集装箱储能系统效率与辅助功耗

集装箱储能系统 单次充放电能量链路与辅助功耗分析报告

本报告针对 D-Ocean-5016D 集装箱储能系统（12 簇 × 418 kWh，海辰 314 Ah 电芯 1P416S），分析一次 SOC 0% → 95% → 0% 完整循环的能量链路。系统使用 英维克 EMW600HCNC3E 风冷式冷水机组（CE 认证 / C5-M 防腐），辅助设备从主回路 + UPS + 配电箱（DC 24V/48V）直接取电。

• 核心 RTE（25°C 理想条件）= 88.48%（含升压变压器 0.99² × PCS 0.98² × 电池 DC RTE 0.94）
• 电力辅助系统（项目实际电气设计 14 项，详见 1.1 节）：7.25 kW 固定持续运行，单循环耗电 13.0 – 14.7 kWh
• 0.5P 满功率工况下系统净 RTE 区间：85.88% – 87.97%（最大功率到液冷关闭）
• 液冷自循环 0.74 kW 单循环耗电约 1.5 kWh，额定制冷 27.8 kW 单循环耗电约 57.5 kWh
• 88.5% 净 RTE 在本模型下不可达（最高 87.97%）；87% 净 RTE 控制目标：制冷占空比 ≤ 48.3%
• 集装箱持续辅助总功率 7.25 kW，峰值（含液冷最大功率）37.25 kW

1. 系统参数

1.1 电力辅助系统架构

D-Ocean-5016D 项目实际电气设计负载清单（来自工程配电图）：

架构说明：

• 高压盒 SMPS 输出 24 V 直流，给整簇接触器/控制/加热等供电；AC-DC 350 W 为主电源，DC-DC 200 W 仅在交流失效时切入。
• 配电箱 SMPS 给集装箱级 24 V/48 V 总线（非 UPS 后备），给主回路负载供电。
• 6 个 AC 除湿机 GCH-8120S（130 W 实际功率）按主回路取电，持续运行。
• 12 簇 BMS 电源（60 W/簇）由 UPS 后备，确保断电时 BMS 仍能工作并上报告警。
• 消防主机 200 W 由 UPS 后备（持续监测）；防爆排风机 240 W 仅在报警时由 UPS 后备启动（瞬态约 3 秒）。
• 维修插座、备用插座按峰值预留 1 kW 计，不计入 RTE 持续辅助。
• 上述电力辅助系统不含应急水消防主回路（消防泵、喷淋等），实际项目如配置应急水系统需按 EN 12845 补充（典型 5 - 10 kW 含消防泵），需校验集装箱主断路器裕量。

2. 接线与端子

本节不涉及外部接线，重点说明能量计量点，建议如下：

• 电网侧计量：并网开关出线端的双向电表，作为 $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$ 的统计源。
• PCS 交流侧计量：双向电表，用于核对 PCS 自身效率。
• 电池 DC 侧：BMS 直流母线采样，用于核算电池 DC 往返效率。
• 辅助支路：液冷机组、BMS/EMS、除湿机供电回路宜单独计量，便于辅助功耗溯源。

3. 液冷机组规格（EMW600HCNC3E）

3.1 工作模式控制逻辑（BMS active，参考 Envicool 平台通用控制）

注：EMW600HCNC3E 规格书未公开详细控制逻辑表，上述温度阈值为 Envicool 平台通用参考值，实际项目需以 D-Ocean-5016D BMS 集成规格为准。

3.2 BMS 失电保护逻辑（BMS inactive）

3.3 模式优先级

制冷 > 加热 > 自循环；强制保护条件（3.2）可覆盖上述优先级直接进入自循环。

4. 通讯

本报告不涉及外部通讯协议，但建议在现场数据采集时统一以下接口与点位，便于 EMS 上层核算 RTE：

• BMS → EMS：12 簇 DC 电压/电流、SOC、SOH、单体最高/最低温度。
• PCS → EMS：AC 侧电压/电流/功率、充放电状态、故障字、效率曲线。
• 液冷机组 → EMS：出液温度、压缩机/水泵/风机启停、当前模式（制冷/加热/自循环）、故障字。
• 辅助支路电表 → EMS：主回路辅助支路总电表（用于核算辅助总耗电）、UPS 输出分项电表、BMS/EMS 直流侧、除湿机支路。

5. 操作步骤与计算基础

5.1 基准链路能量

• 电池 DC 往返效率 94%，按对称拆分为 96.96% × 96.96%
• PCS 充/放电效率均为 98.0%
• 升压变压器效率（升压 + 降压）0.99 × 0.99 = 0.9801（双向）
• DoD = 95%

$$E_{\text{usable}} = 5016 \times 95\% = 4765.2 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{TR}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{DC\_ch}}} = \frac{4765.2}{0.99 \times 0.98 \times 0.9696} = 5065.7 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{DC\_dis}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{TR}} = 4765.2 \times 0.9696 \times 0.98 \times 0.99 = 4482.0 \text{ kWh}$$

