黨的二十屆三中全會強調(diào)指出,我國要加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系[1]。而可再生能源因其間歇性和波動性的特點給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)也逐漸凸顯,儲能技術(shù)為這一問題提供了科學有效的解決方案[2]。儲能技術(shù)是實現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷”三側(cè)配置優(yōu)化和協(xié)同控制的關(guān)鍵,其在電力系統(tǒng)削峰填谷、頂峰保供、調(diào)頻調(diào)壓等方面發(fā)揮著重要作用,是新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行的重要支撐[3]。

近年來,全球儲能市場發(fā)展迅猛,新增投運電力儲能項目裝機規(guī)模屢創(chuàng)新高[4]。至2023年底,我國已累計建成投運新型儲能項目累計裝機規(guī)模達3139萬kW/6687萬kWh,同比增長超過260%,提前達成了“十四五”規(guī)劃的新型儲能裝機目標[5]。

中國政府高度重視儲能及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,通過了一系列包括但不限于稅收優(yōu)惠、技術(shù)創(chuàng)新獎勵、項目補貼等形式的地方及國家政策措施,用以支持儲能及相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,極有力地推動了儲能產(chǎn)業(yè)鏈的形成和蓬勃發(fā)展[6]。根據(jù)CNESADataLink全球儲能數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計,截至2024年4月底,全國累計發(fā)布儲能相關(guān)政策1977項,主要集中在補貼、市場運行、規(guī)劃等領(lǐng)域[7]。2024年《政府工作報告》首提新型儲能,意味著發(fā)展新型儲能將成為2024年乃至今后相當長時期內(nèi)我國經(jīng)濟社會工作的重要任務(wù)之一[8]。

作為新型電力能源體系的重要組成,以鋰離子電池為主的電化學儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用在近年來得到了顯著地推進,在儲能市場中的占比與日俱增[9]。然而典型電化學儲能系統(tǒng)充放電過程中產(chǎn)生的大量熱量如不能有效管理,將會嚴重影響儲能系統(tǒng)的性能和壽命,甚至引發(fā)安全風險[10-11]。

儲能系統(tǒng)熱管理是一種有效的控制手段,能夠顯著提升儲能系統(tǒng)的性能和安全性[12]。其中,儲能液冷熱管理技術(shù)由于其優(yōu)異的性能,能夠?qū)崿F(xiàn)更為高效和均勻的散熱,從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行并延長儲能系統(tǒng)壽命,因此液冷技術(shù)在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用比例逐漸增大,已成為提升電化學儲能系統(tǒng)性能和安全性的主要解決方案[13]。文章介紹了當前分布式電化學儲能中主流熱管理技術(shù)的特點,總結(jié)了各技術(shù)的優(yōu)勢與不足,重點分析了液冷熱管理技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀,并對液冷技術(shù)未來的發(fā)展給出建議和展望。

1、儲能系統(tǒng)熱管理技術(shù)簡介

1.1儲能系統(tǒng)熱管理的需求與挑戰(zhàn)

近年來,為確保電化學儲能系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定和安全,很多企業(yè)和科研單位在高效熱管理技術(shù)研發(fā)上投入了大量的精力[14]。熱管理技術(shù)的發(fā)展不僅可以推動儲能系統(tǒng)和新能源發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用,也有利于構(gòu)建更為可靠和更為持久的清潔電網(wǎng)解決方案。

隨著預鋰化、硅碳負極等儲能電芯技術(shù)的發(fā)展,儲能系統(tǒng)能量密度逐漸提升已是必然趨勢[15]。

目前鋰離子儲能型電芯已逐漸逼近能量密度的理論極限,同樣也帶來了更大的電池熱失控風險[16-17]。

據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)不完全統(tǒng)計,2014—2023年全球儲能安全事故累計90余起,僅2023年有報道的儲能安全事故便有達十余起,部分事故如表1所示,其中鋰離子電池溫度熱失控是引起事故的主要原因[18]。因此,如何在大規(guī)模儲能系統(tǒng)中有效地管理電池產(chǎn)生的大量熱量,維持其長期穩(wěn)定的運行,是當下及未來亟須解決的基本問題。而隨著儲能電芯單體容量及功率的快速增大,電化學儲能系統(tǒng)的能量密度也越來越高,安全隱患也隨之增大,這對儲能電站的熱管理系統(tǒng)也提出了更高的挑戰(zhàn)[19]。

