三伏盛夏驗(yàn)證了液冷儲(chǔ)能的必要性

酷暑時(shí)節(jié)，我國(guó)多地高溫橙色預(yù)警，工商業(yè)用電緊張的同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)也在面臨嚴(yán)峻的高溫考驗(yàn)。即使沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重的火災(zāi)或爆炸，儲(chǔ)能系統(tǒng)因高溫降載自我保護(hù)或嚴(yán)重時(shí)停擺是傳統(tǒng)風(fēng)冷項(xiàng)目中尤為常見(jiàn)的現(xiàn)象。

為了避免極端高溫天氣造成投資人和終端客戶的損失，熱管理的方案設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新尤為重要，液冷成為了儲(chǔ)能賽道的熱門技術(shù)路線。

(資料圖)

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電池?zé)崾Э乜赡軙?huì)引發(fā)的嚴(yán)重安全隱患決定了熱管理的重要性。儲(chǔ)能系統(tǒng)工作過(guò)程中，電池會(huì)持續(xù)性地發(fā)生一系列放熱副反應(yīng)。此時(shí)熱量如果得不到有效散發(fā)，可能導(dǎo)致誘發(fā)電池進(jìn)入自加溫的熱失控狀態(tài), 甚至引起電池燃燒及爆炸。因此，對(duì)于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，溫控能力格外重要。

特斯拉澳大利亞最大儲(chǔ)能電站著火，2021.07.30

溫控能力的精準(zhǔn)度對(duì)鋰電池的效率與壽命有極大影響。鋰電池最適宜的長(zhǎng)期工作溫度為：20-30℃。研究顯示，過(guò)高和過(guò)低的電池溫度都會(huì)降低電池壽命，影響電池的安全性，甚至造成永久性的損壞；在0~40℃范圍內(nèi)，電池溫度每升高 1℃，預(yù)期壽命將減少兩個(gè)月，電池的出力、安全性等均會(huì)受到影響。因此，有效的溫控系統(tǒng)能夠保證儲(chǔ)能電站的安全性以及使用壽命，更為精準(zhǔn)的溫度控制可以在一定程度上提升儲(chǔ)能系統(tǒng)性能與效率。

電芯在不同溫度下的表現(xiàn)

對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，溫度是影響電芯一致性的重要因素。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中大量的單體電芯緊密排列時(shí)，運(yùn)行工況更為復(fù)雜多變，容易造成產(chǎn)熱不均勻、溫度分布不均勻、電池間溫差過(guò)大等問(wèn)題。比如在方形的電池組中，如果長(zhǎng)期不進(jìn)行主動(dòng)熱均衡和熱管理，中間的電池通常比四周的電池溫度高5~15℃，此時(shí)電池的老化速度、充放電倍率等各項(xiàng)指標(biāo)可能已發(fā)生不可逆的變化，從而影響系統(tǒng)整體壽命。所以說(shuō)單體電芯之間的溫度差是影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要因素。

綜上所述，為了確保儲(chǔ)能項(xiàng)目長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全、高效的運(yùn)行，熱管理系統(tǒng)是鋰電池儲(chǔ)能中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

熱管理的方案對(duì)比

儲(chǔ)能溫控系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際工況要求以及工作期間電池所經(jīng)受的內(nèi)、外熱負(fù)荷狀況，采用恰當(dāng)?shù)臏乜丶夹g(shù)來(lái)管理系統(tǒng)內(nèi)、外部的熱交換的過(guò)程。熱管理技術(shù)主要為風(fēng)冷、液冷、熱管冷卻和相變冷卻技術(shù)。目前儲(chǔ)能熱管理的主流技術(shù)路線是風(fēng)冷和液冷，熱管和相變冷卻技術(shù)尚未成熟。

風(fēng)冷利用空調(diào)風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇或氣泵促使空氣流動(dòng)，在電池表面或者散熱翅片處形成強(qiáng)制對(duì)流，將電池產(chǎn)生的熱量帶走。風(fēng)冷因其統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且初始投資成本較低，成為目前儲(chǔ)能系統(tǒng)最普及的熱管理方案。但是，風(fēng)冷方案的局限性在于：1、無(wú)法準(zhǔn)確地控制單體電池之間的溫度差；2、能耗高帶來(lái)極高用電成本；3、散熱效率低，在高溫天氣下有極高的安全隱患；4、長(zhǎng)期處于不健康高溫加速電池衰減程度。

