摘 要：【目的】?jī)?chǔ)能電池對(duì)溫度敏感，需要精確的電池管理系統(tǒng)以保持電池組的最佳工作溫度范圍和溫度的均一性，進(jìn)而提高電池系統(tǒng)的性能和使用壽命，因此，對(duì)基于液冷管理技術(shù)的儲(chǔ)能電池系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要意義?！痉椒ā客ㄟ^(guò)分析溫度對(duì)電池性能的影響，介紹了各種電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，并從間接接觸、直接接觸兩方面綜述了液冷管理技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對(duì)比了兩種冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)。【結(jié)果】間接液冷的優(yōu)化主要集中在冷卻系統(tǒng)的流道結(jié)構(gòu)、夾套、冷板和冷卻介質(zhì)的改進(jìn)，直接液冷的研究重點(diǎn)在于冷卻介質(zhì)的優(yōu)化。【結(jié)論】研究結(jié)果可為開(kāi)發(fā)基于液冷管理技術(shù)的儲(chǔ)能電站提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能電池；熱管理；間接液冷；直接液冷

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）16-0080-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.016

Research Status of Energy Storage Battery System Based on Liquid Cooling Management Technology

GONG Zhili

（Xi'an Jiaotong University， Xi'an 710049，China）

Abstract： [Purposes] Since energy storage batteries are temperature sensitive， precise battery management systems are needed to maintain the optimal operating temperature range and temperature uniformity of the battery pack， thus improving the performance and service life of the battery system. Therefore， it is of great significance to study the energy storage battery system based on liquid cooling management technology. [Methods] This paper introduces various battery thermal management technologies by analyzing the impact of temperature on battery performance， reviews the current research status of liquid cooling management technology from the aspects of indirect contact and direct contact， and compares the advantages and disadvantages of the two cooling methods. [Findings] The optimization of indirect liquid cooling mainly focuses on the improvement of the flow channel structure， jacket， cold plate and cooling medium of the cooling system， while direct liquid cooling focuses on the optimization of the cooling medium. [Conclusions] The aim of this paper is to provide technical guidance for researchers to develop energy storage power plants based on liquid cooling management technology.

Keywords： energy storage battery; thermal management; indirect liquid cooling; direct liquid cooling

0 引言

2022年2月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局正式印發(fā)《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》，明確了新型儲(chǔ)能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備。大容量的儲(chǔ)能電池系統(tǒng)可以應(yīng)用在發(fā)電、輸電、配電和用電等過(guò)程中，具有削峰填谷、降低供電成本、減小可再生能源發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊、應(yīng)急備用、提高電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性等功能，其應(yīng)用有助于推進(jìn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)［1-3］。儲(chǔ)能系統(tǒng)電池?cái)?shù)量多、規(guī)模大，在運(yùn)行過(guò)程中面臨的熱管理問(wèn)題相較于動(dòng)力電池更為復(fù)雜［4］。通過(guò)控制溫度，使電池保持適當(dāng)?shù)臏囟确秶蜏囟染鶆蛐?，能夠避免?chǔ)能電池系統(tǒng)提前老化，延長(zhǎng)使用壽命。鋰離子電池因具有能量密度高、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、產(chǎn)業(yè)鏈完整，以及與現(xiàn)有的電力設(shè)施具有良好兼容性等優(yōu)點(diǎn)，是目前最具優(yōu)勢(shì)的儲(chǔ)能電池。

1 鋰電池?zé)峁芾砑夹g(shù)介紹

過(guò)高或過(guò)低的環(huán)境溫度及組內(nèi)電池溫差增大，都會(huì)對(duì)鋰離子電池組整體的工作性能和使用壽命產(chǎn)生不利影響。為應(yīng)對(duì)極端的環(huán)境溫度和正常情況下產(chǎn)生的熱量所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，采用更精確的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（Battery Thermal Management System，BTMS）對(duì)保持電池組最佳工作溫度范圍、提高耐用性、延長(zhǎng)使用壽命至關(guān)重要［5］。

