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比亚迪:集装箱储能系统降能耗技术

作者:王志伟 张子峰等 来源:储能科学与技术 发布时间:2020-12-01 浏览:
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摘要:锂离子电池集装箱储能系统在储能的过程中需消耗电能,因此降低集装箱储能系统能耗可有效提高电力效率。集装箱储能系统能耗主要分为空调系统能耗、PCS能耗、BMS能耗及其他能耗,其中空调系统与PCS总能耗占比达92%。本文对空调系统和PCS设备进行了降能耗方案分析,通过测试与理论计算的方法,最终得到:空调系统实测能耗降低约41.8%,集装箱系统能耗降低约33.0%;PCS设备通过将现有SI基IGBT模块更换为SIC IGBT模块,理论计算可降低PCS设备能耗约32.6%,约降低集装箱系统能耗7.1%。以上方案实现集装箱储能系统总能耗降低约40.1%。

关键词: 储能系统, 节能降耗, 锂电池

能源是人类赖以生存和发展的物质基础,同时也推动着人类文明的发展。随着常规能源日渐减少,新能源逐渐被人们所熟知,储能行业发展也进入了快车道。

储能是指通过介质或设备把能量存储起来,在需要时再释放出来的过程。目前发展较为成熟的能源存储技术可分为三大类:电化学储能、机械储能、电磁储能。本文研究的锂离子电池集装箱储能系统是电化学储能技术中的一种。锂离子电池的工作原理是:充电时Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时整个过程逆转。通过以上循环原理以实现能源的存储与释放,而在能量转换的过程中伴随着电能的消耗,如何减少储能过程中能量的消耗成为大规模应用与推广储能系统的主要难题之一。目前,林宇对通讯基站后备电源储能对降低储能过程中电能损耗进行了研究,主要方法为:提高电池使用环境温度,更换耐温规格更高的电池,实现总能耗下降约25.2%。

本文以锂离子电池集装箱储能系统为研究对象,通过对实测能耗数据进行分析得出,集装箱储能系统运行能耗主要包含:空调系统能耗、PCS能耗、BMS能耗、辅助系统能耗。其中空调系统能耗与选型设计、运行策略和风道设计等相关,系统设备能耗多与器件选型和电路设计有关。根据以上数据分析,针对集装箱不同系统和设备进行降能耗方案的研究,从而提高储能设备电力效率。

1、能耗比例分析

本文以比亚迪汽车工业有限公司电力科学研究院英国Rock Farm储能集装箱项目为例进行研究分析,降能耗措施适合所有储能集装箱项目。图1为场站现场图,具体项目信息如表1所示。

图1   英国Rock Farm储能项目现场图

表1   英国Rock Farm储能项目信息表

如图2所示,空调系统能耗占集装箱系统总能耗比例约为76.9%;其次为PCS能耗,占总能耗的15.1%;BMS能耗与其他能耗分别占到系统总能耗的4.0%和4.1%。

图2   英国Rock Farm储能集装箱能耗比例饼图

由以上分析可知,集装箱降能耗关键是:空调系统和PCS设备。二者能耗占整个集装箱系统能耗的92%,其他设备及线路损耗占比均较小,共占集装箱系统的8%,且分类繁多。因此本文主要针对空调系统和PCS设备进行降能耗研究。主要降能耗思路如下。

(1)优化关键器件选型

PCS是电能变换和控制的核心设备,其主要发热器件为IGBT模块,利用SIC基 IGBT替换SI基IGBT,可实现PCS设备整体效率的提升。

(2)优化控制策略

系统高倍率、低倍率运行及待机状态时,空调的运行策略进行相应的调整。通过改变空调的设定温度,可实现:①提高空调系统运行平均能效值;②减少集装箱漏热量;③减少空调内风机运行时间。

(3)优化送风风道

通过优化送风风道,使系统风量分配更均匀,减少热回流,减少空调运行时间。

2、节能措施

上节对集装箱储能系统运行能耗进行了分析,并提出了节能措施。本节通过实验数据和理论分析对以上措施进行验证分析。

2.1 PCS能效提升

Si基电力电子器件的发展已经达到Si材料的物料理论极限,为了发展更高性能的电力电子器件,当前国际上普遍采用碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁半导体材料电力电子器件。相比于传统Si基电力电子器件,第三代半导体器件具有禁带宽、击穿电场强度高、载流子饱和漂移速度高、导热率高等优异的物料特性。

图3   不同材料电力电子器件性能对比图

SIC器件应用在PCS设备中主要优势体现在以下几个方面:首先SIC器件的高温特性和高热导性能可以减少空调器的体积和降低成本,使整个产品的体积减小,产品功率密度提升;其次SIC器件的高饱和电子速率和高频特性,在同等级功率下,功率模块体积减小很多;最后SIC器件的低导通电阻,尤其碳化硅肖特基二极管的反向恢复电流几乎为零,使开关器件的损耗大幅减少,显著提高系统效率。

图4   SIC肖特基二极管开关损耗

以英国Rock Farm现场储能系统中实际应用的800 kW PCS产品为例,如图5所示。PCS产品系统效率最大98.2%(损耗14400 W),其中Si基IGBT的损耗占比约1.1%(损耗约8800 W),电抗器损耗占比约0.45%(损耗约3600 W),二次供电及其它损耗占比约0.25%(损耗约2000 W)。

图5   800 kW PCS SI基与SIC基模块损耗对比

将该产品的Si基IGBT更换为SIC基IGBT,系统效率最大可做到98.79%,其中SIC基IGBT的损耗占比约0.65%(损耗约5200 W),电抗器损耗占比约0.31%(损耗约2500 W),二次供电及其它损耗占比约0.25%(损耗约2000 W)。SIC基IGBT相比SI基IGBT,PCS设备能耗下降约32.6%。

