比风冷的效率高，液冷的温差控制优于风冷，液冷的流体温度和流量控制比风冷的风道控制简单，采用液冷的电池寿命更长。综合成本考虑，液冷系统比风冷系统更有优势，同时，目前储能电站安全问题突出，液冷的储能系统也在逐渐推广应用。笔者以某储能系统工程为研究对象，采用液冷的热管理方式，详细论述了储能系统的设计方案，供相关设计人员讨论与交流。

2 液冷锂电池储能系统

锂电池储能系统包含电池舱和电气舱，电池舱由电池簇、液冷系统、消防系统、汇流柜、配电箱等组成，电气舱由变流器（PCS）、变压器、控制柜、环网柜、交流配电柜、空调等组成，本研究详细说明了电池舱的设计开发，对电气舱的说明从略。整个锂电池储能系统设计流程为电池包（Pack）、电池簇（Rack）、电池舱（Container），如图1所示。