其次,溫度對儲能電芯性能一致性有著至關(guān)重要的影響[20]。研究表明,儲能系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布及電池熱量積累不均勻的問題,將導致儲能系統(tǒng)有效容量明顯降低[21-22]。為充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)的性能和提高儲能電芯的效率,必須引入高效的熱管理系統(tǒng)以優(yōu)化電池組的溫度分布。此外,電池的局部過熱會導致電池壽命折損,進而影響儲能電站的可運行年限[23-24]。國家標準規(guī)定,儲能熱管理系統(tǒng)需要保證電池在充放電發(fā)熱時,單簇電芯溫差不得超過6K,而部分龍頭企業(yè)的產(chǎn)品則更為嚴格[25]。因此,如何通過提高控溫精度,進而改善電池組溫度曲線、降低電池內(nèi)部不均勻損耗,是熱管理系統(tǒng)未來發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。

此外,儲能系統(tǒng)面臨的另一個挑戰(zhàn)則是極端工況下的運行穩(wěn)定性,儲能電站的應(yīng)用往往會面臨高溫、高寒、高濕、高海拔以及沙漠地帶等惡劣環(huán)境,這些嚴苛的條件對熱管理機組的穩(wěn)定性和安全性是一項嚴苛考驗[26]。當下,高溫環(huán)境下系統(tǒng)冷量衰減,極寒環(huán)境下壓縮機難以啟動,高海拔環(huán)境下存在電氣拉弧情況,高濕環(huán)境凝露導致電控短路,雷擊天氣導致控制板失效以及風沙天氣防沙等仍迫切需要解決的問題[27]。因此,復雜環(huán)境下熱管理系統(tǒng)仍能正常高效運轉(zhuǎn)是儲能系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定運行的重要保障。

總而言之,儲能系統(tǒng)的熱管理是一個復雜的問題,需要綜合考慮熱積累、溫度均勻性控制以及極端工況下的穩(wěn)定性等多個方面[28]。盡管已有多種熱管理策略被提出和應(yīng)用,但隨著儲能電芯技術(shù)的高速發(fā)展以及儲能應(yīng)用場景的多元化,如何在保證新型電化學儲能系統(tǒng)性能穩(wěn)步提升的同時,實現(xiàn)更高效、更安全、更節(jié)能環(huán)保的熱管理仍是一項巨大的挑戰(zhàn)。只有通過不斷升級熱管理技術(shù)和針對特殊工況下改進系統(tǒng),才可以有效地解決這些問題。

1.2當前主要儲能熱管理技術(shù)

目前主流的儲能熱管理技術(shù)主要是空冷、液冷、熱管冷卻和相變冷卻技術(shù),其主要優(yōu)缺點及適用范圍如表2所示,基本原理如圖1所示。為了解決儲能熱管理系統(tǒng)所面臨的上述挑戰(zhàn),研究者們不斷對這些熱管理技術(shù)進行著研究和改善[29-30]。

空氣冷卻技術(shù)通過空氣對流帶走熱量,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的優(yōu)點[35]。儲能系統(tǒng)中采用的空氣冷卻技術(shù)一般為強制冷卻,由于不存在漏液風險,除了應(yīng)用于預制艙式儲能電柜外,也適用于較為復雜、對濕度有要求的BMS(BatteryManagementSystem,電池管理系統(tǒng))及電氣系統(tǒng)[31]。

但由于空氣比熱及導熱較差的原因,風冷技術(shù)已不能滿足高功率密度和高能量密度的儲能系統(tǒng)散熱需求,且風冷儲能電站整體的溫度均勻性較差,在大規(guī)模儲能電站熱管理系統(tǒng)中所占比例逐漸減少。

液冷技術(shù)是利用液體介質(zhì)循環(huán)流動對被冷卻設(shè)備進行散熱的技術(shù),具有較高的冷卻效率,適用于高功率密度的儲能系統(tǒng)[36]。按照冷卻介質(zhì)與電芯的接觸方式不同,儲能液冷可分為間接式液冷和直接式液冷兩種。間接式液冷一般采用裝有循環(huán)流動冷卻液的冷卻板(簡稱冷板)與電芯接觸,利用液體對流換熱給電芯接觸部位降溫,轉(zhuǎn)移電池工作時產(chǎn)生的熱量[37]。直接式液冷則是通過冷卻液與儲能電池直接接觸的方式實現(xiàn)對電池高效控溫的熱管理方式。

相變熱管理技術(shù)依靠相變材料在相變過程中吸熱或放熱的特性,對儲能電芯進行冷卻或保溫,具有結(jié)構(gòu)緊湊、低接觸熱阻和良好冷卻效果的特點[38-39]。相變材料的選擇對電池散熱效果至關(guān)重要,比熱容較大、傳熱系數(shù)較高的相變材料在相同條件下能提供更好的冷卻效果,反之則效果較差[40]。由于相變材料種類和安裝空間的限制,相變冷卻技術(shù)通常與風冷或液冷技術(shù)結(jié)合使用,但存在占用空間大、綜合成本高的問題[41-42]。