2.2 空调系统优化

空调系统降功耗措施主要包含:控制策略优化和送风风道优化。实验结果显示:通过以上措施,系统总能耗下降约33%。详细分析过程如下。

2.2.1 控制策略优化

空调系统控制策略的优化,首先需要进行精细化空调选型设计,利用空调系统最高COP对应的冷量及环境要求,进行空调运行策略的制定。

(1) 精细化设计

空调系统瞬时计算用到如下公式

式中,Q为电池发热量;Q1为电池散失至环境热量;Q2为电池自身温升热量;为电池至环境传热系数;A为传热面积;c为电池比热容;m为电池重量;△T1为电池至环境温差;△T2为电池温升。

根据式(1)~(3)对系统进行瞬时计算。图6显示电池最高温升11.9 ℃时,空调需要制冷量较集装箱系统实际最大产生热量低35%(图7)。运行时电池温升吸收的热量,在待机状态下冷却。

图6   集装箱瞬时电池温度图

图7   集装箱优化前后运行热耗对比图

(2) 制定控制策略

图8~9中:Tr为空调回风温度;Ts为空调设定温度;Tmax为电池最高温度;TBS为空调开启电池温度;TD为空调节能模式温度值;TM为空调普通模式温度值;TH为空调高功耗模式温度值。

图8   优化前集装箱空调系统运行策略

图9   优化后集装箱系统运行策略

如图8所示,集装箱储能系统优化前温度控制策略中,空调温度设定为Ts,为了保证系统正常充放电运行,Ts设定值较低,以满足整个运行过程中温度要求。但该方案导致系统待机和低倍率运行时:漏热量增加、空调平均COP值增加、内风机运行时间长。

如图9所示,空调联动策略不仅与箱内环境温度关联,同时与集装箱系统运行状态相连。空调设置参数也分为3挡:节能档位TD;普通档位TM;高功耗档位TH。其中节能与普通档位温差约3 ℃,与高功耗档位差2 ℃。该策略优势:①减少集装箱漏热量,空调温控设置每提高5 ℃,集装箱漏热量减少约1 kW;②集装箱外环境温度和系统内热源不变前提下,箱内温度升高,空调COP值增加。每升高5 ℃,COP值增加约0.15。

通过优化控制策略,实测集装箱能耗降低约33.0%,其中:优化空调内风机运行策略降低能耗约为28.8.%;提高运行平均COP和减少漏热量总降能耗约4.2%,详见表2。

表2   优化控制策略分项降能耗比例表

2.2.3 风道优化

风量分配的均匀性决定了电池温度均匀性,电池温度均匀性影响电池充放电容量均匀性和系统能耗。集装箱储能系统中,电池架密封性差,系统冷热通道无法完全隔开,使得部分电池包将热通道热风抽回,形成热回流,最终导致集装箱内电池温差增大。因空调启停策略与电池温度关联,使得空调内风机运行时间延长。

如图10所示优化前后的送风风道,优化后风道增加了有效的导风板,使风量分配更加均匀,仿真结果显示:优化后电池模组间温差相比优化前降低4.6 ℃,理论计算:内风机运行时间约减少0.33 h,降低系统能耗约0.6%。

图10   送风风道优化前后模型

图11   优化前后电池温度分布云图

2.2.4 实测结果分析

图12为优化后实测集装箱系统能耗比例饼图。本文中实测数据仅为优化冷却系统控制策略的测试结果,PCS设备提能效方案与优化送风风道方案均未体现。系统总能耗及比例关系变化如下:①集装箱储能系统能耗降低约33.0%;②空调系统的能耗占比相比原来降低了11.9%,为65.0%;③PCS设备能耗占比相比原来提高了7.6%,上升至22.7%;④其余能耗占比为12.3%。

图12   优化后集装箱能耗比例饼图

由测试数据可知:空调能耗仍占到系统能耗50%以上,依然为系统降功耗关键点;其次,PCS占比已达到21.8%。而PCS设备使用SIC IGBT模块后,理论分析功耗下降32.6%,相应系统能耗下降约7.1%。

3、结 论

综上所述,本文以比亚迪汽车工业有限公司电力科学研究院英国Rock Farm储能集装箱项目为研究对象,进行了运行能耗优化方案的研究和实测结果验证,最终得出如下结论。

(1)空调系统在整个储能设备运行能耗中占比最大。本次研究对象空调初始占比达到了76.9%,通过优化运行策略和风道优化,可大大降低空调系统能耗,系统能耗下降约33.6%,优化控制策略降33.0%,优化风道降0.6%。

(2)PCS能耗占集装箱系统能耗的比例仅次于空调能耗,通过更换SIC IGBT模块,理论上可降低系统7.1%的能耗。

以上分析对象为风冷集装箱储能系统,根据数据分析可知:风冷集装箱储能系统降能耗关键为冷却系统,而冷却系统降能耗关键为运行策略的优化。因此储能系统散热策略决定了整个系统的能耗大小,同时也决定了整个系统的电力效率。除了策略的优化,风冷空调市场有许多节能方案并未用到此次设计的集装箱上,例如:氟泵、空热一体机等。因此,在以后的研究中,将增加该方向的研究,充分利用环境冷源,降低储能设备散热系统运行能耗,提高设备电力效率。

引用本文: 王志伟,张子峰,尹韶文等.集装箱储能系统降能耗技术[J].储能科学与技术,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.

第一作者及联系人:王志伟(1984—),男,硕士,工程师。研究方向为储能系统及相关设备的散热设计,E-mail:wang.zhiwei17@byd.com。

关键字:比亚迪 集装箱储能系统

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