我國電化學(xué)儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，鋰離子電池儲能應(yīng)用安全性仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。其中，溫度是影響鋰離子電池安全運行的重要因素，合理的溫度范圍和溫度分布一致性是確保大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)安全性和長壽命的關(guān)鍵參數(shù)。

本文歸納了風(fēng)冷、液冷、相變及熱管四類主流電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)應(yīng)用中的關(guān)鍵影響參數(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了不同熱管理(BTM)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向；

從散熱效率、散熱速度、成本等角度對比分析了不同熱管理技術(shù)的優(yōu)缺點，并對未來熱管理技術(shù)應(yīng)用趨勢進行了探討。

1概況

儲能作為能源互聯(lián)網(wǎng)、電力系統(tǒng)中的重要組成部分，在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、提高能源利用效率、提升電力系統(tǒng)安全性和實現(xiàn)雙碳目標中逐漸體現(xiàn)多重價值。

儲能技術(shù)類型多樣，其中電化學(xué)儲能具有響應(yīng)時間短、能量密度大、維護成本低、建設(shè)周期短等優(yōu)點。據(jù)統(tǒng)計，2022年，新增投運電化學(xué)儲能電站 194 座、總功率3.68GW、總能量 7.86GWh，同比增長 175.81%。

目前，國內(nèi)儲能鋰電池行業(yè)發(fā)展的成熟度遠不及動力鋰電池行業(yè)，鋰電池安全性標準的制定也相對滯后。儲能模組/系統(tǒng)的安全設(shè)計、電站安全管理、儲能電池系統(tǒng)消防標準方面屬于缺失狀態(tài)。

據(jù)不完全統(tǒng)計，近十年全球一共發(fā)生了32起儲能電站起火爆炸事故，由于不同原因造成電池內(nèi)部發(fā)生熱失控引發(fā)爆炸。提升鋰電池儲能安全性尤為重要，而電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)正是提升儲能安全性的重要保障。

對于鋰電池而言，工作溫度及溫度一致性均對其效率、壽命及安全性有很大影響。鋰電池可承受溫度區(qū)間為－40~60℃，最佳的工作溫度區(qū)間為10~35℃。

在高溫環(huán)境下，會加快鋰電池的衰減速率，降低電池的循環(huán)壽命，嚴重則會造成熱失控，引發(fā)安全事故；在低溫環(huán)境下同樣會對電池壽命造成影響且誘發(fā)安全風(fēng)險，如低溫大倍率充電容易造成鋰枝晶的生成；

此外，電池溫度的不一致性，也會直接導(dǎo)致系統(tǒng)使用壽命的降低。中國電力科學(xué)研究院的研究結(jié)果表明，當電池模組內(nèi)溫差達到5℃時，電池模組的壽命比溫差控制在2℃以內(nèi)的模組壽命減少30%。

相關(guān)研究報告顯示，最大溫度差超過5℃會在鋰離子電池內(nèi)部形成熱點，嚴重影響電池的安全性和壽命。

合理設(shè)計BTMS及熱管理策略，可保證電池工作溫度在適宜的范圍內(nèi)，改善電池的工作環(huán)境，對于提升電池壽命、效率及系統(tǒng)安全經(jīng)濟性有著重要的作用和意義。

2散熱技術(shù)及其在電池儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前最常見的電池儲能系統(tǒng)為集裝箱式，若干鋰電池組成模塊，模塊中通常有傳感器監(jiān)測電壓和溫度。若干個模塊被放置于機架中，機架再安裝在儲能箱體中，儲能箱體中需安裝熱管理系統(tǒng)。

儲能熱管理系統(tǒng)是降低電池熱失控風(fēng)險的重要手段，其中電池儲能溫度監(jiān)測、熱控制是熱管理系統(tǒng)的主要功能，目前常見的散熱技術(shù)包括風(fēng)冷散熱、液冷散熱、相變散熱和熱管散熱。

2.1風(fēng)冷散熱

風(fēng)冷是采用空氣作為換熱媒介，使用空氣在電池組中進行循環(huán)，利用電池模塊和空氣之間的溫差進行熱傳遞，一般分為被動風(fēng)冷和主動風(fēng)冷。

風(fēng)冷模塊機組

影響其冷卻效率的因素主要有冷卻方式、空氣流場設(shè)計、電池排布及進氣口風(fēng)速等。

風(fēng)冷儲能系統(tǒng)

2.2液冷散熱

對于大規(guī)模電池組的高倍率充放電過程，風(fēng)冷系統(tǒng)的冷卻能力已經(jīng)不能滿足電池組的散熱需求。

液體擁有比空氣更高的比熱容、更高的導(dǎo)熱率，且液冷冷卻速度較快，對降低局部最高溫度、提升電池模塊溫度一致性效果顯著，同時液冷相較于風(fēng)冷，噪音控制較好。

液冷儲能系統(tǒng)產(chǎn)品

液冷散熱將是未來大功率鋰電池在復(fù)雜工況下熱管理的重要研究方向，但液冷系統(tǒng)也存在缺點，如能耗較大、密封要求高，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實際應(yīng)用于儲能系統(tǒng)相較風(fēng)冷難度更大。

