锂电池储能热管理技术应用现状分析｜中盈新能(深圳)科技有限公司

摘要：我国电化学储能产业发展迅速，锂离子电池储能应用安全性仍然面临巨大挑战。其中，温度是影响锂离子电池安全运行的重要因素，合理的温度范围和温度分布一致性是确保大规模电池储能系统安全性和长寿命的关键参数。

关键词：电池储能 电热特性 风冷 液冷 相变散热 热管技术

目前，国内储能锂电池行业发展的成熟度远不及动力锂电池行业，锂电池安全性标准的制定也相对滞后。储能模组/系统的安全设计、电站安全管理、储能电池系统消防标准方面属于缺失状态。据不完全统计，近十年全球一共发生了 32 起储能电站起火爆炸事故，由于不同原因造成电池内部发生热失控引发爆炸。提升锂电池储能安全性尤为重要，而电池热管理系统(BTMS)正是提升储能安全性的重要保障。合理设计 BTMS 及热管理策略，可保证电池工作温度在适宜的范围内，改善电池的工作环境，对于提升电池寿命、效率及系统安全经济性有着重要的作用和意义。

温度对充放电效率的影响

电池的充放电效率，即电池在一次充放电循环过程中放出的能量与充电时消耗的能量之比，是电池储能应用性能的关键指标，而过高过低的温度和较大温差都会导致电池充放电效率的降低。郑昆等研究了在新欧洲驾驶循环测试(NEDC)工况下，不同温度对两组三元锂离子电池组放电性能的影响，实验结果显示，随着温度从－15 增加至 40 ℃，两组电池组的充放电效率均逐渐提升，分别从 90.56% 和90.64%提升至99.12% 和 99.78%。研究还发现在 5~40 ℃的环境温度区间内，锂离子电池充放电效率随着温度的升高而升高，总体上，锂离子电池理想充放电温度为 25~40 ℃。

温度对循环寿命的影响

当锂离子电池长期处于温度过低、过高或者温差较大的环境下 ，会导致电池老化的加速 ，从而降低循环寿命 。Genieser R 等[9]开展了三元锂离子电池 80 ℃的循环寿命实验，结果表明，电池在 C/3 下全充全放循环 25 次后，电池的容量保持率衰减至 10%。Wang 等研究了 1 C、45 ℃下的锂离子电池循环寿命，在前 40次循环，电池健康状态(SOH)快速下降至 91% 左右，在 40~280 次循环间，SOH 下降至 75.24%。常温下，锂离子电池的循环寿命一般为 2 000~3 000 次，可以看出高温对电池寿命影响十分显著。低温同样会对电池寿命产生影响，研究发现，温度降低时，电解质粘度和内部阻抗增加，同时阳极的石墨电位降低，形成锂枝晶，从而导致安全问题。

风冷散热

风冷是采用空气作为换热媒介，使用空气在电池组中进行循环，利用电池模块和空气之间的温差进行热传递，一般分为被动风冷和主动风冷。影响其冷却效率的因素主要有冷却方式、空气流场设计、电池排布及进气口风速等。

液冷散热

对于大规模电池组的高倍率充放电过程，风冷系统的冷却能力已经不能满足电池组的散热需求。液体拥有比空气更高的比热容、更高的导热率，且液冷冷却速度较快，对降低局部最高温度、提升电池模块温度一致性效果显著，同时液冷相较于风冷，噪音控制较好。液冷散热将是未来大功率锂电池在复杂工况下热管理的重要研究方向，但液冷系统也存在缺点，如能耗较大、密封要求高，且系统结构复杂，实际应用于储能系统相较风冷难度更大。影响液冷散热系统的主要因素为：冷却液管道或冷却板的布局和设计，以及冷却液的流速。

冷却液流速

液冷热管理系统一般采用水、乙二醇或者水-乙二醇混合物作为冷却介质。其中改变冷却剂流速是液冷系统研究中的一个重要因素，改变流速能够实现不同的热交换效率，是液冷系统设计的关键因素。Ping等研究了一套结合了相变材料和液冷的电池热管理系统，通过冷却液带走相变材料(PCM)的潜热。对比了不同的冷却液的流速对热管理系统的性能影响，实验在充电倍率为 0.5 C，放电倍率为 3 C 的工况下对比了锂离子电池组在 0.05~0.4 m/s 之间不同流速下的最高温度和温差(取 3 次循环的平均值)。环境温度和入口温度均设置为 40 °C。实验结果显示，随着流速从 0.05 m/s 增加到0.2 m/s，Tmax 从 49.17 ℃降低到 47.5 ℃，ΔTmax 从 7.43 ℃降到6.41 ℃。当速度从 0.2 m/s再增加到 0.4 m/s，降低的程度有所下降，流速的增加能提高系统的散热性能，但是具有边际效用。Guo 等还发现，增加流速可以降低电池模组最高温度，但可能会增加单位电池间的最大温差，这是因为流速增大导致冷却液在入水口带走了更多的热量，使出水口附近的电池得不到有效的散热。为了保证电池模块的温度一致性，Liu等针对垂直分布性液冷热管理系统，提出了一套梯度流速的优化策略。如图 4 所示，将电池周围管道的数量将管道分为 3 类，不同类别的管道设置不同的流速，在散热需求大的区域设置更大的流速，并对比了两种工况下的加热性能和散热性能：(1)环境温度－10 ℃，液体介质温度为 30 ℃；(2)环境温度 60 ℃，液体介质温度为 30 ℃。实验结果显示，达到稳态时的 Tmax和 ΔTmax的差别不大，热交换主要受接触面积和温差的影响，而流速的变化只影响电池模块的稳态时间，对稳态值影响不大。实验结果显示，增大流速梯度能够降低模组在稳态阶段前的 ΔTmax，相较于没有设置梯度流速的案例，得到了明显改善，梯度流速设计在平衡电池模块各部分的传热效率也起着明显的作用。