1.1 溫度對(duì)鋰電池的影響

溫度會(huì)顯著影響鋰電池的性能和使用壽命［6］， 鋰電池的最佳溫度范圍如圖1所示。由圖1可知，其理論工作溫度范圍雖為-10～50 ℃，但最佳溫度區(qū)間為15～35 ℃，電池組內(nèi)不同電池間的溫差應(yīng)小于5 ℃。高溫一方面會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加、活性材料和有效鋰離子流失，影響電池的容量和使用壽命；另一方面會(huì)使電池的內(nèi)部材料發(fā)生分解反應(yīng)。在持續(xù)高溫條件下，鋰電池內(nèi)部的SEI膜分解，然后負(fù)極材料與電解液發(fā)生反應(yīng)、隔膜熔化，最后正極材料和電解液發(fā)生分解。過(guò)低的溫度會(huì)導(dǎo)致電解液凝固，阻抗增加、電池容量下降，極端低溫會(huì)使電池負(fù)極析鋰，形成鋰枝晶，造成不可逆的容量損失，甚至刺破隔膜、造成短路。此外，單體電池間的不均勻性會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電池組在工作時(shí)產(chǎn)生木桶短板效應(yīng)，模塊間的溫度梯度會(huì)減少整體電池組的容量和壽命。由于儲(chǔ)能電池有相當(dāng)一部分來(lái)自退役動(dòng)力電池的回收梯次利用，內(nèi)阻比新電池高、發(fā)熱量更大，對(duì)溫度均一性的要求更為嚴(yán)格。

1.2 電池?zé)峁芾矸绞?/p>

影響電池組溫度的因素包括內(nèi)因和外因，內(nèi)部熱量的產(chǎn)生和傳輸受自身設(shè)計(jì)和材料性能的影響，受制于材料科學(xué)的發(fā)展，不容易取得突破性進(jìn)展。

目前，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要是通過(guò)外部方法，加強(qiáng)電池與環(huán)境的換熱效果，以保證鋰電池系統(tǒng)在整個(gè)工作期間的溫度水平都保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。

根據(jù)冷卻方式的不同，可以將電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)劃分為主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻，前者通過(guò)消耗額外的能量取得較好的熱管理效果，后者則是通過(guò)自身結(jié)構(gòu)散熱。按照所采用的冷卻介質(zhì)不同，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可劃分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻及多種冷卻方式耦合散熱等［7］。空冷和液冷是目前主流的兩種商業(yè)熱管理技術(shù)路線(xiàn)，空冷在新能源汽車(chē)和集裝箱式儲(chǔ)能方面都有廣泛應(yīng)用，但由于空氣的比熱容低、導(dǎo)熱系數(shù)低，冷卻效果一般。相較于空氣，液體的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)高、冷卻速度快，使用冷卻液作為冷卻介質(zhì)換熱性能更加可觀(guān)。常用作冷卻介質(zhì)的有水、乙二醇水溶液、制冷劑、礦物油和硅油等?；谙嘧儾牧吓c熱管冷卻的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)受制于成本和效率原因還未得到大規(guī)模應(yīng)用，采用液體冷卻熱管理技術(shù)是未來(lái)儲(chǔ)能電站發(fā)展的趨勢(shì)。

2 液體冷卻系統(tǒng)

通常根據(jù)電池是否與液體直接接觸，可以將液體冷卻方式分為直接液體冷卻方式和間接液體冷卻方式。直接液體冷卻方式是通過(guò)將需冷卻物體浸入到可以循環(huán)的冷卻液中進(jìn)行冷卻，而間接液體冷卻方式通常會(huì)采用輔助傳熱設(shè)備將冷卻液與需冷卻物體進(jìn)行隔離，再進(jìn)行冷卻。

2.1 間接液體冷卻

為避免發(fā)生短路故障，間接冷卻系統(tǒng)通常使用間接傳熱輔助設(shè)備將冷卻液與電池分離，間接液體冷卻系統(tǒng)中最常用的冷卻劑是水和乙二醇。