液冷儲能系統(tǒng)產(chǎn)品

影響液冷散熱系統(tǒng)的主要因素為：冷卻液管道或冷卻板的布局和設(shè)計，以及冷卻液的流速。

液冷系統(tǒng)應(yīng)用模式

液冷散熱系統(tǒng)實際應(yīng)用中常用的三種方式如圖6所示：

一是用載有冷卻液的管道環(huán)繞、接觸模塊中的每個電池，降低電池溫度和電池間溫差，此方案比較適用于圓柱形電池[圖6(a)]；

二是直接將電池模組浸泡在不導(dǎo)電的冷卻液中，此方案能對電池所有面進行冷卻，有助于提高溫度一致性，目前常用于超級計算系統(tǒng)的服務(wù)器上，但運用于儲能領(lǐng)域漏液風(fēng)險大，很少被應(yīng)用[圖6(b)]；

三是在電池或者電池模塊之間放置冷卻板，冷卻板內(nèi)有液體微通道，此方案適用于棱柱形電池或者軟包電池[圖6(c)]。

2.3相變散熱

PCM能在恒溫或者近似恒溫的情況下發(fā)生相變，并在相變過程中吸收/釋放潛熱從而達到降溫的效果。

目前，采用固-液型PCM的BTMS具有較好的應(yīng)用前景，由于其比熱容高，可大大減輕系統(tǒng)質(zhì)量，且冷卻效率也比液冷高出3~4倍；

其不足是某些PCM體積變化大，對于系統(tǒng)的空間需求大，同時，PCM吸收的熱量不能有效地釋放到外界環(huán)境中。

純PCM有著較大的蓄熱能力，但是熱導(dǎo)率較低，為了解決這個問題，研發(fā)了復(fù)合型PCM，常見的是與納米顆粒、金屬泡沫或膨脹石墨等其他材料結(jié)合[38]。

3各類散熱技術(shù)的對比分析

不同熱管理系統(tǒng)的影響因素較多，關(guān)鍵因素的優(yōu)化對提升散熱技術(shù)的性能十分重要。

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的優(yōu)點為系統(tǒng)設(shè)計相對簡單，成本低，易于實現(xiàn)和維護，可靠性高。其缺點也很明顯：較低的比熱容、較小的導(dǎo)熱系數(shù)，不適用于高功率的場景，其散熱效率低下，且受環(huán)境溫度影響大，并且強制風(fēng)冷產(chǎn)生大量噪音。

液體冷卻的優(yōu)點是具有更高的比熱容，質(zhì)量流量，更快的傳熱速度；具有較好的冷卻效果，能達到均勻的溫度分布。其缺點為布局復(fù)雜、部件較多、系統(tǒng)質(zhì)量大、成本高和可靠性差，需要較高的密封性，且有泄露液體的風(fēng)險。

相變材料冷卻的優(yōu)點是與相同操作條件下的空氣或液體冷卻相比，它在電池表面提供了更均勻的溫度分布且反應(yīng)速度快，并且儲能密度高、節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊，可降低復(fù)雜度、節(jié)約成本。

缺點則是當PCM發(fā)生相變時，體積變化很大，容易泄漏，并且固化時間較長。

熱管冷卻的優(yōu)點是熱管具有高熱導(dǎo)率，體積相對較小、質(zhì)量較輕，也可以根據(jù)可用空間以不同形式制造，并且在運行期間不需要維護，且具有優(yōu)良的等溫性、熱流方向可逆性。其缺點則是容量小，接觸面積小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，泄漏風(fēng)險大，成本高，技術(shù)復(fù)雜。

根據(jù)上述各類技術(shù)特點，本文從導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、散熱速度、溫差分布、壽命和成本等方面對比了各類技術(shù)的應(yīng)用效果，如表7所示。

4總結(jié)

隨著鋰離子儲能技術(shù)向著高容量和緊湊化的方向發(fā)展，鋰電池的熱安全性成為現(xiàn)階段研究的重點，且鋰離子電池相較于其他電池，對工作溫度的要求更為嚴苛.

如何讓儲能系統(tǒng)的大量電池在穩(wěn)定的環(huán)境下安全運行成為必須解決的問題，需要熱管理系統(tǒng)準確監(jiān)控電池的狀態(tài)，在溫度偏離正常范圍時及時控制電池溫度。

本文主要結(jié)論如下：

(1)在電池的性能方面，總結(jié)了溫度對電池充放電效率、循環(huán)壽命和安全性的影響，數(shù)據(jù)顯示溫度控制是電池正常運行的重要保障。

(2)在電池儲能熱管理技術(shù)方面，風(fēng)冷、液冷、相變散熱和熱管技術(shù)是目前大規(guī)模電池儲能的主要技術(shù)類型，各類熱管理系統(tǒng)設(shè)計中關(guān)鍵因素不同，需要通過設(shè)計參數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)設(shè)計及控制策略等途徑來提升熱管理效果及綜合能效。

(3)通過散熱效率、散熱速度、溫差分布、壽命和成本對不同散熱技術(shù)進行對比，結(jié)果表明液冷、熱管冷卻及相變冷卻在散熱速度上均優(yōu)于風(fēng)冷技術(shù)，熱管冷卻具有更優(yōu)的降溫效果，但風(fēng)冷成本較低。

電池溫度與其動態(tài)產(chǎn)熱工況密切相關(guān)，應(yīng)結(jié)合實際工況，制定有效的實時控制策略,實現(xiàn)高效、低能耗電池熱管理。

目前，大部分系統(tǒng)設(shè)計重點集中于控制溫度,較少考慮系統(tǒng)能耗、體積和質(zhì)量，應(yīng)綜合考慮各項指標。另外，各類熱管理技術(shù)都在某些方面存在一定的缺陷，單一的冷卻手段在某些工況下可能無法滿足電池的散熱要求。

因此，根據(jù)實際應(yīng)用需求，復(fù)合熱管理技術(shù)將成為更有效的熱管理技術(shù)手段。

來源：網(wǎng)絡(luò)

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