熱管理本體技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)

儲能系統(tǒng)的熱管理技術(shù)涉及多個關(guān)鍵性能參數(shù)，這些參數(shù)直接影響熱管理系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和成本。以下是幾項主要的關(guān)鍵性能參數(shù)：

1）｜熱效率

(Heat Transfer Efficiency) – HTE

換熱效率是衡量熱管理系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)。它指的是單位時間內(nèi)從電池組件中移除的熱量與系統(tǒng)消耗的能量之間的比值。高換熱效率意味著系統(tǒng)能夠更有效地控制電池溫度，避免過熱或過冷，延長電池的使用壽命。

2）｜溫度均勻性

(Temperature Uniformity)- TUE

溫度均勻性是指熱管理系統(tǒng)能夠保持電池組內(nèi)部溫度分布的均勻程度。良好的溫度均勻性可以防止電池出現(xiàn)局部過熱或過冷現(xiàn)象，降低熱失控的風(fēng)險，并確保電池性能的一致性和安全性。

3）｜熱響應(yīng)時間

(Thermal Response Time) – TRT

熱響應(yīng)時間是指熱管理系統(tǒng)響應(yīng)溫度變化的速度。較短的熱響應(yīng)時間意味著系統(tǒng)能夠迅速調(diào)整并穩(wěn)定電池溫度，確保在不同工況下的運行。特別是在儲能系統(tǒng)頻繁充放電時，快速響應(yīng)能力尤為重要。

4）｜系統(tǒng)可靠性

(System Reliability) – SR

系統(tǒng)可靠性是指熱管理系統(tǒng)在長期運行中的穩(wěn)定性和耐用性。可靠性高的系統(tǒng)能夠在各種環(huán)境和工作條件下保持正常運轉(zhuǎn)，減少故障率和維護成本，提升整體經(jīng)濟效益。

5）｜能耗

(Energy Consumption) – EC

能耗是衡量熱管理系統(tǒng)運行成本的重要指標(biāo)。低能耗的系統(tǒng)不僅可以減少運行費用，還能提高整體儲能系統(tǒng)的能效比，優(yōu)化經(jīng)濟性。能耗的控制對儲能系統(tǒng)的長期運營成本具有重要影響。

6）｜環(huán)境適應(yīng)性

(Environmental Adaptability) – EA

環(huán)境適應(yīng)性是指熱管理系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下（如高溫、高濕、低溫等）穩(wěn)定運行的能力。良好的環(huán)境適應(yīng)性能夠確保儲能系統(tǒng)在各種惡劣環(huán)境下仍能安全地工作，拓寬其應(yīng)用范圍。

02

風(fēng)冷技術(shù)

風(fēng)冷系統(tǒng)是以空氣為介質(zhì)，利用風(fēng)扇或自然風(fēng)對流散熱實現(xiàn)對電池模塊的溫度控制。風(fēng)冷散熱效果良好，成本低，在系統(tǒng)散熱量不大的情況下是方式。然而，隨著儲能系統(tǒng)規(guī)模和功率密度的增加，風(fēng)冷技術(shù)的局限性也逐漸顯現(xiàn)。

1）｜技術(shù)原理

風(fēng)冷技術(shù)通過風(fēng)扇或自然風(fēng)對流將熱量從電池表面帶走。風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流流過電池組，吸收電池運行過程中產(chǎn)生的熱量，然后將這些熱量通過換熱器散發(fā)到外部環(huán)境中。自然風(fēng)冷則依賴空氣的自然對流進行散熱。

風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計圍繞風(fēng)道設(shè)計、電池間距、風(fēng)扇數(shù)量及排列方式等參數(shù)，在不同充放電倍率及環(huán)境溫度下的熱管理效果開展研究。流體風(fēng)阻和電池間距等通常是風(fēng)冷散熱分析的首要設(shè)計點，通過使用冷卻效率系數(shù)定量評估散熱效果，使用電池模塊橫縱向間距、風(fēng)速、雷諾數(shù)、溫度及溫升和溫均性等參數(shù)來衡量設(shè)計特性。

（圖1：風(fēng)冷冷卻結(jié)構(gòu)）

2）｜熱效率

風(fēng)冷技術(shù)主要應(yīng)用于小型儲能系統(tǒng)和環(huán)境溫度較低的地區(qū)。在家庭儲能系統(tǒng)和小型商業(yè)儲能系統(tǒng)中，風(fēng)冷技術(shù)因其成本低、易于安裝和維護，仍被廣泛采用。特別是在溫度相對較低的環(huán)境中，新風(fēng)技術(shù)能夠有效利用環(huán)境空氣進行散熱，滿足儲能系統(tǒng)的熱管理需求。

