摘要：鋰離子電池集裝箱儲能系統(tǒng)在儲能的過程中需消耗電能，因此降低集裝箱儲能系統(tǒng)能耗可有效提高電力效率。集裝箱儲能系統(tǒng)能耗主要分為空調(diào)系統(tǒng)能耗、PCS能耗、BMS能耗及其他能耗，其中空調(diào)系統(tǒng)與PCS總能耗占比達92%。本文對空調(diào)系統(tǒng)和PCS設(shè)備進行了降能耗方案分析，通過測試與理論計算的方法，最終得到：空調(diào)系統(tǒng)實測能耗降低約41.8%，集裝箱系統(tǒng)能耗降低約33.0%；PCS設(shè)備通過將現(xiàn)有SI基IGBT模塊更換為SIC IGBT模塊，理論計算可降低PCS設(shè)備能耗約32.6%，約降低集裝箱系統(tǒng)能耗7.1%。以上方案實現(xiàn)集裝箱儲能系統(tǒng)總能耗降低約40.1%。
關(guān)鍵詞: 儲能系統(tǒng), 節(jié)能降耗, 鋰電池
能源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也推動著人類文明的發(fā)展。隨著常規(guī)能源日漸減少，新能源逐漸被人們所熟知，儲能行業(yè)發(fā)展也進入了快車道。
儲能是指通過介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲起來，在需要時再釋放出來的過程。目前發(fā)展較為成熟的能源存儲技術(shù)可分為三大類：電化學儲能、機械儲能、電磁儲能。本文研究的鋰離子電池集裝箱儲能系統(tǒng)是電化學儲能技術(shù)中的一種。鋰離子電池的工作原理是：充電時Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時整個過程逆轉(zhuǎn)。通過以上循環(huán)原理以實現(xiàn)能源的存儲與釋放，而在能量轉(zhuǎn)換的過程中伴隨著電能的消耗，如何減少儲能過程中能量的消耗成為大規(guī)模應(yīng)用與推廣儲能系統(tǒng)的主要難題之一。目前，林宇對通訊基站后備電源儲能對降低儲能過程中電能損耗進行了研究，主要方法為：提高電池使用環(huán)境溫度，更換耐溫規(guī)格更高的電池，實現(xiàn)總能耗下降約25.2%。
本文以鋰離子電池集裝箱儲能系統(tǒng)為研究對象，通過對實測能耗數(shù)據(jù)進行分析得出，集裝箱儲能系統(tǒng)運行能耗主要包含：空調(diào)系統(tǒng)能耗、PCS能耗、BMS能耗、輔助系統(tǒng)能耗。其中空調(diào)系統(tǒng)能耗與選型設(shè)計、運行策略和風道設(shè)計等相關(guān)，系統(tǒng)設(shè)備能耗多與器件選型和電路設(shè)計有關(guān)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，針對集裝箱不同系統(tǒng)和設(shè)備進行降能耗方案的研究，從而提高儲能設(shè)備電力效率。
1、能耗比例分析
本文以比亞迪汽車工業(yè)有限公司電力科學研究院英國Rock Farm儲能集裝箱項目為例進行研究分析，降能耗措施適合所有儲能集裝箱項目。圖1為場站現(xiàn)場圖，具體項目信息如表1所示。
圖1 英國Rock Farm儲能項目現(xiàn)場圖
表1 英國Rock Farm儲能項目信息表
如圖2所示，空調(diào)系統(tǒng)能耗占集裝箱系統(tǒng)總能耗比例約為76.9%；其次為PCS能耗，占總能耗的15.1%；BMS能耗與其他能耗分別占到系統(tǒng)總能耗的4.0%和4.1%。
圖2 英國Rock Farm儲能集裝箱能耗比例餅圖
由以上分析可知，集裝箱降能耗關(guān)鍵是：空調(diào)系統(tǒng)和PCS設(shè)備。二者能耗占整個集裝箱系統(tǒng)能耗的92%，其他設(shè)備及線路損耗占比均較小，共占集裝箱系統(tǒng)的8%，且分類繁多。因此本文主要針對空調(diào)系統(tǒng)和PCS設(shè)備進行降能耗研究。主要降能耗思路如下。
（1）優(yōu)化關(guān)鍵器件選型
PCS是電能變換和控制的核心設(shè)備，其主要發(fā)熱器件為IGBT模塊，利用SIC基 IGBT替換SI基IGBT，可實現(xiàn)PCS設(shè)備整體效率的提升。
（2）優(yōu)化控制策略
系統(tǒng)高倍率、低倍率運行及待機狀態(tài)時，空調(diào)的運行策略進行相應(yīng)的調(diào)整。通過改變空調(diào)的設(shè)定溫度，可實現(xiàn)：①提高空調(diào)系統(tǒng)運行平均能效值；②減少集裝箱漏熱量；③減少空調(diào)內(nèi)風機運行時間。
（3）優(yōu)化送風風道
通過優(yōu)化送風風道，使系統(tǒng)風量分配更均勻，減少熱回流，減少空調(diào)運行時間。
2、節(jié)能措施
上節(jié)對集裝箱儲能系統(tǒng)運行能耗進行了分析，并提出了節(jié)能措施。本節(jié)通過實驗數(shù)據(jù)和理論分析對以上措施進行驗證分析。
2.1 PCS能效提升