熱管冷卻技術(shù)是通過熱管吸熱端與電芯接觸吸熱帶走電池熱量,再在放熱端將熱量釋放到外界的散熱技術(shù)[43-44]。相對來說,熱管冷卻技術(shù)的散熱速率和效率都高于液冷。然而,由于熱管本身并不具備主動制冷能力,應(yīng)用時其溫度均勻性及控溫精度受外界因素影響嚴重,往往需要輔以額外冷卻系統(tǒng),這會增加系統(tǒng)總重量且成本相對較高,因此熱管冷卻技術(shù)若要推廣應(yīng)用,需要在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計或管內(nèi)材料或工質(zhì)上突破。

總之,液冷熱管理技術(shù)較為成熟,有著較高的性價比,是目前電動汽車和電化學儲能電站熱管理系統(tǒng)中占比最多的技術(shù)路線[45-46]。相較風冷技術(shù),液冷更能將電芯控制在最佳溫度運行區(qū)間內(nèi),且系統(tǒng)溫差更小。在同等環(huán)境條件下若將儲能系統(tǒng)維持在同等溫度,液冷的功耗顯著低于風冷,而為達到較好的冷卻效果,相變熱管理、熱管熱管理在應(yīng)用時往往需要與風冷或液冷耦合使用,增加了系統(tǒng)復雜性與成本,因此液冷具有更優(yōu)的全生命周期經(jīng)濟性,也是最具發(fā)展前景的技術(shù)路線[47]。

2、儲能液冷熱管理技術(shù)

2.1液冷熱管理技術(shù)簡介

液冷技術(shù)具有優(yōu)異的控溫能力及極佳的性價比,已逐漸成為電化學儲能系統(tǒng)熱管理技術(shù)的主流。目前,應(yīng)用于儲能系統(tǒng)的液冷技術(shù)主要可分為直接式與間接式,具體分類方式如圖2所示。其中直接液冷分為噴淋式冷卻與浸沒式冷卻兩種,浸沒式冷卻根據(jù)浸沒液有無發(fā)生相變又分為單相浸沒式液冷和雙相浸沒式液冷。間接液冷指的是采用冷板對電池進行冷卻的技術(shù),而根據(jù)與冷板中循環(huán)介質(zhì)的不同又分為冷卻液液冷與制冷劑直冷。表3展示了不同的儲能熱管理方法的主要特征及其應(yīng)用范圍。

直接液冷中,浸沒式液冷是通過冷卻液直接接觸電池表面對電池進行散熱的技術(shù),如圖3(a)所示,儲能電芯直接浸沒在冷卻介質(zhì)中,介質(zhì)通過循環(huán)泵與制冷機組循環(huán)換熱。浸沒式液冷具有較高的冷卻效率,可顯著降低電池PACK內(nèi)最高溫度和最大溫差,提高電池溫度均勻性[48]。其中,雙相浸沒式液冷利用浸沒液在相變時吸收大量汽化潛熱的原理,有著更高的傳熱能力與控溫能力,但由于浸沒液材料限制以及密封性等原因,雙相浸沒式液冷技術(shù)在電化學儲能系統(tǒng)中應(yīng)用尚較少,而在數(shù)據(jù)中心的冷卻上得到了一定的推廣應(yīng)用[49]。未來,若能解決耐壓性、兼容性及運行穩(wěn)定性的問題,雙相浸沒式液冷將是直接式液冷的重要方向。從循環(huán)原理圖3(b)中我們可以看出,噴淋式液冷技術(shù)原理與浸沒式液冷類似,不同的是,噴淋式液冷采用噴淋的方法將冷卻液與儲能電芯接觸,使得冷卻液具有較好的流動性,但需要更大的空間尺寸和功耗。而同樣,由于材料兼容性和技術(shù)成熟度等原因,尚未大規(guī)模在電化學儲能系統(tǒng)中進行推廣[50]。

如圖4所示,間接液冷則是通過將電芯與冷板接觸,載冷劑在冷板中循環(huán)流動帶走熱量的熱管理技術(shù)[51]。按照冷板中載冷劑的類型又分為冷卻液液冷技術(shù)(圖4(a))和制冷劑直冷技術(shù)(圖4(b))。其中,冷卻液液冷技術(shù)是最早被應(yīng)用的技術(shù)之一,其冷卻效果顯著優(yōu)于風冷技術(shù),對于一些需要兼顧高性能和安全性的電子器件散熱也十分適用,目前儲能熱管理中對PCS等電氣部件采用液冷也是一個熱門的研究方向[52]。而制冷劑直冷技術(shù)由于沒有中間二次載冷的過程,因此成本與傳熱效率均優(yōu)于冷板液冷,但由于直冷系統(tǒng)精準控溫難度大、系統(tǒng)運行壓力高等原因,尚未在儲能系統(tǒng)中大規(guī)模使用,目前只在中小型新能汽車動力電池熱管理中應(yīng)用較多。

