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液冷熱管理系統(tǒng)由液冷板、液冷機(jī)組、液冷管路、高低壓線束和冷卻液組成,關(guān)于液冷漏液的問(wèn)題,采取以下措施。第一,液冷接頭采用車規(guī)級(jí)的防漏液冷卻管道快插接頭,可以保證在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),漏液的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。第二,在液冷機(jī)組膨脹水箱設(shè)置液位傳感器,如果有漏液現(xiàn)象發(fā)生,液冷機(jī)組會(huì)報(bào)警。第三,電池包設(shè)計(jì)的防護(hù)等級(jí)為IP67,保證漏液時(shí)對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響,電池包的液冷板是鋁合金壓鑄一體成型,集成了底座和液冷板的功能,其中,液冷板和密封蓋板采用攪拌摩擦焊連接;同時(shí),液冷板也會(huì)做氣密性檢測(cè),保證液冷板密封性能良好。電池包液冷板采用“蛇形”流道,冷卻液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù) 50%水+質(zhì)量分?jǐn)?shù) 50% 乙二醇,液冷系統(tǒng)通過(guò)一定的熱管理策略,使得冷卻液流經(jīng)液冷板時(shí),對(duì)電池包進(jìn)行制冷或制熱。液冷機(jī)組具備制冷、制熱以及除濕功能,液冷機(jī)組熱管理系統(tǒng)的策略和工作模式緊密相關(guān)。文中,Tmax指電池最高溫度;Tvag指電池平均溫度;Tmin指電池最低溫度。當(dāng) Tmax≥28 ℃、Tvag≥25 ℃時(shí),液冷機(jī)組進(jìn)入制冷模式,壓縮機(jī)開(kāi)啟,高溫高壓的制冷劑從壓縮機(jī)中排出,進(jìn)入冷凝器冷凝,放熱降溫后,通過(guò)膨脹閥進(jìn)行節(jié)流降壓,然后進(jìn)入蒸發(fā)器,并與冷卻液進(jìn)行換熱,制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)后流回壓縮機(jī)吸氣口,完成一個(gè)制冷循環(huán)。此時(shí),水路中的水泵開(kāi)啟,PTC加熱器不開(kāi)啟,冷卻液在板式蒸發(fā)器中冷卻后進(jìn)入電池包液冷板,對(duì)電池進(jìn)行冷卻,將熱量帶出,從而達(dá)到冷卻電池的目的。當(dāng) Tmax≤25 ℃ 、Tvag≤22 ℃時(shí),停止制冷模式。當(dāng) Tmin≤12 ℃、Tvag≤15 ℃時(shí),液冷機(jī)組進(jìn)入制熱模式,壓縮機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài),水泵、PTC 加熱器開(kāi)啟,冷卻液經(jīng)過(guò)PTC加熱器加熱后,進(jìn)入電池冷板,加熱電池。此模式適用于電池溫度過(guò)低時(shí),需要對(duì)電池進(jìn)行加熱的情況。當(dāng) Tmin≥20 ℃、Tvag≥23 ℃時(shí),停止制熱模式。當(dāng)進(jìn)水口溫度≤12 ℃,液冷機(jī)組進(jìn)入自循環(huán)模式,壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、PTC加熱器關(guān)閉,水泵開(kāi)啟,使冷卻液在電池冷板和機(jī)組中周而復(fù)始地循環(huán)流動(dòng),將電池包中的熱量帶出。當(dāng)集裝箱內(nèi)濕度高于對(duì)應(yīng)溫度下的露點(diǎn)溫度時(shí),液冷機(jī)組開(kāi)啟除濕模式。
儲(chǔ)能集裝箱采用外維護(hù)模式,儲(chǔ)能系統(tǒng)共有 8簇,其中,4 簇并排在一起,另外 4 簇與之背靠背布置,儲(chǔ)能系統(tǒng)的液冷回路采用并聯(lián)方式,但相鄰兩個(gè)電池包采用串聯(lián)方式,各支路采用流量計(jì)獨(dú)立監(jiān)控,保證各個(gè)電池包冷卻液的流速和流量均衡。集裝箱內(nèi)一些主要的熱負(fù)荷為電芯發(fā)熱功率P、電芯溫升吸熱Q,單體電芯在不同倍率下的充電或放電功率可用式(1)表示。
P0=I2×R×1.2
(1)式中:I為電芯容量;R為電芯直流電阻。儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)定的充放電倍率為 0.5C,電芯 LF280K 在0.5C充電的發(fā)熱功率平均值為12.5 W,放電的發(fā)熱功率平均值為9.5 W。儲(chǔ)能系統(tǒng)的總電芯數(shù)量為 n,整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)有3 072塊LF280K電芯。電芯總發(fā)熱功率(0.5C 充電)為 P=n×P0=12.5×3 072=38 400 W。設(shè)置電芯的最大溫升 ΔT=10 ℃,電芯的質(zhì)量m=5.42×3 072=16 650.24 kg,電芯溫升發(fā)熱量可用式(2)表示。
Q=CmΔT
(2)式中:C 為電池比熱容,kJ/(kg·℃),一般取1.055代入得Q=175 660.03kJ。電池本體吸收熱功率P1=Q/t,充放電 2 h,則 t=7 200s,P1=24 397 W。液冷機(jī)組的制冷負(fù)荷P2>(P-P1 )·k,其中,k 為安全系數(shù),一般取1.2~1.5,P2=19.6 kW,所以制冷功率設(shè)定為20 kW。
因?yàn)殇囯x子電池的工作溫度為-20~50 ℃,充電溫度為 0~50 ℃,所以若鋰電池在零下低溫環(huán)境中重新開(kāi)始工作,就需要先預(yù)熱一段時(shí)間,將電芯溫度提升到 0 ℃及以上。假定環(huán)境溫度為-30 ℃,電池吸收的熱量為 Q1=CmΔT1,其中ΔT1=-30 ℃,電池吸收的熱量為 Q1=526980.09kJ,電池的吸熱功率為 P2=Q1/t1,其中,t1=12h,P2=12.2kW,所以制熱功率設(shè)定為 14 kW。液冷機(jī)組為非標(biāo)定制化設(shè)計(jì),將其制熱制冷功率參數(shù)確定下來(lái),然后在試驗(yàn)中檢驗(yàn)其性能。
液冷集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)在環(huán)境溫度為 25 ℃的情況下進(jìn)行 0.5C 充電測(cè)試,由 BMS 記錄各電池包的溫度變化情況。充電結(jié)束時(shí),電池包內(nèi)電芯表面溫度小于 35 ℃,其溫升小于 10 ℃,在整個(gè)充電過(guò)程中,監(jiān)測(cè)點(diǎn)最低溫度為32.5 ℃,最高溫度為34.8 ℃,其溫差小于2.3 ℃,如圖2所示。由圖試驗(yàn)結(jié)果可以看出,液冷集裝箱的溫升遠(yuǎn)小于風(fēng)冷集裝箱的溫差,一般風(fēng)冷集裝箱的溫差達(dá)到5~8 ℃,能較好地促進(jìn)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的溫度一致性,延長(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行壽命。
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