Si基電力電子器件的發(fā)展已經(jīng)達到Si材料的物料理論極限，為了發(fā)展更高性能的電力電子器件，當前國際上普遍采用碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代寬禁半導(dǎo)體材料電力電子器件。相比于傳統(tǒng)Si基電力電子器件，第三代半導(dǎo)體器件具有禁帶寬、擊穿電場強度高、載流子飽和漂移速度高、導(dǎo)熱率高等優(yōu)異的物料特性。
圖3 不同材料電力電子器件性能對比圖
SIC器件應(yīng)用在PCS設(shè)備中主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：首先SIC器件的高溫特性和高熱導(dǎo)性能可以減少空調(diào)器的體積和降低成本，使整個產(chǎn)品的體積減小，產(chǎn)品功率密度提升；其次SIC器件的高飽和電子速率和高頻特性，在同等級功率下，功率模塊體積減小很多；最后SIC器件的低導(dǎo)通電阻，尤其碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)電流幾乎為零，使開關(guān)器件的損耗大幅減少，顯著提高系統(tǒng)效率。
圖4 SIC肖特基二極管開關(guān)損耗
以英國Rock Farm現(xiàn)場儲能系統(tǒng)中實際應(yīng)用的800 kW PCS產(chǎn)品為例，如圖5所示。PCS產(chǎn)品系統(tǒng)效率最大98.2%(損耗14400 W)，其中Si基IGBT的損耗占比約1.1%(損耗約8800 W)，電抗器損耗占比約0.45%(損耗約3600 W)，二次供電及其它損耗占比約0.25%(損耗約2000 W)。
圖5 800 kW PCS SI基與SIC基模塊損耗對比
將該產(chǎn)品的Si基IGBT更換為SIC基IGBT，系統(tǒng)效率最大可做到98.79%，其中SIC基IGBT的損耗占比約0.65%(損耗約5200 W)，電抗器損耗占比約0.31%(損耗約2500 W)，二次供電及其它損耗占比約0.25%(損耗約2000 W)。SIC基IGBT相比SI基IGBT，PCS設(shè)備能耗下降約32.6%。
2.2 空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化
空調(diào)系統(tǒng)降功耗措施主要包含：控制策略優(yōu)化和送風風道優(yōu)化。實驗結(jié)果顯示：通過以上措施，系統(tǒng)總能耗下降約33%。詳細分析過程如下。
2.2.1 控制策略優(yōu)化
空調(diào)系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化，首先需要進行精細化空調(diào)選型設(shè)計，利用空調(diào)系統(tǒng)最高COP對應(yīng)的冷量及環(huán)境要求，進行空調(diào)運行策略的制定。
（1） 精細化設(shè)計
空調(diào)系統(tǒng)瞬時計算用到如下公式
式中，Q為電池發(fā)熱量；Q1為電池散失至環(huán)境熱量；Q2為電池自身溫升熱量；為電池至環(huán)境傳熱系數(shù)；A為傳熱面積；c為電池比熱容；m為電池重量；△T1為電池至環(huán)境溫差；△T2為電池溫升。
根據(jù)式(1)～(3)對系統(tǒng)進行瞬時計算。圖6顯示電池最高溫升11.9 ℃時，空調(diào)需要制冷量較集裝箱系統(tǒng)實際最大產(chǎn)生熱量低35%(圖7)。運行時電池溫升吸收的熱量，在待機狀態(tài)下冷卻。
圖6 集裝箱瞬時電池溫度圖
圖7 集裝箱優(yōu)化前后運行熱耗對比圖
（2） 制定控制策略
圖8～9中：Tr為空調(diào)回風溫度；Ts為空調(diào)設(shè)定溫度；Tmax為電池最高溫度；TBS為空調(diào)開啟電池溫度；TD為空調(diào)節(jié)能模式溫度值；TM為空調(diào)普通模式溫度值；TH為空調(diào)高功耗模式溫度值。
圖8 優(yōu)化前集裝箱空調(diào)系統(tǒng)運行策略
圖9 優(yōu)化后集裝箱系統(tǒng)運行策略
如圖8所示，集裝箱儲能系統(tǒng)優(yōu)化前溫度控制策略中，空調(diào)溫度設(shè)定為Ts，為了保證系統(tǒng)正常充放電運行，Ts設(shè)定值較低，以滿足整個運行過程中溫度要求。但該方案導(dǎo)致系統(tǒng)待機和低倍率運行時：漏熱量增加、空調(diào)平均COP值增加、內(nèi)風機運行時間長。
如圖9所示，空調(diào)聯(lián)動策略不僅與箱內(nèi)環(huán)境溫度關(guān)聯(lián)，同時與集裝箱系統(tǒng)運行狀態(tài)相連?？照{(diào)設(shè)置參數(shù)也分為3擋：節(jié)能檔位TD；普通檔位TM；高功耗檔位TH。其中節(jié)能與普通檔位溫差約3 ℃，與高功耗檔位差2 ℃。該策略優(yōu)勢：①減少集裝箱漏熱量，空調(diào)溫控設(shè)置每提高5 ℃，集裝箱漏熱量減少約1 kW；②集裝箱外環(huán)境溫度和系統(tǒng)內(nèi)熱源不變前提下，箱內(nèi)溫度升高，空調(diào)COP值增加。每升高5 ℃，COP值增加約0.15。