作為地球上最常見(jiàn)的液體，水被廣泛使用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。電池組在正常工作溫度40 ℃下的不同冷卻液的理化性能見(jiàn)表1。由表1可知，與空氣相比，水具有更高的比熱容和熱導(dǎo)率，以及更低的運(yùn)動(dòng)黏度，這確保了水可以更有效地傳遞熱量，同時(shí)消耗更少的泵送功率。因此，水通常被用作間接液體冷卻系統(tǒng)的冷卻液。某些地區(qū)在冬季的環(huán)境溫度通常會(huì)保持在0 ℃以下，會(huì)使冷卻系統(tǒng)中的水結(jié)冰。如果冷卻液結(jié)冰、體積膨脹，可能會(huì)導(dǎo)致電池組結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損，甚至引發(fā)安全事件。為防止冷卻液在冬季凝固，有時(shí)會(huì)使用水和乙二醇的混合物作為冷卻液來(lái)降低冷卻液的傾點(diǎn)。

2.2 直接液體冷卻

直接液體冷卻又稱(chēng)為浸入式冷卻，可以直接有效地將電池中的熱量轉(zhuǎn)移到液體中，從而消除電池組的最高溫度，并確保電池之間的溫差較小。

在浸入式冷卻系統(tǒng)中，冷卻液的性質(zhì)對(duì)冷卻系統(tǒng)的冷卻效率和熱穩(wěn)定性具有重要作用。首先，由于電池和冷卻液直接接觸，冷卻液需要電絕緣。水/乙二醇冷卻劑是用于間接冷卻系統(tǒng)的常用冷卻劑，但由于水的導(dǎo)電特性，水/乙二醇冷卻劑通常不適用于浸入式冷卻系統(tǒng)。其次，冷卻液需要高的比熱容和熱導(dǎo)率。最后，冷卻液需要難燃或足夠高的閃點(diǎn)，以降低電池過(guò)熱情況下的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、確保安全運(yùn)行。除了上述因素外，在對(duì)浸入式冷卻液進(jìn)行選擇時(shí)，其工作溫度范圍、壽命、相容性、黏度和可持續(xù)性也是需要考慮的關(guān)鍵因素。冷卻液通常采用礦物油、硅油、酯類(lèi)和氟化液等不導(dǎo)電、不易燃的物質(zhì)。

2.2.1 烴類(lèi)和硅油。礦物油和硅油的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容介于水和空氣之間，但其黏度最高。 Pesaran［8］發(fā)現(xiàn)在相同的流速條件下，礦物油冷卻系統(tǒng)將消耗更多的泵送功率來(lái)進(jìn)行循環(huán)，最終在相同的泵送功率下，礦物油冷卻系統(tǒng)的傳熱效率僅比空氣冷卻系統(tǒng)高1.5～3倍。Zhou等［9］基于鋰離子電池和二甲基硅油冷卻液的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，研究了冷卻液的流速、黏度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)電池最高溫度、最大溫差的影響，研究表明在一定范圍內(nèi)，通過(guò)增加冷卻液的流速、比熱容，可以有效降低電池的最高溫度和最大溫差；增加冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)，也可以降低電池的最高溫度，但是對(duì)最大溫差幾乎沒(méi)有影響。PAO產(chǎn)品是電池浸入式冷卻液的另一種潛在基礎(chǔ)材料，相較于礦物油具有低毒、工作溫度范圍廣、結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2.2.2 氟化液。Li等［10］研究了HFO-1336、BTP、C6F-酮、HFE-7100和F7A等5種氟碳化合物冷卻液在浸入式液冷中對(duì)電池?zé)岚踩膽?yīng)用，包括冷卻液在大電流充放電條件下的對(duì)鋰離子電池的冷卻效果、長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)下的電池健康狀態(tài)（SOH）、冷卻液對(duì)電池?zé)崾Э氐囊种颇芰Γ约袄鋮s液與長(zhǎng)期儲(chǔ)能電池的相容性。研究表明，浸入式冷卻比自然空氣冷卻具有更好的性能，5種冷卻液都具有很好的抑制或避免電池過(guò)熱的能力，除BTP外其他冷卻液都顯示出與電池的良好相容性。3M公司開(kāi)發(fā)的氫氟醚產(chǎn)品Novec具有不易燃的特性。Wang等［11］基于Novec-7000的浸入式冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)Novec-7000在單相中的強(qiáng)制對(duì)流可以使得電池模塊的最高溫度降至31.5 ℃。雖然Novec-7000作為冷卻液有極佳的冷卻能力，但其高昂的費(fèi)用和易揮發(fā)的特性限制了其廣泛應(yīng)用。