優(yōu)點：

結(jié)構(gòu)簡單：風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計和結(jié)構(gòu)較為簡單，易于安裝和維護。

成本低廉：相比液冷和其他復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，風(fēng)冷技術(shù)的初始投資和運行維護成本較低。

能耗較低：風(fēng)冷系統(tǒng)主要依賴空氣對流，能耗相對較低

缺點：

換熱效率低：風(fēng)冷系統(tǒng)的換熱效率較低，難以應(yīng)對高功率密度儲能系統(tǒng)的散熱需求。

溫度均勻性差：風(fēng)冷系統(tǒng)易導(dǎo)致電池組內(nèi)溫度分布不均，影響電池性能和壽命。

受環(huán)境影響大：風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱效果受到環(huán)境溫度和空氣濕度的顯著影響，在高溫環(huán)境下性能不穩(wěn)定。

風(fēng)冷技術(shù)在小型和低功率儲能系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用價值，但在高功率和大規(guī)模儲能系統(tǒng)中，其局限性逐漸顯現(xiàn)。未來，隨著儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)冷技術(shù)可能更多地被應(yīng)用于特定場景，而熱管理技術(shù)將成為主流。

03

液冷技術(shù)

液冷技術(shù)近年來在儲能系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，其的散熱性能和較好的溫度均勻性，使其成為目前主流的熱管理方案之一。液冷系統(tǒng)通過冷卻液在液冷板中循環(huán)流動帶走電池產(chǎn)生的熱量，具有較高的換熱效率和可靠性。

1）｜技術(shù)原理

液冷技術(shù)利用液體的高比熱容和高導(dǎo)熱性，通過冷卻液在冷卻管路或液冷板中循環(huán)流動，帶走電池運行過程中產(chǎn)生的熱量。液冷系統(tǒng)通常由冷卻液泵、冷卻液管路、液冷板、散熱器和控制系統(tǒng)組成。冷卻液通過液冷板吸收電池的熱量，流經(jīng)散熱器釋放熱量，再回到液冷板繼續(xù)循環(huán)，形成冷卻回路。

（圖2：儲能液冷系統(tǒng)）

液冷設(shè)計主要圍繞液冷板開展研究，從工藝角度可分為沖壓、吹脹、釬焊等。從散熱角度分析，通過探究冷卻介質(zhì)特性參數(shù)、介質(zhì)流速和液冷管路設(shè)計參數(shù)等對電池模塊溫度的影響開展優(yōu)化設(shè)計分析，常使用熱仿真模型與實驗相結(jié)合的方法開展研究。

（表1：冷板類型）

2）｜液冷技術(shù)主要應(yīng)用于以下場景：

液冷技術(shù)在大功率儲能系統(tǒng)和高密度儲能系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻系統(tǒng)和大型可再生能源儲能系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)對散熱性能要求較高，液冷技術(shù)能夠滿足其散熱需求。此外，在電動汽車電池組和高性能商業(yè)儲能系統(tǒng)中，液冷技術(shù)能夠保證電池組內(nèi)部的溫度均勻性，延長電池壽命。

優(yōu)點：

高換熱效率：液冷技術(shù)具有高的換熱效率，能夠快速帶走電池產(chǎn)生的熱量。

良好溫度均勻性：液冷系統(tǒng)能夠保持電池組內(nèi)部溫度的均勻性，避免局部過熱或過冷。

快速熱響應(yīng)：液冷系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)溫度變化，確保電池在不同工況下的穩(wěn)定運行。

高可靠性：液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)堅固，故障率低，維護方便。

缺點：

高初始投資：液冷系統(tǒng)的初始投資較高，包括冷卻液泵、液冷板和管路等設(shè)備。

維護復(fù)雜：液冷系統(tǒng)需要定期檢查和更換冷卻液，維護工作較為復(fù)雜。

較高能耗：液冷系統(tǒng)的能耗相對較高，尤其在大型系統(tǒng)中，冷卻液泵的功率消耗明顯。

液冷技術(shù)憑借其的散熱性能和良好的溫度均勻性，成為儲能系統(tǒng)熱管理的主流選擇。盡管其初始投資和維護成本較高，但在長期運行中，液冷技術(shù)能夠提供更高的可靠性和經(jīng)濟性，適用于大規(guī)模和高性能的儲能應(yīng)用。

