2022年，我國(guó)已投運(yùn)鋰離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模約822.15萬(wàn)千瓦，根據(jù)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，2025年如果鋰電儲(chǔ)能項(xiàng)目在新型儲(chǔ)能裝機(jī)量中占比保持94.5%不變，該數(shù)據(jù)將超2835萬(wàn)千瓦。

　　電化學(xué)儲(chǔ)能兩大痛點(diǎn)

　　目前，成本和安全是制約鋰電儲(chǔ)能發(fā)展的兩個(gè)核心痛點(diǎn)。

　　成本方面，據(jù)江蘇儲(chǔ)能協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2022年，我國(guó)鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)度電成本約1.66元/Wh(0.5C系統(tǒng))。未來(lái)，隨著鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)制造規(guī)模擴(kuò)大、技術(shù)發(fā)展、材料供應(yīng)及時(shí)等因素影響，成本還將繼續(xù)下降。

　　換言之，長(zhǎng)期來(lái)看，鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性的提升是鋰電儲(chǔ)能發(fā)展的最關(guān)鍵制約因素。

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性影響因素眾多，從系統(tǒng)外部來(lái)看，安全性的影響因素則主要集中在儲(chǔ)能電站運(yùn)營(yíng)維護(hù)上，包括電站運(yùn)行監(jiān)視、運(yùn)行操作、巡視檢查、異常運(yùn)行及故障處理等;從系統(tǒng)內(nèi)部來(lái)看，鋰離子電池模組本身工作特性，BMS數(shù)據(jù)采集不夠全面、及時(shí)、精確等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是主要原因。

　　其中，儲(chǔ)能系統(tǒng)中針對(duì)鋰離子電池模組本身工作特性進(jìn)行改進(jìn)，是提升儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性的治本之策。

　　儲(chǔ)能鋰電池通常組裝在電池艙內(nèi)使用，在充放電過(guò)程中會(huì)持續(xù)發(fā)熱，熱量難以及時(shí)傳導(dǎo)至艙外環(huán)境，但是儲(chǔ)能鋰電池最佳工作溫度為25-40℃，長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行，輕則對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作效率、性能和壽命產(chǎn)生不可逆影響，重則引發(fā)熱失控風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)生安全事故。

　　針對(duì)儲(chǔ)能電池冷卻問(wèn)題，市場(chǎng)建言獻(xiàn)策，目前主流的電池組散熱方式是風(fēng)冷散熱和液冷散熱。

　　風(fēng)冷散熱

　　眾所周知，熱傳遞有有三種方式，即熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流。

　　熱傳導(dǎo)指熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個(gè)系統(tǒng)傳到另一系統(tǒng)的現(xiàn)象;熱對(duì)流指液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間通過(guò)循環(huán)流動(dòng)使溫度趨于均勻的過(guò)程;熱輻射指物體因自身的溫度而向外發(fā)射能量。

　　集裝箱式鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下，集裝箱長(zhǎng)12 m，寬2.4 m，高2.8 m，電池艙內(nèi)共放置12組電池簇，每側(cè)放置6組，每組電池簇由15個(gè)電池模組組成。

　　以降溫為例，電池模組充放電過(guò)程中溫度提高，風(fēng)冷散熱時(shí)，首先通過(guò)熱輻射將熱量傳遞到艙內(nèi)空氣中，然后艙內(nèi)空氣與艙外空氣通過(guò)熱對(duì)流的形式進(jìn)行熱量傳遞，降低艙內(nèi)溫度。

　　空氣對(duì)流方式則主要有兩種，自然風(fēng)和機(jī)械風(fēng)，空氣從進(jìn)風(fēng)口流入集裝箱，換熱后從出風(fēng)口流出。

　　自然風(fēng)效率偏低，除了特定條件用的較少;機(jī)械風(fēng)則需要搭配空調(diào)系統(tǒng)使用，可高效率的調(diào)節(jié)空氣溫度。

　　目前，針對(duì)這一換熱過(guò)程，市場(chǎng)側(cè)重于三類研究，一是改變強(qiáng)制風(fēng)冷條件，二是改變風(fēng)道設(shè)計(jì)，三是在電池艙內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板。

　　第一，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，有兩種改變方式，加大熱源件散熱表面積和加快單位時(shí)間內(nèi)空氣流速。前者可通過(guò)在電池模組表面加裝散熱片實(shí)現(xiàn)，后者可通過(guò)安裝風(fēng)扇(風(fēng)機(jī))實(shí)現(xiàn)。

