储能电池热管理系统液冷和风冷优劣势分析及应用场景探讨

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源起于2015年的《巴黎协定》和联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）相关报告显示，全球已有140多个经济体提出了程度不等的碳中和目标。从碳排放来源看，能源消费二氧化碳排放占我国二氧化碳排放总量的近九成，占温室气体净排放量的近八成。因此能源领域的绿色转型对于碳中和目标的实现至关重要。

图1 一些机构对我国储能投资市场预测

光伏发电，风力发电等新能源发电会成为未来新能源的重点发展对象。但要克服风电光伏的间歇性和波动性，整体电力系统都需要发生转变。储能，正是转型之中的关键技术。国家十四五规划和《2030年前碳达峰行动方案》也明确规定了发展新型能源储能方式。从2020年的投资来看锂电占了近90%的新型储能方式。

图2 2000-2020全球储能市场累计装机规模

但是锂电的性能、安全和生命周期受到工作温度的影响非常大，理想的电池工作温度在25-35摄氏度，并且电池包内的模组温差要小5摄氏度。所以锂电的热管理非常重要。

图3 温度对电池性能的影响

目前锂电池机组主流的热管理方式有两种，风冷和液冷，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。风冷和液冷各有特点。防冻液的密度是空气的1000倍，比热是空气的4倍。因此作为热量载体和风冷相比液冷先天具备载热量大，流阻低，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，现场安装方便，占地小，无需担心灰尘，水汽凝结等问题。在有热失控前兆的情况下，液冷方案可以依靠大流量的载冷介质来强制电池包散热和实现电池模块之间的热量重新分配，可以快速抑制热失控持续恶化，降低失控风险。

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还是有比较多的应用。

从冷却效果来看和风冷比液冷有比较大的优势，国外一所机构对此做了深入的研究。

电池包的温度

在相同的入口温度和极限风速及流速下，液冷电池包的温度在30-40摄氏度，而风冷电池包的温度要在37-45摄氏度。液冷的温度均有性更好。

图4 风冷图5 液冷

运行能耗

经试验研究，为了达到相同的电池平均温度，风冷需要比液冷高2-3倍的能耗。相同功耗下电池包的最高温度，风冷比液冷要高3-5摄氏度。液冷的功耗更低。

图6 风冷和液冷的功耗

电池热失控风险

由于空气比热容、对流换热系数小等因素，电池风冷技术换热效率低，电池发热量增大，会导致电池温度过高，存在热失控风险；液冷系统可以大大降低电池的热失控风险。

固定资产投资

据美国国家可再生能源实验室（NREL）的数据，目前4小时电池储能系统每千瓦时的电池投资成本在1900人民币（300美金），热管理系统估计占电池成本的2- 4%，而液冷系统更易保障电池在舒适温度工作，相较于风冷系统会延长电池寿命超过20%，综合寿命周期来看液冷投资更少。

图7 储能电池投资成本

结论

风冷系统具有有初投资小、维护费用低、异于维护等优点，比较适合小型民用或者商用电池热管理方式。但是，液冷逐渐在大型地面电站等大容量，高能量比的领域成为主流的电池冷却方式。目前，空调国际埃泰斯在液冷市场处于领先地位，率先在市场上推出了3KW，5KW，8KW，15KW，40KW等型号的液冷机组。埃泰斯的水冷机组以其制冷效率高、噪音低、电压范围广、EMC性能好、重量轻等优点，获得了包括行业巨头在内的众多企业欢迎，已经向北美、欧洲、澳洲的多家客户销售安装近万台套。