2.2儲能液冷熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

典型電化學儲能系統(tǒng)主要由電池柜、BMS系統(tǒng)、匯流柜、逆變器,配電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)以及熱管理系統(tǒng)組成,其結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。其中儲能液冷熱管理系統(tǒng)主要由核心零部件(如壓縮機、換熱器、冷板等)、冷卻液及控制系統(tǒng)組成,目前的研究也聚焦在對上述組成的優(yōu)化及改進上。

2.2.1儲能液冷熱管理系統(tǒng)組成與原理

以應(yīng)用占比最多的冷卻液式儲能熱管理系統(tǒng)為例,其系統(tǒng)組成如圖5(b)所示,主要包括制冷循環(huán)及液冷循環(huán),其中制冷系統(tǒng)多為蒸氣壓縮式制冷循環(huán),而液冷循環(huán)中則為冷卻液循環(huán)回路,兩者之間通過中間換熱器(如板換)聯(lián)接實現(xiàn)冷量傳遞。制冷劑直冷系統(tǒng)則省去了液冷循環(huán),低溫制冷劑直接與電芯進行傳熱,減少中間換熱過程,故具有更高的系統(tǒng)能效。

對液冷熱管理系統(tǒng)的改進,一直是行業(yè)與學者研究的重點。目前,已有許多學者對儲能液冷系統(tǒng)進行了研究[53-54],主要方向包括但不限于提高關(guān)鍵部件熱效率、降低系統(tǒng)能耗以及通過結(jié)構(gòu)或材料的改進增強系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性等方面[55-56]。值得一提的是,自然冷卻技術(shù)被認為是一種有效降低能耗的方式[57]。通過在原制冷循環(huán)中增設(shè)空氣換熱器,在環(huán)境溫度極低時(一般低于零攝氏度)將循環(huán)冷卻液與空氣直接換熱,此時壓縮機不運行,系統(tǒng)能耗極低。而在環(huán)境溫度較低時,亦可分擔儲能電芯熱負荷,降低制冷系統(tǒng)能耗。因此,相較于常規(guī)液冷機組,結(jié)合自然冷卻技術(shù)可顯著降低熱管理系統(tǒng)的全年運行能耗,縮短儲能系統(tǒng)投資回收期,具有極佳的應(yīng)用前景。

總之,通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)優(yōu)化,可以有效提高液冷系統(tǒng)的冷卻效率和可靠性,從而支持電化學儲能行業(yè)和其他高能量需求領(lǐng)域的發(fā)展[58]。

2.2.2高效液冷系統(tǒng)關(guān)鍵零部件

與先進儲能液冷技術(shù)相對應(yīng)的,則是儲能液冷系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備。通過集成先進的冷卻設(shè)備與智能控制系統(tǒng),才能夠充分發(fā)揮出先進液冷技術(shù)的能力,實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的高效熱管理[59]。

高效智能液冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件主要包括壓縮機、循環(huán)泵、冷板、換熱器等。液冷設(shè)備的設(shè)計與優(yōu)化是提高液冷效率的關(guān)鍵,包括壓縮機高性能化、環(huán)保工質(zhì)替代、泵的專用化設(shè)計與優(yōu)化、液冷板流體力學與熱力學優(yōu)化、熱交換器設(shè)計等方面[60]。

1)壓縮機

壓縮機作為制冷系統(tǒng)的核心部件,在儲能液冷系統(tǒng)中,是最為關(guān)鍵的部件之一。隨著儲能系統(tǒng)的不斷發(fā)展,對壓縮機的能效、可靠性、使用壽命等方面都提出了新的要求[61]。首先,為適應(yīng)設(shè)備內(nèi)部有限的安裝空間,壓縮機小型化和輕量化設(shè)計是必然,然而,也需要保證嚴苛環(huán)境下的運行穩(wěn)定性。同時隨著環(huán)保法規(guī)的不斷升級,開發(fā)使用新型環(huán)保工質(zhì)的壓縮機也是必然趨勢。諸多壓縮機企業(yè)都宣布將進行適用于儲能領(lǐng)域的壓縮機研發(fā),未來的壓縮機必將朝著高速無油化、變頻變?nèi)荨掃\行溫域、抗振消音等特點發(fā)展。