不含液冷和固定辅助功耗的系统理论效率（PCS + 电池 + 升压变压器核心，25°C 理想条件）：

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{TR}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{DC\_RT}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{TR}} = 0.99 \times 0.98 \times 0.94 \times 0.98 \times 0.99 = 88.48\%$$

5.2 单次循环能量链路

• 充电路径：电网 → 升压变压器（×99.0%）→ PCS（×98.0%）→ 电池 DC（×96.96%）→ 储存 4765.2 kWh。
• 放电路径：电池 DC（×96.96%）→ PCS（×98.0%）→ 升压变压器（×99.0%）→ 交流毛输出 4482.0 kWh。
• 液冷与辅助功耗以浮动支路呈现：充电侧叠加辅助耗电，放电侧从 PCS 毛输出中扣除辅助耗电。

5.3 通用公式

设制冷占空比 $\delta$（自循环占空比 $1-\delta$），按 0.5P 持续运行功率 $P_{\text{rated}} = 2500 \text{ kW}$ 测算：

• 充电时长 $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 5065.7 / 2500 \approx 2.026 \text{ h}$
• 放电时长 $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 4482.0 / 2500 \approx 1.793 \text{ h}$

固定辅助功率 $P_{\text{aux\_fixed}} = 7.25 \text{ kW}$（项目实际电气设计清单，详见 1.1 节）。

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + (P_{\text{liq,cool}} - P_{\text{liq,idle}}) \cdot \delta = 0.74 + 27.06\,\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 5065.7 + 2.026 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7.25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 4482.0 - 1.793 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7.25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}} = \frac{E_{\text{grid\_out}}}{E_{\text{grid\_in}}}$$

代入后闭合形式（消掉 $P_{\text{liq\_avg}}$ 中间变量）：

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 5065.7 + 2.026 \cdot (0.74 + 27.06\,\delta + 7.25) = 5081.89 + 54.82\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 4482.0 - 1.793 \cdot (0.74 + 27.06\,\delta + 7.25) = 4467.67 - 48.51\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{4467.67 - 48.51\,\delta}{5081.89 + 54.82\,\delta}$$

5.4 辅助功耗场景

固定辅助功耗按 1.1 节实际电气设计：12 簇高压盒 4.2 kW + 配电箱 0.6 kW + 6 除湿机 0.78 kW + 工业空调 0.24 kW + 应急照明/散热/屏幕 0.15 kW + 12 簇 BMS 电源 0.72 kW + 消防主机 0.20 kW + 视频监控 0.24 kW + 24V 辅助 0.12 kW，合计 $P_{\text{aux\_fixed}} = 7.25 \text{ kW}$。液冷机组按 8 种典型状态建模：

注：场景表中 25%/50%/75% 制冷的 $P_{\text{liq}}$ 为按额定制冷功率 27.8 kW 的线性插值（未含自循环底 0.74 kW），与 5.3 节公式 $P_{\text{liq\_avg}} = 0.74 + 27.06 \cdot \delta$ 略有差异；如需严格统一，建议以 5.3 节公式 + 显式占空比为输入。

AC 失效边界情况：当 12 簇高压盒全部切到 DC-DC 200 W 备用时，固定辅助变为 $12 \times 200 + 0.6 + 0.78 + 0.24 + 0.15 + 0.72 + 0.20 + 0.24 + 0.12 = 5.25 \text{ kW}$，对应 RTE 略高于本表（液冷关闭时约 88.7%）；但此为应急工况，正常 RTE 协议以 AC 模式为准。

消防报警瞬态：当 H₂ 探测器或烟感/温感触发，消防主机进入报警状态，防爆排风机（240 W）启动，瞬态辅助功率上跳 ~240 W（约 3 秒），对 RTE 统计影响可忽略。

5.5 结论与建议

• 核心 RTE（25°C 最理想条件）= 88.48%（升压变压器 0.99² × PCS 0.98² × 电池 DC RTE 0.94）。该值为理论上限，对应环境温度 25°C、电池最佳工作温度、无辅助功耗、无待机、SoH=100% 的极端理想工况。
• 含 7.25 kW 固定辅助（项目实际电气设计清单）后，液冷关闭时净 RTE 87.97%；液冷自循环时 87.89%；50% 制冷占空比时 86.99%；额定制冷 86.04%。
• 88.5% 净 RTE 在本模型下不可达：即使液冷完全关闭 + 25°C 理想条件 + 7.25 kW 固定辅助，净 RTE 也只能达 87.97%；理论核心上限 88.48% 需同时消除全部辅助功耗（不可行）。
• 87% 净 RTE 控制目标：由 $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0.87$ 反算得：

  $$\frac{4467.67 - 48.51\,\delta}{5081.89 + 54.82\,\delta} \geq 0.87$$

  $$4467.67 - 48.51\,\delta \geq 4421.24 + 47.69\,\delta \;\Rightarrow\; 46.43 \geq 96.20\,\delta \;\Rightarrow\; \delta \leq 0.483$$