2.2.3 酯類(lèi)。酯類(lèi)具有快速生物降解性、低成本、高閃點(diǎn)、強(qiáng)防潮性和良好的介電性能，已經(jīng)在散熱方面得到了廣泛應(yīng)用。酯類(lèi)可分為合成酯類(lèi)和天然酯類(lèi)。天然酯是由具有甘油骨架的植物油產(chǎn)生，而合成酯是由多元醇和羧酸之間的反應(yīng)產(chǎn)生。與天然酯相比，合成酯具有優(yōu)異的氧化穩(wěn)定性，可以減少維護(hù)周期，但合成酯閃點(diǎn)、燃點(diǎn)比天然酯低。Ortiz等［12］強(qiáng)調(diào)了酯類(lèi)在高壓電子器件的熱管理中應(yīng)用變得廣泛，但隨著酯類(lèi)老化過(guò)程中黏度的增加，其冷卻能力會(huì)逐漸降低，需要結(jié)合酯類(lèi)在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用，進(jìn)一步研究酯類(lèi)的老化壽命問(wèn)題。

2.3 直接液體冷卻與間接液體冷卻的對(duì)比

直接液體冷卻技術(shù)與間接液體冷卻技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表2［13］?；谝后w冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)，許多研究提出了針對(duì)間接液體冷卻方式的改進(jìn)方法。如改進(jìn)其冷卻板結(jié)構(gòu)，在冷卻通道增加翼片，改用高比熱容、導(dǎo)熱率的冷卻液等。而通常對(duì)直接液體冷卻方法的改進(jìn)只能通過(guò)冷卻液的性質(zhì)入手，以此來(lái)改進(jìn)冷卻系統(tǒng)的冷卻能力。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著儲(chǔ)能電池系統(tǒng)向著高容量、緊湊化的方向發(fā)展，采用更精確的電池管理系統(tǒng)以保持電池組最佳工作溫度范圍且溫度分布均勻，已成為儲(chǔ)能電池研究的焦點(diǎn)。由于液體的熱導(dǎo)率更高，液體冷卻可以更有效地散熱，采用液體熱管理技術(shù)是未來(lái)儲(chǔ)能電站發(fā)展的趨勢(shì)，但液體泄漏是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素。此外，多種冷卻方式耦合可以彌補(bǔ)單一冷卻技術(shù)具有的缺陷，提供更好的散熱，但代價(jià)是成本更高，且設(shè)計(jì)更復(fù)雜，將混合式熱管理應(yīng)用于大容量?jī)?chǔ)能電池系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)和經(jīng)濟(jì)性分析還需要進(jìn)一步探究。評(píng)價(jià)儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)的好壞，不僅要評(píng)估管理系統(tǒng)對(duì)電池組工作溫度范圍和溫度均勻性的控制能力，還要關(guān)注系統(tǒng)的能源消耗、體積、重量、成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。未來(lái)新型液體冷卻介質(zhì)的開(kāi)發(fā)是研究重點(diǎn)，可以選擇電絕緣、導(dǎo)熱性能好、低黏度的液體作為冷卻劑，并研制相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)。

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