通過優(yōu)化控制策略，實測集裝箱能耗降低約33.0%，其中：優(yōu)化空調(diào)內(nèi)風機運行策略降低能耗約為28.8.%；提高運行平均COP和減少漏熱量總降能耗約4.2%，詳見表2。
表2 優(yōu)化控制策略分項降能耗比例表
2.2.3 風道優(yōu)化
風量分配的均勻性決定了電池溫度均勻性，電池溫度均勻性影響電池充放電容量均勻性和系統(tǒng)能耗。集裝箱儲能系統(tǒng)中，電池架密封性差，系統(tǒng)冷熱通道無法完全隔開，使得部分電池包將熱通道熱風抽回，形成熱回流，最終導(dǎo)致集裝箱內(nèi)電池溫差增大。因空調(diào)啟停策略與電池溫度關(guān)聯(lián)，使得空調(diào)內(nèi)風機運行時間延長。
如圖10所示優(yōu)化前后的送風風道，優(yōu)化后風道增加了有效的導(dǎo)風板，使風量分配更加均勻，仿真結(jié)果顯示：優(yōu)化后電池模組間溫差相比優(yōu)化前降低4.6 ℃，理論計算：內(nèi)風機運行時間約減少0.33 h，降低系統(tǒng)能耗約0.6%。
圖10 送風風道優(yōu)化前后模型
圖11 優(yōu)化前后電池溫度分布云圖
2.2.4 實測結(jié)果分析
圖12為優(yōu)化后實測集裝箱系統(tǒng)能耗比例餅圖。本文中實測數(shù)據(jù)僅為優(yōu)化冷卻系統(tǒng)控制策略的測試結(jié)果，PCS設(shè)備提能效方案與優(yōu)化送風風道方案均未體現(xiàn)。系統(tǒng)總能耗及比例關(guān)系變化如下：①集裝箱儲能系統(tǒng)能耗降低約33.0%；②空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比相比原來降低了11.9%，為65.0%；③PCS設(shè)備能耗占比相比原來提高了7.6%，上升至22.7%；④其余能耗占比為12.3%。
圖12 優(yōu)化后集裝箱能耗比例餅圖
由測試數(shù)據(jù)可知：空調(diào)能耗仍占到系統(tǒng)能耗50%以上，依然為系統(tǒng)降功耗關(guān)鍵點；其次，PCS占比已達到21.8%。而PCS設(shè)備使用SIC IGBT模塊后，理論分析功耗下降32.6%，相應(yīng)系統(tǒng)能耗下降約7.1%。
3、結(jié) 論
綜上所述，本文以比亞迪汽車工業(yè)有限公司電力科學研究院英國Rock Farm儲能集裝箱項目為研究對象，進行了運行能耗優(yōu)化方案的研究和實測結(jié)果驗證，最終得出如下結(jié)論。
（1）空調(diào)系統(tǒng)在整個儲能設(shè)備運行能耗中占比最大。本次研究對象空調(diào)初始占比達到了76.9%，通過優(yōu)化運行策略和風道優(yōu)化，可大大降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，系統(tǒng)能耗下降約33.6%，優(yōu)化控制策略降33.0%，優(yōu)化風道降0.6%。
（2）PCS能耗占集裝箱系統(tǒng)能耗的比例僅次于空調(diào)能耗，通過更換SIC IGBT模塊，理論上可降低系統(tǒng)7.1%的能耗。
以上分析對象為風冷集裝箱儲能系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知：風冷集裝箱儲能系統(tǒng)降能耗關(guān)鍵為冷卻系統(tǒng)，而冷卻系統(tǒng)降能耗關(guān)鍵為運行策略的優(yōu)化。因此儲能系統(tǒng)散熱策略決定了整個系統(tǒng)的能耗大小，同時也決定了整個系統(tǒng)的電力效率。除了策略的優(yōu)化，風冷空調(diào)市場有許多節(jié)能方案并未用到此次設(shè)計的集裝箱上，例如：氟泵、空熱一體機等。因此，在以后的研究中，將增加該方向的研究，充分利用環(huán)境冷源，降低儲能設(shè)備散熱系統(tǒng)運行能耗，提高設(shè)備電力效率。
引用本文： 王志偉,張子峰,尹韶文等.集裝箱儲能系統(tǒng)降能耗技術(shù)[J].儲能科學與技術(shù),2020,09(06):1872-1877.
WANG Zhiwei,ZHANG Zifeng,YIN Shaowen,et al.Energy reduction technology of container energy storage system[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(06):1872-1877.
第一作者及聯(lián)系人：王志偉（1984—），男，碩士，工程師。研究方向為儲能系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的散熱設(shè)計，E-mail：[email protected]。
