全浸没液冷，储能系统热管理3.0时代？

文摘 2024-10-19 08:02 江苏

储能热管理系统发展历程

电池储能系统是由大量电池单体串并联而成的。以一个20尺3.44MWh的液冷储能集装箱为例，采用280Ah的电芯，则需要电芯约3840颗以上。大量电芯集成在一起进行充放电操作，需要严格控制环境及电芯的温度，过高、过低的温度，轻则导致电芯寿命不一致，重则可能导致电芯失控，引发安全问题。

尽管单体电芯的温度适用范围都宣称在-20℃-45℃之间，但是实际运行中，为保证储能系统安全可靠、高性能、长寿命运行，需将电池系统的工作温度控制在15℃-35℃之间，温控系统的重要性不言而喻。

在电芯越做越大，从280Ah向300Ah+迈进的过程中，如何更好的控制温度，降低能耗，储能系统的温控系统也从风冷走向冷板式液冷，并出现了全浸没液冷。

图：储能热管理系统发展历程示意图

全浸没液冷储能系统基本原理

浸没式电池冷却又称为电池直接冷却（直冷），原理如图2所示。

当电池浸泡在冷却液中时，产生的热量被液体吸收，形成温度梯度，热量由高至低通过传导和对流的方式传递至液体中，通过液体和外部环境的热交换完成热量的排出，从而形成对电池的冷却。

浸没式电池冷却技术需针对锂离子电池的电化学性、热物性以及系统结构进行特殊设计，技术特色如下：

1）浸没液选择：新能源汽车电池需要耐高温、低毒性、低腐蚀性、低膨胀性等特殊的浸没液，因此需选择适合电池的浸没液，如氢氟醚等。

2）冷却管路设计：浸没式电池冷却系统需考虑电池的布局和冷却效率等特殊要求，因此需设计适合的冷却管路，以实现对电池的全面冷却。

3）冷却系统控制：新能源汽车电池的浸没式冷却系统需考虑到电池温度的动态变化以及车辆的使用情况等多方面因素，因此需要进行智能化的控制，以保证电池的安全性和可靠性。

2、优劣势

空气冷却（风冷）、间接式液冷、相变材料（PCM）冷却也是几种常见的电池热管理技术。空气冷却技术如图3所示，空气冷却电池的冷却效率较低，冷却效果受环境条件的影响较大。在高湿度环境条件下，电池表面容易出现露水，从而导致电池失效，在高温度环境条件下，空气的低热容量可能导致冷却效果不佳。

间接式液冷技术如图4所示。其冷却效率受冷板材质和导热性能的影响较大，冷板与电池需接触，增加了电池模组的重量和体积，且要进行特殊的结构设计，增加了系统成本。

相变材料冷却技术如图5所示，当电池温度降至PCM的相变温度以下时，基于PCM的冷却系统可释放其吸收的热能。但电池运行期间的最高温度在较大程度上取决于PCM的相变温度和导热系数，但PCM的导热系数较低，因此限制了PCM冷却的广泛使用。

在浸没式电池冷却系统中，电池浸泡在冷却液中降低了接触热阻，为冷却提供了均匀的、高热容量的热传输路径。与间接式液冷相比，浸没式电池冷却具有冷却整个电池表面的能力，并能够通过减少电池正极和负极上的局部加热效应来提高电池表面温度的均匀性。

在高瞬态发热电池系统中，具有高传热系数的浸没式冷却系统是限制电池峰值温度过高和阻尼温度振荡的首选。浸没式电池冷却系统的优势如表1所示。

浸没式电池冷却系统在系统复杂度、电池模块体积以及系统密封性等方面存在一些劣势，如表2所示。

综上所述，浸没式电池冷却系统虽具备较多优势，但在工程应用中也要根据具体场景进行权衡和选择，同时需要针对其系统结构、浸没液特性等进行改良和优化。

浸没液

浸没液是浸没式电池冷却系统中的重要角色。本节将对浸没液的采选准则、不同相态浸没液的性质以及常见浸没液进行介绍。

1、电池浸没液的采选准则

在新能源汽车浸没式电池冷却系统中，浸没液的性质对冷却效率起关键作用。作为电池浸没液，其性质需满足如下条件：

1）具有良好的电绝缘性，除非在某些特殊的设计中对电池外壳涂上一层绝缘材料，否则不能使用水等导电液体；

2）不易燃且具有较高的闪点以降低电池热扩散发生火灾的风险，确保系统的安全性；

3）具有适当的工作温度范围、较长的使用寿命、良好的材料相容性、低重量、低黏度、低腐蚀性以及可持续性等性质，确保可投入大规模生产使用。

2、单、双相电池浸没液对比

根据冷却过程中是否发生相变，可将浸没液分为单相纯液态浸没液和液-汽相变双相浸没液。单相浸没液主要包括矿物油、硅油、天然酯等，双相浸没液以氢氟醚为主要代表。单相浸没液与双相浸没液的冷却方式均为直接冷却，浸没液均与热源直接接触带走热量。

在使用双相浸没液的浸没式电池冷却系统中，由于双相浸没液沸点较低，来自热源的热量易使周围浸没液流体发生沸腾相变，从而吸收来自热源的热量。沸腾产生的气体通过水冷冷凝盘管冷凝回液体，并通过系统循环回到液体浴。