風(fēng)冷PACK（左）與液冷PACK（右）的散熱表現(xiàn)對(duì)比

相比而言，液冷在散熱效率、能耗、使用壽命及長(zhǎng)期成本等方面體現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)。

液冷儲(chǔ)能最大特點(diǎn)是散熱效率高，通過(guò)冷卻液對(duì)流直接對(duì)電芯散熱，不受外界環(huán)境因素影響，對(duì)溫度的控制更精確。液體相較氣體擁有更高的比熱容，在吸收大量的熱量后自身溫度不會(huì)產(chǎn)生明顯變化，故而能夠穩(wěn)定電池溫度。同時(shí)，液體散熱能力是同體積空氣的3000倍，導(dǎo)熱能力是空氣的25倍，故液冷技術(shù)可以使溫度傳遞效果更快、更好。另外，液冷管道排布相比氣體流向的隨機(jī)性可以實(shí)現(xiàn)更高精流場(chǎng)控制系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)電池包內(nèi)的溫度進(jìn)行采集并基于采集到的數(shù)據(jù)對(duì)整體的流量分配進(jìn)行有效控制。

在能耗方面，儲(chǔ)能液冷通過(guò)制冷劑和電芯的熱交換，大部分情況下都可以使用無(wú)需壓縮機(jī)工作的自循環(huán)模式，而風(fēng)冷由于能量密度低、受環(huán)境因素影響較大等原因，需要比液冷高4-6倍的能耗來(lái)達(dá)到相同的電池溫度控制，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的成本。

在使用壽命方面，液冷方案在精準(zhǔn)控溫及提高電池放電深度一致性的方面有顯著優(yōu)勢(shì)，可以有效減少電池組的容量衰減，從而大幅提高電池的使用壽。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，長(zhǎng)期工作溫度的差異，可能會(huì)導(dǎo)致電池實(shí)際使用壽命差異在1倍以上。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)的全生命周期內(nèi)，采用液冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。雖然液冷初期成本略高于風(fēng)冷，但液冷在系統(tǒng)功耗和運(yùn)行效率方面極大的節(jié)省了運(yùn)維成本，且因其對(duì)于電池健康運(yùn)行的保障，必然在產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)跑贏風(fēng)冷，成為獲益更高的選擇。

安瑞哲的實(shí)踐與真知

安瑞哲能源在最初研發(fā)時(shí)采用了風(fēng)冷的方案，但是在海寧廠區(qū)的實(shí)際運(yùn)行中，我們發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品的溫控與能耗問(wèn)題帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)與效益損失。

安瑞哲初代風(fēng)冷儲(chǔ)能系統(tǒng)，海寧

經(jīng)過(guò)潛心研發(fā)，安瑞哲全新推出了騏驥233-全液冷分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，這款產(chǎn)品將電池系統(tǒng)和PCS變流器一體化集成設(shè)計(jì)，并在行業(yè)內(nèi)率先采用電池系統(tǒng)和PCS變流器全液冷熱管理的設(shè)計(jì)方案，可以大幅提高整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合效率。騏驥233經(jīng)過(guò)了市場(chǎng)的檢驗(yàn)，從項(xiàng)目運(yùn)行的真實(shí)數(shù)據(jù)可以看出液冷確實(shí)在各方面優(yōu)于風(fēng)冷。

騏驥233-全液冷分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)部分案例

結(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為投資回報(bào)周期較長(zhǎng)的產(chǎn)品，其安全性與使用壽命是項(xiàng)目能否盈利的重要因素。我國(guó)目前的儲(chǔ)能市場(chǎng)還在發(fā)展的初期階段，很多投入使用的項(xiàng)目還沒(méi)有經(jīng)過(guò)時(shí)間的檢驗(yàn)。在綠色能源蓬勃發(fā)展的未來(lái)，風(fēng)冷必將被取代，液冷會(huì)成為工商業(yè)用戶側(cè)或電網(wǎng)側(cè)中大型儲(chǔ)能項(xiàng)目的主要溫控方案。