储能热管理专题

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当下流行的热管理应用场景在二方面,第一个是新能源车的动力电池,第二个是储能行业的储能电池。

先说储能的各类占比:                                                                                                                 电化学储能产业链分为上游设备商、中游集成商、下游应用端三部分。上游设备包括 电池组、储能变流器(PCS)、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)、热管理和 其他设备等,多数从业者为其他相近领域延伸而来;中游环节核心为系统集成+EPC;下 游主要分为发电端、电网端、户用/商用端、通信四大场景。储能产业链多数企业参与其中 1-2 个细分领域,少数企业从电池到系统集成,甚至 EPC 环节全参与。

储能的热管理技术路线

       管理成为储能系统核心,风冷与液冷是目前成熟的技术路线。储能热管理的冷却方式 主要有以下三大技术路线:风冷(空气冷却)、液冷和相变冷却。目前国内的储能系统热管 理路线基本都采用强迫风冷的方式,国外已经有应用液冷散热。也有很多工程师在研究相变 材料和液冷或风冷的混合模式,但都还不成熟。风冷和液冷的核心区别是传热介质的不同。具体来看,液体介质的传热效率是最高的,能达到 0.5-10;空气介质的传热效率一般在零点几左右;从换热系数来说,空气介质较低(25-100),液体介质较高(1000-1.5 万)。

       风冷系统简单成本较低,液冷功耗更低效果更好。风冷系统具备系统简单、制造成本低、 便于安装等特点。在电池能量密度低,充放电速度慢的场景有比较多的应用。液冷具备载热 量大,换热效率高的特点,在电池包能量密度高,充放电速度快,环境温度变化大的场合得 到广泛的应用。液冷系统可以和电池包高度集成,所需空间小,无需担心灰尘,水汽凝结。但液冷技术的成本相对更高昂,若装机量较大(5MWh 以上),液冷的成本会大大降低。

风冷技术:空调制冷,风道交换热量

       风冷的核心是空调和风道。目前,在功率密度较小的集装箱储能系统和通信基站储能系统中主要采用风冷技术。一方面是因为风冷系统结构简单,安全可靠,并且易于实现;另一方面是因为储能系统对能量密度和空间的限制不像动力电池系统那么苛刻,可以通过 增加电池数目来获得较低的工作倍率和产热率。以集装箱式锂电池储能系统为例,该系统由标准集装箱、锂离子电池系统、电池管理系统、储能变流器、空调和风道、配电柜、七 氟丙烷灭火装置等组成。

液冷技术:制冷效率更高

       液冷方案在保证储能系统安全、散热效率等方面综合优势显著。液冷方案采用水、乙 醇、硅油等冷却液,通过液冷板上均匀分布的导流槽和电芯间接接触进行散热。其优点包 括:1)靠近热源,高效制冷;2)与相同容量的集装箱风冷方案相比,液冷系统不需要设 计风道,占地面积节约 50%以上,更适合未来百 MW 级以上的大型储能电站;3)相比风 冷系统,由于减少了风扇等机械部件的使用,故障率更低;4)液冷噪声低,节省系统自 耗电,环境友好。液冷系统的核心为冷水机和液冷板。其中冷水机包括压缩机、冷凝器、节流器、蒸发 器和水泵等部件。

风冷、水冷的应用场景不同

       安全性和经济性双轮驱动,热管理技术转向液冷。风冷所涉及的冷却结构简单、便于 安装、成本较低,但制冷效果低下、无法实现精准控温、需要大面积散热通道。行业目前 装机较多的通信基站、小型地面电站等功率密度相对较低的项目,风冷制冷效率可以满足。液冷通过冷却液对流换热,散热更高效均匀,且可靠性更佳。未来随着新能源电站、离网 储能等更大电池容量、更高系统功率密度的储能电站需求起步,储能系统能量密度与发热 量更大,对安全性和寿命的要求更高,将推动行业更多转向采用液冷方案。宁德、阳光电 源、比亚迪等头部企业已率先切换,龙头示范效应将驱动液冷渗透加速。

储能液冷与动力电池热管理差异化技术要求,更看重经济性

       储能电池和动力电池系统在应用场景、性能、寿命等方面有不同之处。二者在技术原 理上并没有显著差异,但由于应用场景和电池容量的不同,对于二者的性能和使用寿命等 要求也不同:1)动力电池追求更高的能量密度和充电速度,而储能电池对能量密度要求 较小,但需要较高的循环次数;2)电池容量方面,储能系统容量大,对电池一致性、系 统成本和使用寿命要求更高,更加考验电池管理系统和能量管理系统性能。在相同的十年 寿命的前提下,假设动力电池三天一次完全充放电,考虑三元磷酸铁锂电池组理论寿命为 1200 次,则三元磷酸铁锂电池组寿命在十年左右。储能电池充放电更加频繁,对于循环 寿命有更高的要求,需要 3000 以上循环次数。

       储能热管理不间断工作,安全要求高。动力电池追求更高的能量密度和充电速度,同时整车需要控制质量与体积,通常采用液冷系统。储能电池对能量密度、充电速度、质量与体积要求不高,但通常需要不间断工作,寿命更长,要求热管理系统也具有长时间稳定 工作的能力和十年以上的寿命。由于储能电池循环次数更多,电池组之间的一致性不同, 发生热失控的风险更大。此外,储能电池对于安全性的要求更高,楼宇、商超等人流密集的敏感地区及备电领域安全事故的损失和影响是无法接受的,因此需要更稳定更安全的热 管理系统。