在使用单相浸没液的浸没式电池冷却系统中，浸没液与热源直接接触，浸没液不会蒸发而是一直保持液相，温度升高后的单相浸没液流体通过冷却分配单元中的热交换器进行冷却。

在浸没式电池冷却系统中，无论使用上述何种浸没液，冷却效率均高于空气冷却系统。双相浸没液冷却系统设计难度更高，且双相浸没液价格高昂，循环损耗也较高，因此在实际应用中多以单相浸没液冷却系统为主。

3、电池浸没液种类及研究进展

1）氢氟醚

氢氟醚作为一种两相浸没液广泛应用在电力电子浸没式冷却领域。氢氟醚具有良好的介电性且沸点较低，因此也能够在新能源汽车浸没式电池冷却领域应用。

Novec工程流体是由3M公司开发的一套氢氟醚产品，具有良好的热性能，可作为浸没液应用在浸没式电池冷却系统。
R.W.VanGils等采用Novec7000作为圆柱形浸没式电池冷却系统的浸没液进行研究，结果表明，沸腾传热可提高电池温度均匀性，同时指出浸没液的沸腾温度可通过调节系统运行压力进行控制，因此可通过改变压力使沸腾状态控制在成核沸腾以获得最大的传热系数。
AnZhoujian等研究了基于微通道流动沸腾的电池热管理系统的性能，发现基于微通道中氢氟醚流动沸腾的电池热管理系统具有良好的冷却效果，电池电芯温度始终保持在40℃以内。在微型通道中流动沸腾的电池热管理系统适用于较高放电速率的电池组，且在合适的Re范围内，传热模式主要为沸腾传热，冷却效率可大幅提高。
WangYanfeng等发现氢氟醚的强制对流传热在控制电池模块中的温升方面起主导作用，而单个电池单元之间的温度均匀性主要取决于核沸腾吸热以及两相湍流的局部扰动。

综上所述，当使用氢氟醚作为电池浸没液，电池温度升至浸没液沸点时，浸没液开始沸腾，此时的传热方式主要为沸腾传热，增强了流体的传热特性，可在短时间内使电池温度维持在较低水平。此外，氢氟醚不易燃，也在一定程度上提高了系统的安全性。

2）水/乙二醇混合溶液

水/乙二醇混合溶液是水和乙二醇的混合物，与多数用于浸没式电池冷却的浸没液相比其导热系数较高且成本较低。但水/乙二醇混合溶液的电气绝缘性较差，为避免出现短路等问题，需要对被冷却物进行预处理。

3）液态水

与乙二醇相比水的导热系数更大，纯水基冷却剂能以更低的总体温度和更小的温度梯度提供更好的热性能，此外水还具有低成本和其他有利特性，因此水一直是传热的首选介质。

传统水冷却电池系统较复杂，通常需数个设备同时运行才能正常工作，且后期维修保养的成本较高。若将电池直接浸泡在水中，系统结构将更简单且更易生产，但电池长时间与水接触，腐蚀和短路等风险也随之而来，因此需使用一种防水介电导热材料来保护电池，抑制电池与水的相互作用，提高电池的使用寿命。

硅酮密封剂（siliconesealant，SS）是一种在电子和电气设备领域内广泛使用的防水材料，但SS的导热系数过低，设备产生的热量不能及时排出，易造成SS老化或退化，因此在实际使用过程中通常选择在SS中加入填料。氮化硼（boronnitride，BN）具有高导热系数、高电阻率以及低介电常数，具备良好的导热性以及电绝缘性，可弥补SS的缺陷。

LiXinxi等设计了一种使用SS和BN复合材料作为防水材料覆盖在电池外表面的浸没式电池冷却系统，结果表明，与使用纯SS相比，添加BN形成的复合材料可有效提高导热性，电池模组的温差保持在5℃以内，可确保电池在水中长时间安全运行，防止电池的腐蚀。但由于实际操作较复杂，且存在使用复合材料密封后密封失效引起的安全风险，因此一般情况下不使用水作为浸没液。

4）碳氢化合物

近年来，烃类流体作为浸没液在新能源汽车浸没式电池冷却系统愈发受到关注。烃类流体一般可包括矿物油、聚α烯烃或其他合成烃类油。矿物油并不是一种物质，而是成分极为复杂的一大堆物质的总称，主要来自于石油。矿物油具有低成本、低毒性和足够的工作温度范围，可直接作为浸没式电池冷却系统的浸没液。

5）硅油

硅油又称为有机硅油、甲基硅油，是一种无色澄清的油状液体，无臭或几乎无臭。硅油的沸点为140℃，熔点为-55℃，在高温下具有良好的耐热性，且具有良好的介电性，广泛应用于浸没式电池冷却系统。

6）酯类

酯类可分为天然酯和合成酯。天然酯具有高燃点和良好的生物降解性，但天然酯的氧化安定性不足。合成酯具有良好的抗氧化性、热稳定性以及生物降解性，因此在需要考虑防火、防泄漏和环境保护等方面广泛应用。

M&IMaterials推出了MIVOLT系列酯基浸没式冷却液，包括低黏度产品DF7和高黏度产品DFK，专用于新能源汽车电池的浸没式冷却。

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