相变散热

PCM 能在恒温或者近似恒温的情况下发生相变，并在相变过程中吸收/释放潜热从而达到降温的效果。目前，采用固-液型 PCM 的 BTMS 具有较好的应用前景，由于其比热容高，可大大减轻系统质量，且冷却效率也比液冷高出 3~4倍；其不足是某些 PCM体积变化大，对于系统的空间需求大，同时，PCM 吸收的热量不能有效地释放到外界环境中。纯PCM 有着较大的蓄热能力，但是热导率较低，为了解决这个问题，研发了复合型 PCM，常见的是与纳米颗粒、金属泡沫或膨胀石墨等其他材料结合。

热管技术

热管作为一种高效的换热元件，目前在大容量电池系统中的实际应用较少，相关研究尚处于实验室阶段。热管一般由管壳、管芯及工质组成，其结构沿轴方向可以分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部分。热管的优点有：极高的导热性、优良的等温性、低成本、恒温性、可靠控制灵活、高散热效率且不需要维修，能够在各种距离上等温的传递热量。高效灵活的热管技术在电池储能热管理中具有较好的前景。

不同热管理系统的影响因素较多，关键因素的优化对提升散热技术的性能十分重要。

风冷散热系统的优点为系统设计相对简单，成本低，易于实现和维护，可靠性高。其缺点也很明显：较低的比热容、较小的导热系数，不适用于高功率的场景，其散热效率低下，且受环境温度影响大，并且强制风冷产生大量噪音。

液体冷却的优点是具有更高的比热容，质量流量，更快的传热速度；具有较好的冷却效果，能达到均匀的温度分布。其缺点为布局复杂、部件较多、系统质量大、成本高和可靠性差，需要较高的密封性，且有泄露液体的风险。

相变材料冷却的优点是与相同操作条件下的空气或液体冷却相比，它在电池表面提供了更均匀的温度分布且反应速度快，并且储能密度高、节能、结构紧凑，可降低复杂度、节约成本。缺点则是当 PCM 发生相变时，体积变化很大，容易泄漏，并且固化时间较长。

热管冷却的优点是热管具有高热导率，体积相对较小、质量较轻，也可以根据可用空间以不同形式制造，并且在运行期间不需要维护，且具有优良的等温性、热流方向可逆性。其缺点则是容量小，接触面积小，系统结构复杂，泄漏风险大，成本高，技术复杂。

根据上述各类技术特点，本文从导热系数、比热容、散热速度、温差分布、寿命和成本等方面对比了各类技术的应用效果，如下所示。

随着锂离子储能技术向着高容量和紧凑化的方向发展，锂电池的热安全性成为现阶段研究的重点，且锂离子电池相较于其他电池，对工作温度的要求更为严苛，如何让储能系统的大量电池在稳定的环境下安全运行成为必须解决的问题，需要热管理系统准确监控电池的状态，在温度偏离正常范围时及时控制电池温度。本文主要结论如下：

在电池的性能方面，总结了温度对电池充放电效率、循环寿命和安全性的影响，数据显示温度控制是电池正常运行的重要保障。

在电池储能热管理技术方面，风冷、液冷、相变散热和热管技术是目前大规模电池储能的主要技术类型，各类热管理系统设计中关键因素不同，需要通过设计参数优化、系统设计及控制策略等途径来提升热管理效果及综合能效。

通过散热效率、散热速度、温差分布、寿命和成本对不同散热技术进行对比，结果表明液冷、热管冷却及相变冷却在散热速度上均优于风冷技术，热管冷却具有更优的降温效果，但风冷成本较低。

电池温度与其动态产热工况密切相关，应结合实际工况，制定有效的实时控制策略, 实现高效、低能耗电池热管理。目前，大部分系统设计重点集中于控制温度, 较少考虑系统能耗、体积和质量，应综合考虑各项指标。另外，各类热管理技术都在某些方面存在一定的缺陷，单一的冷却手段在某些工况下可能无法满足电池的散热要求。因此，根据实际应用需求，复合热管理技术将成为更有效的热管理技术手段。