2)循環(huán)泵

循環(huán)泵作為冷板式液冷系統(tǒng)循環(huán)的主要部件,在冷卻液系統(tǒng)中承擔著循環(huán)和補液的功能,往往需要全天候運轉(zhuǎn),因此其性能好壞對液冷系統(tǒng)有直接影響[62]。儲能電站應(yīng)用地域廣泛,工作環(huán)境溫度為-40~45℃,因此循環(huán)泵也應(yīng)具備較寬的工作溫度區(qū)間。同時,由于循環(huán)冷卻液兼容性的要求不同,循環(huán)泵也需要不同的防腐方案。為應(yīng)對儲能領(lǐng)域可能存在的高海拔、強風沙、高濕度、高鹽霧的各類發(fā)電側(cè)環(huán)境,以及緊湊有限的安裝空間需求,一些泵業(yè)公司不斷地研發(fā)高效儲能用泵產(chǎn)品,未來小型化、高效能、高可靠性的循環(huán)泵解決方案必然是主流。

3)冷板

冷板是儲能系統(tǒng)中起對電芯散熱與支撐結(jié)構(gòu)作用的部件[63]。作為導熱部件,冷板的溫度均勻性是電芯間熱均勻的保證;而作為結(jié)構(gòu)件,冷板不僅要具備剛性與輕量化的特點,還應(yīng)耐腐蝕、可靠性強。按照冷卻結(jié)構(gòu)形式,冷板可分為底部冷卻、上部冷卻、側(cè)面冷卻以及三面冷卻。其中,三面冷卻具有最高的冷卻能力及均溫性,但其加工難度及成本也最高。按照加工工藝,冷板主要可分為:鋁基板埋銅管式、攪拌摩擦焊式、吹脹式以及沖壓釬焊式等,不同的工藝所具備的承壓能力也不同,相對來說,埋銅管式承壓能力最強,但也成本相對較高。目前,由于成本及加工難度等原因,冷板批量加工主要以沖壓釬焊和吹脹式作為主要技術(shù)路線。

而按照冷板內(nèi)介質(zhì)循環(huán)的形式,可分為冷卻液液冷板(冷板中為單相冷卻液)和制冷劑直冷板(冷板中為氣液兩相制冷劑)。冷板,無論是用于冷卻液液冷系統(tǒng)或是制冷劑直冷系統(tǒng),其流道與結(jié)構(gòu)設(shè)計對系統(tǒng)的溫度均勻性、換熱性能以及能耗都有直接影響。因此,作為關(guān)鍵部件的直冷板的設(shè)計及優(yōu)化十分重要,如微冷板通道設(shè)計、流道仿生優(yōu)化等均是當下研究的重點[64-65]。其中利用計算流體力學(CFD)對冷板進行模擬優(yōu)化則也是一個快速且節(jié)約研發(fā)成本的方法[66]。未來液冷板的改進應(yīng)以優(yōu)化冷板流道、改善溫度分布、采用更穩(wěn)定材料等為主,進而提高液冷熱管理技術(shù)的可靠性和經(jīng)濟性。

4)換熱器換熱器為系統(tǒng)與環(huán)境進行熱交換的核心元件,其換熱效率對系統(tǒng)性能有較大影響[67]。現(xiàn)有液冷系統(tǒng)中常用的換熱器主要有板式換熱器、翅片管換熱器以及微通道換熱器,根據(jù)其功能及特點的不同,所適用的領(lǐng)域也不盡相同。

微通道換熱器通過在內(nèi)部形成微小通道,使得管內(nèi)液體流速增快并減薄邊界層,從而更有效地發(fā)散熱量,提高散熱效率,具有高效換熱和布局緊湊的特點,是當下儲能熱管理系統(tǒng)應(yīng)用和研究的重點方向之一[68]。在小型分布式儲能系統(tǒng)中,冷凝器采用微通道換熱器是一種趨勢。然而由于微通道換熱器易臟堵的原因,在大規(guī)模集中式儲能系統(tǒng)的熱管理制冷系統(tǒng)中,一般采用性能更穩(wěn)定的套片式翅片管換熱器作為冷凝器。未來的儲能系統(tǒng)換熱器設(shè)計時,不僅要考慮惡劣環(huán)境下?lián)Q熱器易臟堵、破損的問題,還應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用場景采取相應(yīng)的保障措施,以保證儲能系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

總體而言,隨著壓縮機、循環(huán)泵等部件的產(chǎn)品專用化改進,冷板的性能優(yōu)化以及換熱器結(jié)構(gòu)改良等關(guān)鍵部件的創(chuàng)新,儲能液冷系統(tǒng)的性能得到進一步提升,這也是未來儲能液冷系統(tǒng)的重點發(fā)展方向。