04

相變冷卻技術(shù)

相變冷卻技術(shù)是一種利用相變材料（PCM）在相變過程中吸收或釋放大量潛熱來實現(xiàn)溫度控制的熱管理技術(shù)。該技術(shù)由于其的溫度調(diào)節(jié)能力和簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，近年來在儲能系統(tǒng)中得到了越來越多的關(guān)注。

1）｜技術(shù)原理

相變冷卻技術(shù)利用相變材料在相變過程中吸收或釋放熱量的特性進行溫度調(diào)節(jié)。當(dāng)電池溫度升高超過相變材料的熔點時，相變材料吸收熱量并開始熔化，從而減少電池溫度的上升；相反，當(dāng)電池溫度降低到相變材料的凝固點時，相變材料釋放熱量并開始凝固，防止電池溫度繼續(xù)下降。

（圖3：相變冷卻技術(shù)原理示意圖）

相變材料在類型上分為固液兩相和氣液兩相，在材料上可以分為有機相變材料（如石蠟）、無機相變材料（如水合鹽）和復(fù)合相變材料。有機相變材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和低成本，無機相變材料具有較高的相變潛熱和導(dǎo)熱率，而復(fù)合相變材料結(jié)合了兩者的優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（圖4：相變冷卻技術(shù)使用示意圖）

2）｜相變冷卻技術(shù)主要應(yīng)用于以下場景：

中小型儲能系統(tǒng)：如家庭儲能系統(tǒng)和小型商業(yè)儲能系統(tǒng)，相變冷卻技術(shù)能夠提供的溫度調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

優(yōu)點：

溫度調(diào)節(jié)：相變材料能夠在相變過程中吸收或釋放大量熱量，提供的溫度調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單：相變冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，易于設(shè)計和安裝。

低能耗：相變冷卻系統(tǒng)主要依靠相變材料進行溫度調(diào)節(jié)，能耗較低。

成本效益高：相變冷卻系統(tǒng)的初始投資和維護成本較低，具有較高的成本效益。

缺點：

相變材料選擇復(fù)雜：不同應(yīng)用場景對相變材料的要求不同，需要針對具體需求選擇合適的相變材料。

熱響應(yīng)時間較長：相變材料的熱響應(yīng)時間較長，可能不適用于溫度變化快速的應(yīng)用場景。

材料老化問題：相變材料在長期使用過程中可能會出現(xiàn)老化問題，影響系統(tǒng)性能。

相變冷卻技術(shù)憑借其的溫度調(diào)節(jié)能力和簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，成為儲能系統(tǒng)熱管理的重要選擇之一。盡管其在材料選擇和熱響應(yīng)時間方面存在一定的挑戰(zhàn)，但在中小型儲能系統(tǒng)和電動汽車等應(yīng)用場景中，相變冷卻技術(shù)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

05

浸沒式冷卻技術(shù)

浸沒式冷卻技術(shù)是一種的熱管理方法，通過將電池直接浸沒在絕緣冷卻液中，以實現(xiàn)熱量吸收和散發(fā)。該技術(shù)憑借其的換熱性能和均勻的溫度控制，近年來在儲能系統(tǒng)中受到越來越多的關(guān)注。

（圖5：浸沒式PACK箱體）

（資料來源：清華大學(xué)歐陽明高院士課題組王炎、李亞倫、王賀武等）

1）｜技術(shù)原理

浸沒式冷卻技術(shù)的基本原理是利用冷卻液的高比熱容和高導(dǎo)熱性，通過液體直接接觸電池表面進行熱量交換。冷卻液在吸收電池產(chǎn)生的熱量后，通過冷卻系統(tǒng)（如冷凝器或散熱器）進行熱量的釋放，再次循環(huán)回到電池周圍，形成一個的冷卻回路。

