杏彩体育app下载:锂离子电池储能不同热管理技术效果对比

　　我国电化学储能产业发展迅速，锂离子电池储能应用安全性仍然面临巨大挑战。其中，温度是影响锂离子电池安全运行的重要因素，合理的温度范围和温度分布一致性是确保大规模电池储能系统安全性和长寿命的关键参数。

　　本文归纳了风冷、液冷、相变及热管四类主流电池热管理系统(BTMS)应用中的关键影响参数及发展现状，分析了不同热管理(BTM)关键技术发展方向；

　　从散热效率、散热速度、成本等角度对比分析了不同热管理技术的优缺点，并对未来热管理技术应用趋势进行了探讨。

　　储能作为能源互联网、电力系统中的重要组成部分，在能源结构转型、提高能源利用效率、提升电力系统安全性和实现双碳目标中逐渐体现多重价值。

　　储能技术类型多样，其中电化学储能具有响应时间短、能量密度大、维护成本低、建设周期短等优点。据统计，2022年，新增投运电化学储能电站 194 座、总功率3.68GW、总能量 7.86GWh，同比增长 175.81%。

　　目前，国内储能锂电池行业发展的成熟度远不及动力锂电池行业，锂电池安全性标准的制定也相对滞后。储能模组/系统的安全设计、电站安全管理、储能电池系统消防标准方面属于缺失状态。

　　据不完全统计，近十年全球一共发生了32起储能电站起火爆炸事故，由于不同原因造成电池内部发生热失控引发爆炸。提升锂电池储能安全性尤为重要，而电池热管理系统(BTMS)正是提升储能安全性的重要保障。

　　对于锂电池而言，工作温度及温度一致性均对其效率、寿命及安全性有很大影响。锂电池可承受温度区间为－40~60℃，最佳的工作温度区间为10~35℃。

　　在高温环境下，会加快锂电池的衰减速率，降低电池的循环寿命，严重则会造成热失控，引发安全事故；在低温环境下同样会对电池寿命造成影响且诱发安全风险，如低温大倍率充电容易造成锂枝晶的生成；

　　此外，电池温度的不一致性，也会直接导致系统使用寿命的降低。中国电力科学研究院的研究结果表明，当电池模组内温差达到5℃时，电池模组的寿命比温差控制在2℃以内的模组寿命减少30%。

　　相关研究报告显示，最大温度差超过5℃会在锂离子电池内部形成热点，严重影响电池的安全性和寿命。

　　合理设计BTMS及热管理策略，可保证电池工作温度在适宜的范围内，改善电池的工作环境，对于提升电池寿命、效率及系统安全经济性有着重要的作用和意义。

　　目前最常见的电池储能系统为集装箱式，若干锂电池组成模块，模块中通常有传感器监测电压和温度。若干个模块被放置于机架中，机架再安装在储能箱体中，储能箱体中需安装热管理系统。

　　储能热管理系统是降低电池热失控风险的重要手段，其中电池储能温度监测、热控制是热管理系统的主要功能，目前常见的散热技术包括风冷散热、液冷散热、相变散热和热管散热。

　　风冷是采用空气作为换热媒介，使用空气在电池组中进行循环，利用电池模块和空气之间的温差进行热传递，一般分为被动风冷和主动风冷。

　　液体拥有比空气更高的比热容、更高的导热率，且液冷冷却速度较快，对降低局部最高温度、提升电池模块温度一致性效果显著，同时液冷相较于风冷，噪音控制较好。

　　液冷散热将是未来大功率锂电池在复杂工况下热管理的重要研究方向，但液冷系统也存在缺点，如能耗较大、密封要求高，且系统结构复杂，实际应用于储能系统相较风冷难度更大。

　　一是用载有冷却液的管道环绕、接触模块中的每个电池，降低电池温度和电池间温差，此方案比较适用于圆柱形电池[图6(a)]；

　　二是直接将电池模组浸泡在不导电的冷却液中，此方案能对电池所有面进行冷却，有助于提高温度一致性，目前常用于超级计算系统的服务器上，但运用于储能领域漏液风险大，很少被应用[图6(b)]；

　　三是在电池或者电池模块之间放置冷却板，冷却板内有液体微通道，此方案适用于棱柱形电池或者软包电池[图6(c)]。

　　PCM能在恒温或者近似恒温的情况下发生相变，并在相变过程中吸收/释放潜热从而达到降温的效果。

　　目前，采用固-液型PCM的BTMS具有较好的应用前景，由于其比热容高，可大大减轻系统质量，且冷却效率也比液冷高出3~4倍；

　　其不足是某些PCM体积变化大，对于系统的空间需求大，同时，PCM吸收的热量不能有效地释放到外界环境中。

　　纯PCM有着较大的蓄热能力，但是热导率较低，为了解决这个问题，研发了复合型PCM，常见的是与纳米颗粒、金属泡沫或膨胀石墨等其他材料结合[38]。

　　风冷散热系统的优点为系统设计相对简单，成本低，易于实现和维护，可靠性高。其缺点也很明显：较低的比热容、较小的导热系数，不适用于高功率的场景，其散热效率低下，且受环境温度影响大，并且强制风冷产生大量噪音。

　　液体冷却的优点是具有更高的比热容，质量流量，更快的传热速度；具有较好的冷却效果，能达到均匀的温度分布。其缺点为布局复杂、部件较多、系统质量大、成本高和可靠性差，需要较高的密封性，且有泄露液体的风险。

　　相变材料冷却的优点是与相同操作条件下的空气或液体冷却相比，它在电池表面提供了更均匀的温度分布且反应速度快，并且储能密度高、节能、结构紧凑，可降低复杂度、节约成本。

　　热管冷却的优点是热管具有高热导率，体积相对较小、质量较轻，也可以根据可用空间以不同形式制造，并且在运行期间不需要维护，且具有优良的等温性、热流方向可逆性。其缺点则是容量小，接触面积小，系统结构复杂，泄漏风险大，成本高，技术复杂。

　　根据上述各类技术特点，本文从导热系数、比热容、散热速度、温差分布、寿命和成本等方面对比了各类技术的应用效果，如表7所示。

　　随着锂离子储能技术向着高容量和紧凑化的方向发展，锂电池的热安全性成为现阶段研究的重点，且锂离子电池相较于其他电池，对工作温度的要求更为严苛.

　　如何让储能系统的大量电池在稳定的环境下安全运行成为必须解决的问题，需要热管理系统准确监控电池的状态，在温度偏离正常范围时及时控制电池温度。

　　(1)在电池的性能方面，总结了温度对电池充放电效率、循环寿命和安全性的影响，数据显示温度控制是电池正常运行的重要保障。

　　(2)在电池储能热管理技术方面，风冷、液冷、相变散热和热管技术是目前大规模电池储能的主要技术类型，各类热管理系统设计中关键因素不同，需要通过设计参数优化、系统设计及控制策略等途径来提升热管理效果及综合能效。

　　(3)通过散热效率、散热速度、温差分布、寿命和成本对不同散热技术进行对比，结果表明液冷、热管冷却及相变冷却在散热速度上均优于风冷技术，热管冷却具有更优的降温效果，但风冷成本较低。

　　电池温度与其动态产热工况密切相关，应结合实际工况，制定有效的实时控制策略,实现高效、低能耗电池热管理。

　　目前，大部分系统设计重点集中于控制温度,较少考虑系统能耗、体积和质量，应综合考虑各项指标。另外，各类热管理技术都在某些方面存在一定的缺陷，单一的冷却手段在某些工况下可能无法满足电池的散热要求。