2.2.3儲能液冷系統(tǒng)冷卻液

冷卻液是液冷系統(tǒng)的重要組成,合適的冷卻液不僅可以提高系統(tǒng)的效率,還可以延長設(shè)備的使用壽命,因此冷卻液的研究也是液冷系統(tǒng)發(fā)展重點方向之一[69-70]。理想的冷卻液一般需要同時滿足:絕緣性能良好和傳熱性能優(yōu)異、低運動粘度、化學穩(wěn)定性高、不燃、環(huán)境性能友好且與電子部件接觸時不產(chǎn)生任何腐蝕等條件[71]。目前研究較多的冷卻液包括乙二醇水溶液、去離子水、碳氫化合物、電子氟化液、硅油類等,表4列出了這些冷卻液的主要特點,其性能與應(yīng)用的場合都有所不同。

一般來說,間接液冷系統(tǒng)中,純水是一種優(yōu)秀的載冷液,比熱容大且成本低廉,但其冰點為0℃,故不具備在低溫環(huán)境下工作的能力。最常用的解決手段便是在水中添加乙二醇降低溶液的冰點。

隨著乙二醇濃度增加,水溶液冰點不斷降低,最低可達零下48℃,使得液冷系統(tǒng)內(nèi)的冷卻液不易結(jié)冰。然而,乙二醇存在著長期使用氧化酸化的問題。因此,目前應(yīng)用上多采用通過添加各類添加劑的方式延緩乙二醇酸化氧化時間,但在使用后期易出現(xiàn)由于添加劑消耗過快而導致液冷系統(tǒng)管路出現(xiàn)腐蝕及沉積等情況,極易造成液冷管路的堵塞或泄露,對儲能系統(tǒng)的安全性造成影響,因此冷卻液及其循環(huán)系統(tǒng)的改進、維護是一項需要長期進行的工作。

間接液冷中的制冷劑直冷系統(tǒng),采用制冷系統(tǒng)中的制冷劑作為冷卻介質(zhì),在與電池組換熱時為相變傳熱,因此制冷劑直冷技術(shù)換熱能力優(yōu)于常規(guī)冷卻液系統(tǒng)。但由于電化學儲能可能存在的熱失控及燃爆風險,對于制冷劑直冷系統(tǒng)來說,所采用的制冷劑應(yīng)為不易燃工質(zhì)。同時,電化學儲能應(yīng)用地域廣闊,有時會面臨高溫、極寒、高海拔等惡劣環(huán)境,這些環(huán)境下往往維護較難,所采用的制冷劑也應(yīng)具有使用溫區(qū)廣、與管路材料兼容性好、工作壓力低等良好的熱物理性質(zhì),以確保系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定可靠運行。值得注意的是,所有需使用制冷劑的熱管理系統(tǒng),均面臨著制冷劑替代的問題。制冷劑按照發(fā)展歷程可分為四代,目前應(yīng)用最廣泛的為第三代制冷劑氫氟烷烴(HFCs),但其大氣壽命長、溫室效應(yīng)強,已被國際組織逐漸禁止使用。中國也于2021年9月15日也正式宣布加入《基加利修正案》,至2045年對HFCs的生產(chǎn)與消費削減80%。零ODP和低GWP值的第四代制冷劑,如自然工質(zhì)(R744、R290等)、氫氟烯烴(HFOs)等,有望是未來替代制冷劑。因此,未來制冷設(shè)備以及制冷劑直冷系統(tǒng)中亦需要采用環(huán)境友好型的制冷劑進行系統(tǒng)設(shè)計與匹配。

而直接液冷系統(tǒng)中,浸沒液作為熱傳遞的核心工具,幾乎與系統(tǒng)內(nèi)的所有材料接觸,因此其性質(zhì)對直接液冷系統(tǒng)性能有至關(guān)重要的影響,浸沒液的研究進展是直接式液冷規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵[73-74]。目前浸沒液的研發(fā)方向主要分為水基、油基以及氟基材料。水基浸沒液典型代表為去離子水,具有性價比較好、導熱性好的優(yōu)點,但是由于配套過濾系統(tǒng)復雜,且極易被污染導致絕緣性無法保障,易造成系統(tǒng)短路。為此,研究學者提出多種解決方案,包括絕緣涂層[75],硅膠密封[76]等,但現(xiàn)在尚未有大規(guī)模示范項目。油基浸沒液主要為硅油、礦物油或其他油類,絕緣性好,零部件成熟,但油類物質(zhì)存在閃點,具有可燃性,安全性需要十分重視,且低溫下粘度大系統(tǒng)運行維護困難,因此應(yīng)用場景有限。氟基浸沒液主要為氫氟醚等電子氟化液,由于絕緣性高且不具備可燃性,是浸沒式液冷的主要應(yīng)用類型,成本是制約其發(fā)展的主要原因。