　　改變風(fēng)道設(shè)計(jì)要求較高，風(fēng)道包括與空調(diào)出口連接的主風(fēng)道、主風(fēng)道內(nèi)的擋風(fēng)板、風(fēng)道出口以及電池架兩端的擋風(fēng)板，根據(jù)集裝箱特點(diǎn)左右對(duì)稱布置?，F(xiàn)有風(fēng)道設(shè)計(jì)效率基本都較高，進(jìn)一步提升較為困難。

　　電池艙內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板，根據(jù)導(dǎo)流板數(shù)量不同、位置不同，電池艙內(nèi)空氣流場(chǎng)分布、溫度分布以及降溫情況都會(huì)有變化。

　　側(cè)重點(diǎn)雖然不同，可三種方式目的都相同，提高電池艙內(nèi)風(fēng)速，增加換熱空氣在艙內(nèi)的擾動(dòng)范圍，最后達(dá)到提高儲(chǔ)能艙內(nèi)換熱效率，使電池模組溫度保持在正常工作溫度內(nèi)的效果。

　　綜合來(lái)講，風(fēng)冷散熱具有原理簡(jiǎn)單、安裝方便、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電池能量密度低，充放電速度慢的儲(chǔ)能場(chǎng)景。

　　液冷散熱

　　液冷散熱分內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)，內(nèi)循環(huán)設(shè)置于電池艙內(nèi)，外循環(huán)設(shè)置于電池艙外。

　　內(nèi)循環(huán)方面，電池PACK與液冷板直接接觸，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式從電池模組轉(zhuǎn)移到導(dǎo)熱介質(zhì)內(nèi)部，導(dǎo)熱介質(zhì)從艙內(nèi)向艙外流動(dòng)，通過(guò)熱對(duì)流將熱量從電池艙內(nèi)轉(zhuǎn)移到電池艙外。

　　外循環(huán)方面，通過(guò)空調(diào)等溫度調(diào)節(jié)設(shè)備，可將導(dǎo)熱介質(zhì)溫度調(diào)節(jié)到合適范圍。

　　液冷散熱與風(fēng)冷散熱差異眾多，如導(dǎo)熱介質(zhì)不同、介質(zhì)流通裝置不同。

　　導(dǎo)熱介質(zhì)方面，風(fēng)冷散熱導(dǎo)熱介質(zhì)是空氣，液冷散熱導(dǎo)熱介質(zhì)種類更為多樣，包括水、乙醇、制冷劑等?？諝獾谋葻釣?.4kJ/ (kg*K)，液體介質(zhì)中水比熱為4.2kJ/ (kg*K)，是空氣的三倍，因此液冷散熱比風(fēng)冷散熱效率更高。

　　介質(zhì)流通裝置方面，液冷散熱需要在集裝箱內(nèi)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)上貫通一根主管，每個(gè)電池簇連接一根更細(xì)的支管，各支管分別與各電池PACK上布置的液冷板連接，通過(guò)改變液冷板內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)種類和流速進(jìn)行換熱。

　　液冷板形式眾多，包括并行迷你流道冷板、蛇形流道結(jié)構(gòu)冷板、流線型流道冷板、雙層反轉(zhuǎn)流道冷板、并行發(fā)散流道冷板和仿生翅脈流道冷板等，形式不同散熱效率也有差別。

　　浸沒(méi)式液冷指將儲(chǔ)能電池直接浸泡在特殊的絕緣冷卻液中，電池充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量被冷卻液吸收后，再進(jìn)入外循環(huán)冷卻。

　　綜合來(lái)講，液冷散熱的優(yōu)點(diǎn)是換熱效率高，缺點(diǎn)是前期成本高，適用于電池能量密度高，充放電速度快，功率要求高的儲(chǔ)能環(huán)境。

　　寫在最后

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)具體布置過(guò)程中，風(fēng)冷散熱和液冷散熱的選擇，是需要根據(jù)預(yù)算多少、裝機(jī)量大小、儲(chǔ)能電池種類、所處地理環(huán)境以及換熱效率要求高低來(lái)進(jìn)行考慮的。

　　從整個(gè)儲(chǔ)能市場(chǎng)來(lái)看，風(fēng)冷和液冷兩種散熱方式，只存在滲透率高低的差異，適合與否的問(wèn)題。

　　目前，除了風(fēng)冷和液冷，還有很多工程師在研究相變材料和液冷或風(fēng)冷的混合模式，但都還不成熟。