當下(xià)流行的熱管理應用場景在二方面,第一(yī)個是新能源車(chē)的動力電池,第二個是儲能行業的儲能電池。
先說儲能的各類占比: 電化學儲能産業鏈分(fēn)爲上遊設備商(shāng)、中(zhōng)遊集成商(shāng)、下(xià)遊應用端三部分(fēn)。上遊設備包括 電池組、儲能變流器(PCS)、電池管理系統(BMS)、能量管理系統(EMS)、熱管理和 其他設備等,多數從業者爲其他相近領域延伸而來;中(zhōng)遊環節核心爲系統集成+EPC;下(xià) 遊主要分(fēn)爲發電端、電網端、戶用/商(shāng)用端、通信四大(dà)場景。儲能産業鏈多數企業參與其中(zhōng) 1-2 個細分(fēn)領域,少數企業從電池到系統集成,甚至 EPC 環節全參與。
儲能的熱管理技術路線
熱管理成爲儲能系統核心,風冷與液冷是目前成熟的技術路線。儲能熱管理的冷卻方式 主要有以下(xià)三大(dà)技術路線:風冷(空氣冷卻)、液冷和相變冷卻。目前國内的儲能系統熱管 理路線基本都采用強迫風冷的方式,國外(wài)已經有應用液冷散熱。也有很多工(gōng)程師在研究相變 材料和液冷或風冷的混合模式,但都還不成熟。風冷和液冷的核心區别是傳熱介質的不同。具體(tǐ)來看,液體(tǐ)介質的傳熱效率是最高的,能達到 0.5-10;空氣介質的傳熱效率一(yī)般在零點幾左右;從換熱系數來說,空氣介質較低(25-100),液體(tǐ)介質較高(1000-1.5 萬)。
風冷系統簡單成本較低,液冷功耗更低效果更好。風冷系統具備系統簡單、制造成本低、 便于安裝等特點。在電池能量密度低,充放(fàng)電速度慢(màn)的場景有比較多的應用。液冷具備載熱 量大(dà),換熱效率高的特點,在電池包能量密度高,充放(fàng)電速度快,環境溫度變化大(dà)的場合得 到廣泛的應用。液冷系統可以和電池包高度集成,所需空間小(xiǎo),無需擔心灰塵,水汽凝結。但液冷技術的成本相對更高昂,若裝機量較大(dà)(5MWh 以上),液冷的成本會大(dà)大(dà)降低。
風冷技術:空調制冷,風道交換熱量
風冷的核心是空調和風道。目前,在功率密度較小(xiǎo)的集裝箱儲能系統和通信基站儲能系統中(zhōng)主要采用風冷技術。一(yī)方面是因爲風冷系統結構簡單,安全可靠,并且易于實現;另一(yī)方面是因爲儲能系統對能量密度和空間的限制不像動力電池系統那麽苛刻,可以通過 增加電池數目來獲得較低的工(gōng)作倍率和産熱率。以集裝箱式锂電池儲能系統爲例,該系統由标準集裝箱、锂離(lí)子電池系統、電池管理系統、儲能變流器、空調和風道、配電櫃、七 氟丙烷滅火(huǒ)裝置等組成。
液冷技術:制冷效率更高
液冷方案在保證儲能系統安全、散熱效率等方面綜合優勢顯著。液冷方案采用水、乙 醇、矽油等冷卻液,通過液冷闆上均勻分(fēn)布的導流槽和電芯間接接觸進行散熱。其優點包 括:1)靠近熱源,高效制冷;2)與相同容量的集裝箱風冷方案相比,液冷系統不需要設 計風道,占地面積節約 50%以上,更适合未來百 MW 級以上的大(dà)型儲能電站;3)相比風 冷系統,由于減少了風扇等機械部件的使用,故障率更低;4)液冷噪聲低,節省系統自 耗電,環境友好。液冷系統的核心爲冷水機和液冷闆。其中(zhōng)冷水機包括壓縮機、冷凝器、節流器、蒸發 器和水泵等部件。
風冷、水冷的應用場景不同
安全性和經濟性雙輪驅動,熱管理技術轉向液冷。風冷所涉及的冷卻結構簡單、便于 安裝、成本較低,但制冷效果低下(xià)、無法實現精準控溫、需要大(dà)面積散熱通道。行業目前 裝機較多的通信基站、小(xiǎo)型地面電站等功率密度相對較低的項目,風冷制冷效率可以滿足。液冷通過冷卻液對流換熱,散熱更高效均勻,且可靠性更佳。未來随着新能源電站、離(lí)網 儲能等更大(dà)電池容量、更高系統功率密度的儲能電站需求起步,儲能系統能量密度與發熱 量更大(dà),對安全性和壽命的要求更高,将推動行業更多轉向采用液冷方案。甯德、陽光電 源、比亞迪等頭部企業已率先切換,龍頭示範效應将驅動液冷滲透加速。
儲能液冷與動力電池熱管理差異化技術要求,更看重經濟性
儲能電池和動力電池系統在應用場景、性能、壽命等方面有不同之處。二者在技術原 理上并沒有顯著差異,但由于應用場景和電池容量的不同,對于二者的性能和使用壽命等 要求也不同:1)動力電池追求更高的能量密度和充電速度,而儲能電池對能量密度要求 較小(xiǎo),但需要較高的循環次數;2)電池容量方面,儲能系統容量大(dà),對電池一(yī)緻性、系 統成本和使用壽命要求更高,更加考驗電池管理系統和能量管理系統性能。在相同的十年 壽命的前提下(xià),假設動力電池三天一(yī)次完全充放(fàng)電,考慮三元磷酸鐵锂電池組理論壽命爲 1200 次,則三元磷酸鐵锂電池組壽命在十年左右。儲能電池充放(fàng)電更加頻(pín)繁,對于循環 壽命有更高的要求,需要 3000 以上循環次數。
儲能熱管理不間斷工(gōng)作,安全要求高。動力電池追求更高的能量密度和充電速度,同時整車(chē)需要控制質量與體(tǐ)積,通常采用液冷系統。儲能電池對能量密度、充電速度、質量與體(tǐ)積要求不高,但通常需要不間斷工(gōng)作,壽命更長,要求熱管理系統也具有長時間穩定 工(gōng)作的能力和十年以上的壽命。由于儲能電池循環次數更多,電池組之間的一(yī)緻性不同, 發生(shēng)熱失控的風險更大(dà)。此外(wài),儲能電池對于安全性的要求更高,樓宇、商(shāng)超等人流密集的敏感地區及備電領域安全事故的損失和影響是無法接受的,因此需要更穩定更安全的熱 管理系統。