當(dāng)下流行的熱管理應(yīng)用場景在二方面,第一個是新能源車的動力電池,第二個是儲能行業(yè)的儲能電池。
先說儲能的各類占比: 電化學(xué)儲能產(chǎn)業(yè)鏈分為上游設(shè)備商、中游集成商、下游應(yīng)用端三部分。上游設(shè)備包括 電池組、儲能變流器(PCS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、熱管理和 其他設(shè)備等,多數(shù)從業(yè)者為其他相近領(lǐng)域延伸而來;中游環(huán)節(jié)核心為系統(tǒng)集成+EPC;下 游主要分為發(fā)電端、電網(wǎng)端、戶用/商用端、通信四大場景。儲能產(chǎn)業(yè)鏈多數(shù)企業(yè)參與其中 1-2 個細(xì)分領(lǐng)域,少數(shù)企業(yè)從電池到系統(tǒng)集成,甚至 EPC 環(huán)節(jié)全參與。
儲能的熱管理技術(shù)路線
熱管理成為儲能系統(tǒng)核心,風(fēng)冷與液冷是目前成熟的技術(shù)路線。儲能熱管理的冷卻方式 主要有以下三大技術(shù)路線:風(fēng)冷(空氣冷卻)、液冷和相變冷卻。目前國內(nèi)的儲能系統(tǒng)熱管 理路線基本都采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式,國外已經(jīng)有應(yīng)用液冷散熱。也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。風(fēng)冷和液冷的核心區(qū)別是傳熱介質(zhì)的不同。具體來看,液體介質(zhì)的傳熱效率是最高的,能達(dá)到 0.5-10;空氣介質(zhì)的傳熱效率一般在零點(diǎn)幾左右;從換熱系數(shù)來說,空氣介質(zhì)較低(25-100),液體介質(zhì)較高(1000-1.5 萬)。
風(fēng)冷系統(tǒng)簡單成本較低,液冷功耗更低效果更好。風(fēng)冷系統(tǒng)具備系統(tǒng)簡單、制造成本低、 便于安裝等特點(diǎn)。在電池能量密度低,充放電速度慢的場景有比較多的應(yīng)用。液冷具備載熱 量大,換熱效率高的特點(diǎn),在電池包能量密度高,充放電速度快,環(huán)境溫度變化大的場合得 到廣泛的應(yīng)用。液冷系統(tǒng)可以和電池包高度集成,所需空間小,無需擔(dān)心灰塵,水汽凝結(jié)。但液冷技術(shù)的成本相對更高昂,若裝機(jī)量較大(5MWh 以上),液冷的成本會大大降低。
風(fēng)冷技術(shù):空調(diào)制冷,風(fēng)道交換熱量
風(fēng)冷的核心是空調(diào)和風(fēng)道。目前,在功率密度較小的集裝箱儲能系統(tǒng)和通信基站儲能系統(tǒng)中主要采用風(fēng)冷技術(shù)。一方面是因為風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,安全可靠,并且易于實(shí)現(xiàn);另一方面是因為儲能系統(tǒng)對能量密度和空間的限制不像動力電池系統(tǒng)那么苛刻,可以通過 增加電池數(shù)目來獲得較低的工作倍率和產(chǎn)熱率。以集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)集裝箱、鋰離子電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、儲能變流器、空調(diào)和風(fēng)道、配電柜、七 氟丙烷滅火裝置等組成。
液冷技術(shù):制冷效率更高
液冷方案在保證儲能系統(tǒng)安全、散熱效率等方面綜合優(yōu)勢顯著。液冷方案采用水、乙 醇、硅油等冷卻液,通過液冷板上均勻分布的導(dǎo)流槽和電芯間接接觸進(jìn)行散熱。其優(yōu)點(diǎn)包 括:1)靠近熱源,高效制冷;2)與相同容量的集裝箱風(fēng)冷方案相比,液冷系統(tǒng)不需要設(shè) 計風(fēng)道,占地面積節(jié)約 50%以上,更適合未來百 MW 級以上的大型儲能電站;3)相比風(fēng) 冷系統(tǒng),由于減少了風(fēng)扇等機(jī)械部件的使用,故障率更低;4)液冷噪聲低,節(jié)省系統(tǒng)自 耗電,環(huán)境友好。液冷系統(tǒng)的核心為冷水機(jī)和液冷板。其中冷水機(jī)包括壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流器、蒸發(fā) 器和水泵等部件。
風(fēng)冷、水冷的應(yīng)用場景不同
安全性和經(jīng)濟(jì)性雙輪驅(qū)動,熱管理技術(shù)轉(zhuǎn)向液冷。風(fēng)冷所涉及的冷卻結(jié)構(gòu)簡單、便于 安裝、成本較低,但制冷效果低下、無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫、需要大面積散熱通道。行業(yè)目前 裝機(jī)較多的通信基站、小型地面電站等功率密度相對較低的項目,風(fēng)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。未來隨著新能源電站、離網(wǎng) 儲能等更大電池容量、更高系統(tǒng)功率密度的儲能電站需求起步,儲能系統(tǒng)能量密度與發(fā)熱 量更大,對安全性和壽命的要求更高,將推動行業(yè)更多轉(zhuǎn)向采用液冷方案。寧德、陽光電 源、比亞迪等頭部企業(yè)已率先切換,龍頭示范效應(yīng)將驅(qū)動液冷滲透加速。
儲能液冷與動力電池?zé)峁芾聿町惢夹g(shù)要求,更看重經(jīng)濟(jì)性
儲能電池和動力電池系統(tǒng)在應(yīng)用場景、性能、壽命等方面有不同之處。二者在技術(shù)原 理上并沒有顯著差異,但由于應(yīng)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,但需要較高的循環(huán)次數(shù);2)電池容量方面,儲能系統(tǒng)容量大,對電池一致性、系 統(tǒng)成本和使用壽命要求更高,更加考驗電池管理系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)性能。在相同的十年 壽命的前提下,假設(shè)動力電池三天一次完全充放電,考慮三元磷酸鐵鋰電池組理論壽命為 1200 次,則三元磷酸鐵鋰電池組壽命在十年左右。儲能電池充放電更加頻繁,對于循環(huán) 壽命有更高的要求,需要 3000 以上循環(huán)次數(shù)。
儲能熱管理不間斷工作,安全要求高。動力電池追求更高的能量密度和充電速度,同時整車需要控制質(zhì)量與體積,通常采用液冷系統(tǒng)。儲能電池對能量密度、充電速度、質(zhì)量與體積要求不高,但通常需要不間斷工作,壽命更長,要求熱管理系統(tǒng)也具有長時間穩(wěn)定 工作的能力和十年以上的壽命。由于儲能電池循環(huán)次數(shù)更多,電池組之間的一致性不同, 發(fā)生熱失控的風(fēng)險更大。此外,儲能電池對于安全性的要求更高,樓宇、商超等人流密集的敏感地區(qū)及備電領(lǐng)域安全事故的損失和影響是無法接受的,因此需要更穩(wěn)定更安全的熱 管理系統(tǒng)。