2.2.4儲能液冷熱管理系統(tǒng)集成控制及智能化

儲能熱管理系統(tǒng)集成控制也是熱管理設(shè)計的重要部分,設(shè)計目標即為實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)溫度的有效控制[77]。集成系統(tǒng)主要包括硬件和軟件,硬件主要為傳感器、控制器及關(guān)鍵部件等,而軟件則是核心監(jiān)控界面、控制策略及集成算法等。在保障溫度安全性的情況下,如何通過控制策略及算法的優(yōu)化,提高系統(tǒng)的能效和溫度的精準控制,實現(xiàn)儲能系統(tǒng)全生命周期的高效管理也是研究的重點方向[78]。

人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展,也帶動著液冷系統(tǒng)的智能化水平進一步提升[79-80]。通過集成先進的傳感器和控制系統(tǒng),并結(jié)合智能化控制算法或主動控制冷卻液的流量、制冷系統(tǒng)功率等參數(shù),可實現(xiàn)對冷卻過程的精確監(jiān)控和調(diào)節(jié),以達到最佳的熱管理效果[81]。目前常用的控制算法實現(xiàn)方式主要有邏輯門限值、PID調(diào)節(jié)、MPC算法以及深度學習和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。通過控制算法之間的相互結(jié)合,如PID與模糊算法結(jié)合、PID與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復合、MPC與遺傳算法結(jié)合等方式對控制方式進行改進,進而達到提高響應(yīng)速度、降低綜合運行能耗以及提升溫度控制效果等目標。

3、結(jié)論與展望

儲能系統(tǒng)熱管理技術(shù)中,液冷技術(shù)因其散熱效率高、成本較低且容易實現(xiàn)等優(yōu)越性能,逐漸成為了主流的熱管理方式,在實踐應(yīng)用及研究中已經(jīng)取得了一定的進展。未來,通過開發(fā)專用性、通用性、擴展性并存的液冷熱管理設(shè)備,進一步拓展液冷熱管理技術(shù)在交通運輸、能源工業(yè)、電子設(shè)備等儲能場景的應(yīng)用,甚至在數(shù)據(jù)中心、充電站、信號基站等領(lǐng)域的應(yīng)用,對實現(xiàn)降本增效,助力雙碳目標的實現(xiàn)具有重要的意義。

針對目前液冷熱管理技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,主要結(jié)論如下:

1)隨著對環(huán)保和能效的要求增高,儲能液冷熱管理系統(tǒng)的設(shè)計不僅應(yīng)考慮溫度控制的效果、成本、體積等初期因素,也需要綜合考慮壽命、輕量化、環(huán)境友好及綜合能效等長期運行因素。

2)單一的散熱方式均有各自的優(yōu)缺點,可能無法同時滿足儲能系統(tǒng)復雜情況下的運行工況,因此,液冷與其他熱管理方式的耦合,即復合式熱管理,也是未來發(fā)展的方向。通過不同熱管理方式之間的復合,達到既能兼顧單一熱管理方式的優(yōu)勢,又能弱化原本的劣勢,進而提升整體冷卻性能的效果。

3)壓縮機、循環(huán)泵、冷板、換熱器等關(guān)鍵部件是液冷熱管理的基本組成,需要針對規(guī)模化儲能及工商儲等實際應(yīng)用場景的合理優(yōu)化乃至專用化設(shè)計,這既是保障儲能系統(tǒng)安全長壽命運行的基本要素,也是降低系統(tǒng)總能耗的關(guān)鍵。

4)研發(fā)寬使用溫域、兼容性好、導熱能力強的冷卻液,是液冷技術(shù)推廣應(yīng)用的一個重要突破點。

但冷卻液的研究不能僅停留在實驗室,如何突破規(guī)模化儲能中冷卻液當下存在的腐蝕性、穩(wěn)定性不足以及運行維護成本高等問題,是極其重要的一步。此外,制冷劑作為直冷系統(tǒng)的冷卻介質(zhì),也應(yīng)向著下一代環(huán)保制冷劑發(fā)展。同樣,無論直接式液冷還是間接式液冷,均需結(jié)合環(huán)境和硬件需求“因地制宜”地選擇冷卻液,以確保最佳的熱傳遞和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5)對于大規(guī)模儲能系統(tǒng),一方面需要對散熱系統(tǒng)進行設(shè)計優(yōu)化,另一方面也需要改進控制策略。通過引入AI技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測冷卻系統(tǒng)狀態(tài)并預測性能變化趨勢,及時對系統(tǒng)進行維護或更換。同時,利用大數(shù)據(jù)分析并預測系統(tǒng)運行需求,通過改進控制策略,進而實現(xiàn)精準控溫和降低儲能系統(tǒng)綜合運行成本也是未來的一個發(fā)展方向。

