摘 要：【目的】儲能電池對溫度敏感，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，進而提高電池系統(tǒng)的性能和使用壽命，因此，對基于液冷管理技術(shù)的儲能電池系統(tǒng)進行研究具有重要意義?！痉椒ā客ㄟ^分析溫度對電池性能的影響，介紹了各種電池熱管理技術(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，對比了兩種冷卻方式的優(yōu)缺點?！窘Y(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，直接液冷的研究重點在于冷卻介質(zhì)的優(yōu)化。【結(jié)論】研究結(jié)果可為開發(fā)基于液冷管理技術(shù)的儲能電站提供技術(shù)指導。

關(guān)鍵詞：儲能電池；熱管理；間接液冷；直接液冷

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：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，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局正式印發(fā)《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》，明確了新型儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎裝備。大容量的儲能電池系統(tǒng)可以應用在發(fā)電、輸電、配電和用電等過程中，具有削峰填谷、降低供電成本、減小可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊、應急備用、提高電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性等功能，其應用有助于推進我國“雙碳”目標的實現(xiàn)［1-3］。儲能系統(tǒng)電池數(shù)量多、規(guī)模大，在運行過程中面臨的熱管理問題相較于動力電池更為復雜［4］。通過控制溫度，使電池保持適當?shù)臏囟确秶蜏囟染鶆蛐?，能夠避免儲能電池系統(tǒng)提前老化，延長使用壽命。鋰離子電池因具有能量密度高、壽命長、響應速度快、產(chǎn)業(yè)鏈完整，以及與現(xiàn)有的電力設施具有良好兼容性等優(yōu)點，是目前最具優(yōu)勢的儲能電池。

1 鋰電池熱管理技術(shù)介紹

過高或過低的環(huán)境溫度及組內(nèi)電池溫差增大，都會對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。為應對極端的環(huán)境溫度和正常情況下產(chǎn)生的熱量所帶來的挑戰(zhàn)，采用更精確的電池熱管理系統(tǒng)（Battery Thermal Management System，BTMS）對保持電池組最佳工作溫度范圍、提高耐用性、延長使用壽命至關(guān)重要［5］。

1.1 溫度對鋰電池的影響

溫度會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小于5 ℃。高溫一方面會導致電池內(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；另一方面會使電池的內(nèi)部材料發(fā)生分解反應。在持續(xù)高溫條件下，鋰電池內(nèi)部的SEI膜分解，然后負極材料與電解液發(fā)生反應、隔膜熔化，最后正極材料和電解液發(fā)生分解。過低的溫度會導致電解液凝固，阻抗增加、電池容量下降，極端低溫會使電池負極析鋰，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導致整個電池組在工作時產(chǎn)生木桶短板效應，模塊間的溫度梯度會減少整體電池組的容量和壽命。由于儲能電池有相當一部分來自退役動力電池的回收梯次利用，內(nèi)阻比新電池高、發(fā)熱量更大，對溫度均一性的要求更為嚴格。

1.2 電池熱管理方式

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)生和傳輸受自身設計和材料性能的影響，受制于材料科學的發(fā)展，不容易取得突破性進展。

目前，電池熱管理系統(tǒng)主要是通過外部方法，加強電池與環(huán)境的換熱效果，以保證鋰電池系統(tǒng)在整個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，可以將電池熱管理系統(tǒng)劃分為主動冷卻和被動冷卻，前者通過消耗額外的能量取得較好的熱管理效果，后者則是通過自身結(jié)構(gòu)散熱。按照所采用的冷卻介質(zhì)不同，電池熱管理系統(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，空冷在新能源汽車和集裝箱式儲能方面都有廣泛應用，但由于空氣的比熱容低、導熱系數(shù)低，冷卻效果一般。相較于空氣，液體的比熱容和導熱系數(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。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熱管冷卻的電池熱管理技術(shù)受制于成本和效率原因還未得到大規(guī)模應用，采用液體冷卻熱管理技術(shù)是未來儲能電站發(fā)展的趨勢。

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將需冷卻物體浸入到可以循環(huán)的冷卻液中進行冷卻，而間接液體冷卻方式通常會采用輔助傳熱設備將冷卻液與需冷卻物體進行隔離，再進行冷卻。

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。

作為地球上最常見的液體，水被廣泛使用于各種應用場景。電池組在正常工作溫度40 ℃下的不同冷卻液的理化性能見表1。由表1可知，與空氣相比，水具有更高的比熱容和熱導率，以及更低的運動黏度，這確保了水可以更有效地傳遞熱量，同時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)境溫度通常會保持在0 ℃以下，會使冷卻系統(tǒng)中的水結(jié)冰。如果冷卻液結(jié)冰、體積膨脹，可能會導致電池組結(jié)構(gòu)嚴重受損，甚至引發(fā)安全事件。為防止冷卻液在冬季凝固，有時會使用水和乙二醇的混合物作為冷卻液來降低冷卻液的傾點。

2.2 直接液體冷卻

直接液體冷卻又稱為浸入式冷卻，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率。最后，冷卻液需要難燃或足夠高的閃點，以降低電池過熱情況下的火災風險、確保安全運行。除了上述因素外，在對浸入式冷卻液進行選擇時，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、酯類和氟化液等不導電、不易燃的物質(zhì)。