2）｜浸沒式冷卻技術(shù)主要應(yīng)用于以下場景：

大型儲能電站：由于其的散熱性能和可靠性，適用于需要高功率和高安全性的儲能電站。

數(shù)據(jù)中心和高性能計算設(shè)備：需要散熱的環(huán)境中，浸沒式冷卻技術(shù)同樣適用。

優(yōu)點：

高換熱效率：浸沒式冷卻技術(shù)的換熱效率非常高，能夠快速帶走電池產(chǎn)生的熱量。

溫度均勻性：冷卻液直接接觸電池，確保電池組內(nèi)部溫度的高均勻性。

快速熱響應(yīng)：浸沒式冷卻系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)溫度變化，確保電池在不同工況下的穩(wěn)定運行。

高可靠性：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)堅固，故障率低，維護方便。

廣泛環(huán)境適應(yīng)性：在各種惡劣環(huán)境條件下依然能保持運行。

缺點：

高初始投資：浸沒式冷卻系統(tǒng)的初始投資較高，包括冷卻液、循環(huán)泵和冷卻裝置等設(shè)備。

維護復(fù)雜：浸沒式冷卻系統(tǒng)需要定期檢查和更換冷卻液，維護工作較為復(fù)雜。

冷卻液成本高：高性能絕緣冷卻液成本較高，且對系統(tǒng)材料和設(shè)計要求嚴格。

浸沒式冷卻技術(shù)憑借其換熱效率和溫度均勻性，成為儲能系統(tǒng)熱管理的重要選擇之一。但由于其在初始投資和維護方面存在一定的挑戰(zhàn)，目前仍處于實驗室研發(fā)階段，并未大規(guī)模鋪展應(yīng)用。

06

直冷技術(shù)

直冷技術(shù)是一種通過直接使用制冷劑進行熱交換的先進熱管理方法。該技術(shù)在國外一些品牌的插電式混合動力電動汽車（PHEV）的熱管理中已開始應(yīng)用，并逐漸在國內(nèi)市場上嶄露頭角。近年來，隨著儲能行業(yè)的發(fā)展，直冷技術(shù)的應(yīng)用前景也逐漸受到關(guān)注。

1）｜技術(shù)原理

直冷技術(shù)通過氣液兩相切換實現(xiàn)迅速制冷，不僅大大提高了換熱效率，而且得益于其獨特的冷卻介質(zhì)，在泄露的情況下會轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)揮發(fā)，可有效避免常規(guī)冷卻介質(zhì)泄露后導(dǎo)致的電氣件短路風(fēng)險，顯著提高了系統(tǒng)的安全性。

2）｜技術(shù)先進性

直冷技術(shù)在熱管理方面具有顯著的優(yōu)勢：：

高安全性：制冷劑在常溫常壓下為氣態(tài)，避免了傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)中的漏液短路風(fēng)險，確保了系統(tǒng)的安全性。

高能效比：直冷系統(tǒng)通過直接與電芯換熱，避免了中間介質(zhì)的熱傳導(dǎo)損失。

高換熱效率：冷板中的液體氣化過程能夠吸收大量熱量，理論上比液體對流換熱效率更高。冷板中的制冷劑蒸發(fā)吸熱可以實現(xiàn)更的熱交換。

高系統(tǒng)可靠性：減少了液冷系統(tǒng)中的水泵等轉(zhuǎn)動部件，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了整體系統(tǒng)的可靠性和壽命。

3）｜應(yīng)用及市場前景

直冷技術(shù)在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，盡管目前主要應(yīng)用于動力電池領(lǐng)域的一些量產(chǎn)車型，但在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用尚處于初期階段。

儲能應(yīng)用前景：直冷技術(shù)在動力電池領(lǐng)域已有多款量產(chǎn)車型，但在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用尚未廣泛。然而，隨著技術(shù)的成熟和市場需求的增加，直冷技術(shù)在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用將會逐步擴大。

市場需求增長：隨著新能源和儲能市場的快速發(fā)展，對、安全、可靠的熱管理技術(shù)需求日益增加。直冷技術(shù)憑借其顯著的技術(shù)優(yōu)勢，將在這一市場中具備明顯的競爭優(yōu)勢。

技術(shù)提升：整體來看，直冷系統(tǒng)對電芯的溫升和溫差的控制優(yōu)于液冷系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電芯溫升小于8℃，溫差小于3℃的高精度控制。

高性價比：相較傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)，直冷系統(tǒng)減少了液流換熱系統(tǒng)的復(fù)雜性，成本降低11.1%，在保證性能的同時提高了性價比。

