我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，鋰離子電池儲(chǔ)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(yùn)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(chǔ)能系統(tǒng)安全性和長(zhǎng)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(lèi)主流電池?zé)峁芾硐到y(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(duì)比分析了不同熱管理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)熱管理技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行了探討。
1概況
儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)中逐漸體現(xiàn)多重價(jià)值。
儲(chǔ)能技術(shù)類(lèi)型多樣，其中電化學(xué)儲(chǔ)能具有響應(yīng)時(shí)間短、能量密度大、維護(hù)成本低、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年，新增投運(yùn)電化學(xué)儲(chǔ)能電站 194 座、總功率3.68GW、總能量 7.86GWh，同比增長(zhǎng) 175.81%。
目前，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能鋰電池行業(yè)發(fā)展的成熟度遠(yuǎn)不及動(dòng)力鋰電池行業(yè)，鋰電池安全性標(biāo)準(zhǔn)的制定也相對(duì)滯后。儲(chǔ)能模組/系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)、電站安全管理、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)消防標(biāo)準(zhǔn)方面屬于缺失狀態(tài)。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近十年全球一共發(fā)生了32起儲(chǔ)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(chǔ)能安全性尤為重要，而電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)正是提升儲(chǔ)能安全性的重要保障。
對(duì)于鋰電池而言，工作溫度及溫度一致性均對(duì)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(huì)加快鋰電池的衰減速率，降低電池的循環(huán)壽命，嚴(yán)重則會(huì)造成熱失控，引發(fā)安全事故；在低溫環(huán)境下同樣會(huì)對(duì)電池壽命造成影響且誘發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)，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(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)使用壽命的降低。中國(guó)電力科學(xué)研究院的研究結(jié)果表明，當(dāng)電池模組內(nèi)溫差達(dá)到5℃時(shí)，電池模組的壽命比溫差控制在2℃以?xún)?nèi)的模組壽命減少30%。
相關(guān)研究報(bào)告顯示，最大溫度差超過(guò)5℃會(huì)在鋰離子電池內(nèi)部形成熱點(diǎn)，嚴(yán)重影響電池的安全性和壽命。
合理設(shè)計(jì)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(duì)于提升電池壽命、效率及系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)性有著重要的作用和意義。
2散熱技術(shù)及其在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀
目前最常見(jiàn)的電池儲(chǔ)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(cè)電壓和溫度。若干個(gè)模塊被放置于機(jī)架中，機(jī)架再安裝在儲(chǔ)能箱體中，儲(chǔ)能箱體中需安裝熱管理系統(tǒng)。
儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)是降低電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)的重要手段，其中電池儲(chǔ)能溫度監(jiān)測(cè)、熱控制是熱管理系統(tǒng)的主要功能，目前常見(jiàn)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(jìn)行循環(huán)，利用電池模塊和空氣之間的溫差進(jìn)行熱傳遞，一般分為被動(dòng)風(fēng)冷和主動(dòng)風(fēng)冷。
風(fēng)冷模塊機(jī)組
影響其冷卻效率的因素主要有冷卻方式、空氣流場(chǎng)設(shè)計(jì)、電池排布及進(jìn)氣口風(fēng)速等。
風(fēng)冷儲(chǔ)能系統(tǒng)
2.2液冷散熱
對(duì)于大規(guī)模電池組的高倍率充放電過(guò)程，風(fēng)冷系統(tǒng)的冷卻能力已經(jīng)不能滿(mǎn)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(duì)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(shí)液冷相較于風(fēng)冷，噪音控制較好。
液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)品
液冷散熱將是未來(lái)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(diǎn)，如能耗較大、密封要求高，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)相較風(fēng)冷難度更大。
液冷儲(chǔ)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(jì)，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(shí)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(gè)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(duì)電池所有面進(jìn)行冷卻，有助于提高溫度一致性，目前常用于超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)的服務(wù)器上，但運(yùn)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域漏液風(fēng)險(xiǎn)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(guò)程中吸收/釋放潛熱從而達(dá)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(duì)于系統(tǒng)的空間需求大，同時(shí)，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(gè)問(wèn)題，研發(fā)了復(fù)合型PCM，常見(jiàn)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(lèi)散熱技術(shù)的對(duì)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(duì)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(diǎn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，可靠性高。其缺點(diǎn)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(chǎng)景，其散熱效率低下，且受環(huán)境溫度影響大，并且強(qiáng)制風(fēng)冷產(chǎn)生大量噪音。
液體冷卻的優(yōu)點(diǎn)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(dá)到均勻的溫度分布。其缺點(diǎn)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(xiǎn)。
相變材料冷卻的優(yōu)點(diǎn)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(chǔ)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(diǎn)則是當(dāng)PCM發(fā)生相變時(shí)，體積變化很大，容易泄漏，并且固化時(shí)間較長(zhǎng)。
熱管冷卻的優(yōu)點(diǎn)是熱管具有高熱導(dǎo)率，體積相對(duì)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(yùn)行期間不需要維護(hù)，且具有優(yōu)良的等溫性、熱流方向可逆性。其缺點(diǎn)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(xiǎn)大，成本高，技術(shù)復(fù)雜。
根據(jù)上述各類(lèi)技術(shù)特點(diǎn)，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(duì)比了各類(lèi)技術(shù)的應(yīng)用效果，如表7所示。
4總結(jié)
隨著鋰離子儲(chǔ)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(diǎn)，且鋰離子電池相較于其他電池，對(duì)工作溫度的要求更為嚴(yán)苛.
如何讓儲(chǔ)能系統(tǒng)的大量電池在穩(wěn)定的環(huán)境下安全運(yùn)行成為必須解決的問(wèn)題，需要熱管理系統(tǒng)準(zhǔn)確監(jiān)控電池的狀態(tài)，在溫度偏離正常范圍時(shí)及時(shí)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(duì)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(yùn)行的重要保障。
(2)在電池儲(chǔ)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(chǔ)能的主要技術(shù)類(lèi)型，各類(lèi)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵因素不同，需要通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略等途徑來(lái)提升熱管理效果及綜合能效。
(3)通過(guò)散熱效率、散熱速度、溫差分布、壽命和成本對(duì)不同散熱技術(shù)進(jìn)行對(duì)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(dòng)態(tài)產(chǎn)熱工況密切相關(guān)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工況，制定有效的實(shí)時(shí)控制策略,實(shí)現(xiàn)高效、低能耗電池?zé)峁芾怼?/span>
目前，大部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)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(xiàng)指標(biāo)。另外，各類(lèi)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(wú)法滿(mǎn)足電池的散熱要求。
因此，根據(jù)實(shí)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。
資料來(lái)源：鋰離子電池儲(chǔ)能熱管理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析；作者：石博文，李明哲，葉季蕾
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