6)目前市面上各類儲能液冷機組百花齊放,但為更好地推動液冷技術(shù)在儲能乃至更多產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用,雖然目前已有儲能液冷機組團體標準以及預制艙式儲能系統(tǒng)國家標準,但仍需要盡快在全國乃至國際上推出液冷的統(tǒng)一標準,以推動國內(nèi)液冷行業(yè)走在國際的前列。

儲能液冷熱管理系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的進步,為電化學儲能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。未來,液冷熱管理技術(shù)及裝備將繼續(xù)向更穩(wěn)定、更高能效、更環(huán)保和更智能化的趨勢發(fā)展。相信在不久的將來,隨著技術(shù)的不斷提升和應(yīng)用場景的不斷延伸,液冷技術(shù)將在儲能乃至更多的領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用,為實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展能源體系建設(shè)提供有力支撐。

參考文獻

[1] 周孝信,趙強,張玉瓊,等.“雙碳”目標下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢分析———綠電替代與綠氫替代[J].中國電機工程學報,2024,44(17):6707-6721.

[2] 卓振宇,張寧,謝小榮,等.高比例可再生能源電力系 統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2021,45(9):171-191.

[3] ABBASQ,MOJTABAOJTABA M,MICHAEL-R-C H,etal.Currentstateandfutureprospectsforelectrochemicalenergystorageandconversionsystems [J].Energies(Basel),2020,13(21):5847.

[4]潘新慧,陳人杰,吳鋒.電化學儲能技術(shù)發(fā)展研究[J].中國工程科學,2023,25(6):225-236.

[5] 李明,鄭云平,亞夏爾·吐爾洪,等.新型儲能政策分析 與建議[J].儲能科學與技術(shù),2023,12(6):2022-2031.

[6] 陳維江,靳曉凌,吳鳴,等.雙碳目標下我國配電網(wǎng)形態(tài)快速演進的思考[J].中國電機工程學報,2024,44(17):6811-6818.

[7] 陳海生,李泓,徐玉杰,等.2023年中國儲能技術(shù)研究 進展[J].儲能科學與技術(shù),2024,13(5):1359-1397.

[8] 中華人民共和國國務(wù)院.政府工作報告[R].(2024-03-05)[2024-03-12].https:∥www.gov.cn/yaowen/ liebiao/202403/content_6939153.htm.

[9] 孟祥飛,龐秀嵐,崇鋒,等.電化學儲能在電網(wǎng)中的應(yīng)用分析及展望[J].儲能科學與技術(shù),2019,8(S1):38-42.

[10] TRSGBENOU,FOPAH-LELE A,WANG K.Recentstatusandprospectsonthermochemicalheatstorageprocessesandapplications[J].Entropy(Basel),2021,23(8):953.

[11]潘新慧,陳人杰,吳鋒.電化學儲能技術(shù)發(fā)展研究[J].中國工程科學,2023,25(6):225-236.

[12] 李晉,王青松,孔得朋,等.鋰離子電池儲能安全評價研 究進展[J].儲能科學與技術(shù),2023,12(7):2282-2301.

[13] WUXL,LUYJ,OUYANGHSH,etal.The-oreticalandexperimentalinvestigationsonliquidimmersioncoolingbatterypacksforelectricvehiclesbased onanalysisofbatteryheatgenerationcharacteristics [J].EnergyConversionandManagement,2024,310 118478.

[14] MAO YZ,LIU QY,XU QR,etal.Reviewofpreventionandmitigationtechnologiesforthermalrunawayinlithiumionbatteries[J].Aerospace Traffic andSafety,2024,1(1):55-72.

[15] ZHENG W T,LIZ,TAN L,etal.Recentadvances insynthesisandmodificationstrategiesforlithium ionbatteryternarycathodes[J].JournalofEnergy Storage,2024,98113085.

[16]喻航,張英,徐超航,等.鋰電儲能系統(tǒng)熱失控防控技術(shù)研究進展[J].儲能科學與技術(shù),2022,11(8):2653-2663.

[17] 吳唐琴.鋰離子電池產(chǎn)熱和熱誘導失控特性實驗研 究[D].合肥:中國科學技術(shù)大學,2018.