清安儲能率先在儲能行業(yè)中應(yīng)用直冷技術(shù)。該技術(shù)在儲能系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，標(biāo)志著熱管理技術(shù)的一次重大突破，為儲能系統(tǒng)的安全性、可靠性和效率提供了新的解決方案。直冷技術(shù)憑借其的制冷性能和快速的熱響應(yīng)，成為儲能系統(tǒng)熱管理的重要選擇之一。

07

性能對比

為了清晰地展示各個熱管理技術(shù)的性能對比，我們將關(guān)鍵性能參數(shù)整理成表格形式。通過表格對比，可以直觀了解每種技術(shù)的優(yōu)勢和局限性（相變冷卻多和其他冷卻形式結(jié)合，不做單獨比較）。

（表2：各技術(shù)路線性能對比）

08

成本對比

不同的熱管理技術(shù)在初始投資、運行維護和整體成本效益方面存在顯著差異。以下表格對比了各項冷卻技術(shù)在成本方面的表現(xiàn)。相較于液冷系統(tǒng)，直冷技術(shù)能顯著降低熱管理側(cè)成本，減少11%的初始投入（風(fēng)冷技術(shù)逐漸被替代，此處不做比較）。

（表3：不同熱管理技術(shù)成本對比）

（資料來源：清華大學(xué)歐陽明高院士課題組王炎、李亞倫、王賀武等）

Chapter. 04

未來趨勢與技術(shù)展望

隨著儲能系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的快速發(fā)展，熱管理技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和進步。以下是一些未來可能具有重要影響的新技術(shù)及其應(yīng)用前景：

1）｜技術(shù)原理

新型液冷材料的研發(fā)和應(yīng)用將大大提升液冷技術(shù)的性能。例如，具有更高導(dǎo)熱系數(shù)和更好化學(xué)穩(wěn)定性的冷卻液材料能夠顯著提高熱管理系統(tǒng)的效率和安全性。納米流體作為一種新型冷卻液，因其優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性能和流動特性，逐漸受到關(guān)注。通過在傳統(tǒng)冷卻液中加入納米顆粒，可以提高冷卻液的導(dǎo)熱性和散熱能力，從而提高液冷系統(tǒng)的整體性能。

2）｜智能管理系統(tǒng)

智能熱管理系統(tǒng)的研發(fā)是未來的重要趨勢。利用傳感器、人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，智能熱管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)溫度的實時監(jiān)控和動態(tài)調(diào)節(jié)。通過數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)能夠預(yù)測溫度變化趨勢并提前采取相應(yīng)的調(diào)控措施，確保儲能系統(tǒng)在溫度范圍內(nèi)運行，延長電池壽命和提高系統(tǒng)安全性。

3）｜智能熱管理系統(tǒng)

相變材料（PCM）的進一步研發(fā)和優(yōu)化將推動相變冷卻技術(shù)的應(yīng)用。未來，相變材料的導(dǎo)熱性能、相變溫度范圍和化學(xué)穩(wěn)定性將不斷改進，應(yīng)用場景也將更加廣泛。復(fù)合相變材料的開發(fā)，將結(jié)合有機和無機相變材料的優(yōu)點，提供更、更可靠的溫度控制解決方案。

4）｜熱電制冷技術(shù)

熱電制冷技術(shù)利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)，通過電流直接驅(qū)動溫度差，進行制冷或加熱。未來，隨著熱電材料性能的提升和成本的降低，熱電制冷技術(shù)在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用將逐漸增加。這種技術(shù)具有無運動部件、低噪音和長壽命的優(yōu)勢，特別適用于需要高可靠性和低維護的儲能系統(tǒng)。

未來，儲能熱管理技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)出以下幾大趨勢：：

智能化：智能熱管理系統(tǒng)的發(fā)展將實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)溫度的實時監(jiān)控和動態(tài)調(diào)節(jié)，提升系統(tǒng)的整體性能和安全性。

新材料應(yīng)用：新型冷卻材料的研發(fā)和應(yīng)用將大大提升熱管理系統(tǒng)的效率和可靠性。

多樣化和定制化：隨著儲能應(yīng)用場景的多樣化，熱管理技術(shù)將更加注重定制化和多樣化，以滿足不同應(yīng)用的特殊需求。

儲能熱管理技術(shù)在未來將繼續(xù)向、安全、經(jīng)濟和智能化方向發(fā)展，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能源目標(biāo)提供堅實的技術(shù)保障。通過技術(shù)的不斷創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展，儲能熱管理技術(shù)將在全球能源轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮更加重要的作用。

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