2.2.1 烴類和硅油。礦物油和硅油的導熱系數(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進行循環(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熱管理系統(tǒng)，研究了冷卻液的流速、黏度、比熱容和導熱系數(shù)對電池最高溫度、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；增加冷卻液的導熱系數(shù)，也可以降低電池的最高溫度，但是對最大溫差幾乎沒有影響。PAO產(chǎn)品是電池浸入式冷卻液的另一種潛在基礎材料，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。

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電池熱安全的應用，包括冷卻液在大電流充放電條件下的對鋰離子電池的冷卻效果、長時間循環(huán)下的電池健康狀態(tài)（SOH）、冷卻液對電池熱失控的抑制能力，以及冷卻液與長期儲能電池的相容性。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)進行建模，發(fā)現(xiàn)Novec-7000在單相中的強制對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，但其高昂的費用和易揮發(fā)的特性限制了其廣泛應用。

2.2.3 酯類。酯類具有快速生物降解性、低成本、高閃點、強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用。酯類可分為合成酯類和天然酯類。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，可以減少維護周期，但合成酯閃點、燃點比天然酯低。Ortiz等［12］強調(diào)了酯類在高壓電子器件的熱管理中應用變得廣泛，但隨著酯類老化過程中黏度的增加，其冷卻能力會逐漸降低，需要結(jié)合酯類在電池熱管理系統(tǒng)中的應用，進一步研究酯類的老化壽命問題。

2.3 直接液體冷卻與間接液體冷卻的對比

直接液體冷卻技術(shù)與間接液體冷卻技術(shù)對比見表2［13］。基于液體冷卻方式的優(yōu)缺點，許多研究提出了針對間接液體冷卻方式的改進方法。如改進其冷卻板結(jié)構(gòu)，在冷卻通道增加翼片，改用高比熱容、導熱率的冷卻液等。而通常對直接液體冷卻方法的改進只能通過冷卻液的性質(zhì)入手，以此來改進冷卻系統(tǒng)的冷卻能力。

3 結(jié)語

隨著儲能電池系統(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，已成為儲能電池研究的焦點。由于液體的熱導率更高，液體冷卻可以更有效地散熱，采用液體熱管理技術(shù)是未來儲能電站發(fā)展的趨勢，但液體泄漏是一個風險因素。此外，多種冷卻方式耦合可以彌補單一冷卻技術(shù)具有的缺陷，提供更好的散熱，但代價是成本更高，且設計更復雜，將混合式熱管理應用于大容量儲能電池系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)和經(jīng)濟性分析還需要進一步探究。評價儲能電池管理系統(tǒng)的好壞，不僅要評估管理系統(tǒng)對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、成本和設計復雜性。未來新型液體冷卻介質(zhì)的開發(fā)是研究重點，可以選擇電絕緣、導熱性能好、低黏度的液體作為冷卻劑，并研制相應的冷卻系統(tǒng)。

參考文獻：

［1］朱信龍，王均毅，潘加爽，等.集裝箱儲能系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.儲能科學與技術(shù)，2022，11（1）：107-118.

［2］鐘國彬，王羽平，王超，等.大容量鋰離子電池儲能系統(tǒng)的熱管理技術(shù)現(xiàn)狀分析［J］.儲能科學與技術(shù)，2018，7（2）：203-210.

［3］田剛領，張柳麗，牛哲薈，等.集裝箱式儲能系統(tǒng)熱管理設計［J］.電源技術(shù)，2021，45（3）：317-319，329.

［4］趙泓伍. 基于相變材料與熱管的大容量鋰離子電池熱管理技術(shù)研究［D］.北京：華北電力大學（北京），2022.

［5］潘曉楠. 高低溫環(huán)境下相變冷卻鋰離子電池熱管理性能優(yōu)化［D］.青島：青島科技大學，2022.

［6］帥昌俊.液冷集裝箱式儲能系統(tǒng)設計開發(fā)研究［J］.河南科技，2022，41（12）：91-94.

［7］OSMANI K， ALKHEDHER M， Ramadan M， et al. Recent progress in the thermal management of lithium-ion batteries［J］. Journal of Cleaner Production， 2023： 136024.

［8］PESARAN A A. Battery thermal management in EV and HEVs： issues and solutions［J］. Battery Man， 2001， 43（5）： 34-49.

［9］ZHOU Y， WANG Z， XIE Z， et al. Parametric Investigation on the Performance of a Battery Thermal Management System with Immersion Cooling［J］. Energies， 2022， 15（7）： 2554.

［10］LI X， ZHOU Z， ZHANG M， et al. A liquid cooling technology based on fluorocarbons for lithium-ion battery thermal safety［J］. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2022， 78： 104818.

［11］WANG Y F， WU J T. Thermal performance predictions for an HFE-7000 direct flow boiling cooled battery thermal management system for electric vehicles［J］. Energy Conversion and Management， 2020， 207： 112569.

［12］ORTIZ A， DELGADO F， ORTIZ F， et al. The aging impact on the cooling capacity of a natural ester used in power transformers［J］. Applied Thermal Engineering， 2018， 144：797-803.

［13］ KIM J， OH J， LEE H. Review on battery thermal management system for electric vehicles［J］. Applied Thermal Engineering，2018，149：192-212.