即 制冷占空比需 ≤ 48.3%（约对应 50% 制冷场景下沿），液冷单循环平均功率需 ≤ 13.81 kW。

• 典型运行区间（25°C 理想）：净 RTE 86.5% – 88.0%（覆盖 25% - 75% 制冷），单循环 AC 端输出 4432 – 4457 kWh。实际现场因环境温度、电池温升、辅助波动等因素，RTE 通常低于此区间。
• 电力辅助系统总功率 7.25 kW 成 RTE 主要负担之一：单循环固定耗电 13.0 – 14.7 kWh，已超过自循环液冷（1.5 kWh）一个数量级。优化 12 簇高压盒 SMPS 效率（350W → 280W）可挽回约 0.4 个百分点 RTE。
• 液冷仍是 RTE 主导项：单循环液冷耗电 1.5 kWh（自循环）– 57.5 kWh（额定制冷）；固定辅助 13 kWh 量级，液冷 + 固定辅助的 RTE 损失贡献比约 75% / 25%。
• 6 个除湿机耗电显著：0.78 kW 占总辅助 10.8%，单循环耗电 1.58 kWh。建议评估除湿必要性（按环境湿度传感器数据决定启停），按需运行可挽回约 0.2 个百分点 RTE。
• 技术协议建议明确：RTE 测量点（建议电网侧双向电表）、是否含液冷/消防/待机/插座、测试温度区间（基准 25°C）、SOC 窗口（0-95%）、辅助计量方式（建议 SMPS 支路 + 消防主机 + 12 簇 BMS 单独计量，便于按 1.1 节架构溯源）。

5.6 集装箱主断路器负载校核

按 1.1 节表统计的持续/峰值总功率：

6. 注意事项

1. 本报告能量链路基于对称充放电效率假设，0.5P 工况。如实际 PCS 在不同 SOC/功率段效率偏差较大，应按分段重新拟合。
2. 核心 RTE 88.48% 是 25°C 最理想条件下的理论上限，对应升压变压器 0.99²、电池 DC RT 0.94、PCS 0.98² 的串联效率。现场实际因电池温升（>25°C）、线路损耗、SoH 衰减（<100%）等因素，RTE 会逐项衰减。
3. 液冷机组在不同环境温度下制冷/加热占空比差异显著，RTE 应在协议温度区间内核算。
4. 电池老化后 DC 往返效率会下降，RTE 核算应同步引入 SOH 修正系数。
5. 除湿机若按需启停而非 120 W 持续运行，需在公式中以实际占空比替换固定项。
6. 所有功率/能量数值为单次循环统计值，不能直接外推到日/月度数据。
7. 集装箱在 @25°C 0.5P 实测液冷功率（约 23 kW）+ 固定 7.25 kW ≈ 30.5 kW 总功率。
8. 消防系统已计入消防主机 200 W 持续监测功耗；防爆排风机 240 W 仅报警时启动，未计入 RTE 统计；应急水消防主回路（消防泵、喷淋等）未计入，实际项目如配置需补充（典型 5 - 10 kW），需校验主断路器 D100A 总负载能力或增加独立支路。
9. 6 个 AC 除湿机（780 W）持续运行，占总辅助 10.8%。建议按环境湿度传感器数据决定启停，按需运行可挽回约 0.2 个百分点 RTE。
10. 维修插座和备用插座（各 1 kW）按峰值预留，不计入 RTE 持续辅助模型，但现场使用时应单独计量，避免影响 RTE 协议对账。

附录 A 符号定义

A.1 系统参数

A.2 效率与基准能量

A.3 时间与辅助功率

A.4 液冷机组

A.5 能量与系统级 RTE

A.6 符号命名约定

• 下标 in / out 表示能量流入/流出电网。
• 下标 ch / dis 表示充电/放电过程。
• 下标 aux 表示辅助系统，下标 liq 表示液冷。
• 下标 idle / cool / heat / max 表示液冷运行档位。
• 下标 max / min（裸下标）表示单体电池最高/最低温度（不是功率档位）。
• 希腊字母 $\eta$ 表示效率，$\delta$ 表示占空比（注意与 DoD 区分），$\Delta$ 表示差值。