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摘要：全球能源消耗不斷增加，電化學(xué)新型儲(chǔ)能系統(tǒng)在平衡能源供應(yīng)與需求中起到關(guān)鍵作用。隨著新型儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，系統(tǒng)運(yùn)行造成的溫度問(wèn)題極大地影響了系統(tǒng)的性能和安全使用，而合理的熱管理方案與系統(tǒng)控制策略能良好地保持儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性與安全性。從儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理需求出發(fā)，對(duì)主流使用熱管理方案的特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行分析，總結(jié)了各種方案的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)介紹了儲(chǔ)能系統(tǒng)溫度控制策略，并對(duì)儲(chǔ)能熱管理技術(shù)的未來(lái)研究方向給出了建議與展望。
關(guān)鍵詞：電池儲(chǔ)能；熱管理系統(tǒng)；儲(chǔ)能系統(tǒng)；電池安全
為應(yīng)對(duì)不斷增加的能源需求與環(huán)境保護(hù)的挑戰(zhàn)，我國(guó)提出了“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，加速了清潔能源的規(guī)?；l(fā)展，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)向綠色低碳方向深度轉(zhuǎn)型。隨著可再生能源的快速增長(zhǎng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)正成為平衡能源供應(yīng)與需求、促進(jìn)可再生能源融入電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。儲(chǔ)能技術(shù)包括機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能等[1]。在多元化儲(chǔ)能技術(shù)中，電化學(xué)儲(chǔ)能具有能量轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和模塊化等顯著優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)重點(diǎn)發(fā)展的儲(chǔ)能解決方案。電能以電化學(xué)方式存儲(chǔ)在電池中，在低需求時(shí)段儲(chǔ)存多余的能量，并在高峰期釋放能量。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)優(yōu)化配置、調(diào)度和控制，提高能效、促進(jìn)管理便利性與使用靈活性。其中，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)因在相同體積下能存儲(chǔ)更多的能量，且具備壽命長(zhǎng)、質(zhì)量輕和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在電能存儲(chǔ)中占據(jù)重要地位。在電池類(lèi)型中，磷酸鐵鋰電池因具有較好的安全性和良好的綜合性能，成為電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的首選。鋰離子儲(chǔ)能電池系統(tǒng)主要由電池系統(tǒng)、變流器、能量管理系統(tǒng)等組成，如圖1所示[2]。電池模塊是鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的核心組件，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)存來(lái)自電網(wǎng)或可再生能源系統(tǒng)的多余電能，并在電力需求高峰或系統(tǒng)負(fù)荷不平衡時(shí)，及時(shí)釋放儲(chǔ)存的電能以供使用，從而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電的可靠性。因此，鋰電池的技術(shù)進(jìn)步也推動(dòng)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和商業(yè)模式的發(fā)展。
圖1 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)[2]
然而，隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速發(fā)展，儲(chǔ)能電池的體積熱流密度越來(lái)越大，其安全性引起了極大的關(guān)注，如何有效地解決電池模組內(nèi)熱流分布均衡性與熱安全性問(wèn)題，直接關(guān)系到儲(chǔ)能電站長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性[3]。鋰離子電池的最佳工作溫度區(qū)間為20~35 ℃，且單體電池間溫差不宜大于5 ℃[4]。儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行溫度過(guò)低時(shí)，鋰離子電池將面臨電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩和鋰離子傳輸受阻的問(wèn)題，同時(shí)會(huì)引起負(fù)極析鋰現(xiàn)象，導(dǎo)致電池容量和循環(huán)壽命受損。當(dāng)溫度超出電池的耐受溫度時(shí), 短路、高溫會(huì)觸發(fā)電池內(nèi)部材料鏈?zhǔn)礁狈磻?yīng)而產(chǎn)生熱-溫循環(huán)，最后導(dǎo)致熱失控發(fā)生。因此，為了確保儲(chǔ)能電池具有安全穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，研發(fā)合理且高效的熱管理系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。
1 儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理方案
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)朝著高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命方向不斷發(fā)展，但由此產(chǎn)生的熱需求劇增。在電池簇高密度排列場(chǎng)景和暴露的工作環(huán)境下，儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理面臨著加熱、散熱雙向熱力學(xué)調(diào)控的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理很多是電動(dòng)汽車(chē)衍生的溫控方案，難以適配大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境[5]。因此，探索高效的熱管理方案成為提升電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性和使用壽命的迫切需求。
1.1 散熱方案
儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理技術(shù)主要有風(fēng)冷、液冷和相變材料冷卻的方案，各方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。風(fēng)冷和液冷是電化學(xué)儲(chǔ)能電站中常用的熱管理技術(shù)[6]。相變材料冷卻受限于高設(shè)計(jì)成本和能效衰減問(wèn)題，工程化驗(yàn)證不足，目前主要處于研究階段，未商業(yè)化推廣[7]。
表1 熱管理方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較
1.1.1風(fēng)冷
風(fēng)冷方案是以空氣為冷卻介質(zhì)，通過(guò)強(qiáng)制或自然空氣流動(dòng)帶走電池產(chǎn)生的熱量，從而降低電池的溫度，避免電池在工作過(guò)程中發(fā)生過(guò)熱。其中自然風(fēng)冷依賴(lài)空氣溫差驅(qū)動(dòng)被動(dòng)散熱，散熱效果差。而強(qiáng)制風(fēng)冷則通過(guò)風(fēng)機(jī)主動(dòng)增強(qiáng)氣流交換效率，其核心結(jié)構(gòu)由風(fēng)扇、風(fēng)道及空調(diào)組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、安全性好等特點(diǎn)[8]。風(fēng)冷技術(shù)廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理，是經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)先場(chǎng)景下的主流選擇。
在風(fēng)冷式技術(shù)發(fā)展中，散熱風(fēng)道的優(yōu)化和設(shè)計(jì)是提升熱管理系統(tǒng)散熱效率的重點(diǎn)。白亞平等[9]利用由空調(diào)和風(fēng)道組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)，針對(duì)額定容量為500 kWh的集裝箱式鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，其設(shè)計(jì)涵蓋了與空調(diào)連接的軟風(fēng)道、主風(fēng)道及多個(gè)風(fēng)道出口，以確保氣流均勻分布，設(shè)計(jì)的風(fēng)道如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，儲(chǔ)能系統(tǒng)在額定功率下運(yùn)行，電池的工作溫度能夠保持在17.5和32.6 ℃之間，且溫差不超過(guò)5 ℃?？捣济鞯萚10]針對(duì)大容量?jī)?chǔ)能電池的熱管理需求，通過(guò)多維度參數(shù)優(yōu)化研究了風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)散熱的影響，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)在10 m/s風(fēng)速下可實(shí)現(xiàn)1.55 ℃的溫差控制。楊金亮等[11]也驗(yàn)證了增加風(fēng)道可以提升集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)在制熱和制冷模式下的熱交換效率。
圖2 風(fēng)道設(shè)計(jì)模型[9]
上述研究顯著提升了空氣冷卻效率，但受限于儲(chǔ)能系統(tǒng)的空間，儲(chǔ)能散熱面臨氣流場(chǎng)分布不均勻和阻力特性大的問(wèn)題，因此，研究者們開(kāi)始探索增設(shè)導(dǎo)流板以及風(fēng)道進(jìn)出口位置優(yōu)化來(lái)改善散熱效果。Xu等[12]使用Soildworks建立儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖3所示。在集裝箱的入口附近增加了導(dǎo)流板，能夠阻擋進(jìn)氣道氣流，改變電池艙內(nèi)氣流場(chǎng)分布，使空氣在整個(gè)電池艙內(nèi)流動(dòng)，從而提升電池模塊的散熱效果。仿真結(jié)果顯示，增加導(dǎo)流板后，儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)溫度分布更加均勻，相比優(yōu)化前，平均溫度、最高溫度和溫差分別降低了4.57、4.3和3.65 ℃。
圖3鋰離子電池儲(chǔ)能艙模型[12]
圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱方案[13]
該解決方案可以增強(qiáng)特定幾何配置中的氣流分布，但是缺乏通用性。Lin等[13]發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)在架構(gòu)和形狀上與數(shù)據(jù)中心相似，均為堆疊在存儲(chǔ)機(jī)架中的可擴(kuò)展單元集群，于是提出了布局重構(gòu)的廣義解決方案，如圖4所示。圖中藍(lán)色和紅色部分分別代表冷空氣供應(yīng)和熱空氣回風(fēng)口，圖4(a)為原始方案，采用天花板送風(fēng)和地板回流；圖4(b)為地板送風(fēng)和天花板回風(fēng)；圖4(c)為風(fēng)道送風(fēng)和天花板回風(fēng)。實(shí)驗(yàn)分析表明，修改后的布局，圖4(b)中溫差下降到了3.5 ℃，制冷系數(shù)從8.5增加到了34.8；圖4(c)中平均溫度下降到24.2 ℃，最大溫差下降到7.7 ℃。Yan等[14]針對(duì)緊湊型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，建立了四種冷卻空氣進(jìn)出口方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，將進(jìn)出風(fēng)口配置在機(jī)柜的同一側(cè)熱管理性能更好。
以上研究主要集中在儲(chǔ)能散熱系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，缺乏對(duì)電池箱體內(nèi)部的熱性能考慮。Zhang等[15]研究了儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池模塊內(nèi)部電池單體之間的距離對(duì)散熱的影響，結(jié)果顯示，對(duì)于系統(tǒng)的冷卻能力和電池的布置而言，存在一個(gè)最優(yōu)的電池間距以達(dá)到最佳的冷卻效果，電池間距太小或者太大都會(huì)降低熱管理系統(tǒng)能力。徐鑫甜等[16]創(chuàng)新性地引入電池盒側(cè)壁開(kāi)孔調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)了電池堆內(nèi)部溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的協(xié)同優(yōu)化，顯著提升電池箱和電池架的均溫性，電池溫差分別降低28.2%和43.6%。李明飛等[17]針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池單體多、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，提出了電池模塊的多孔介質(zhì)?；椒ê?jiǎn)化系統(tǒng)的熱管理數(shù)值分析，兼顧了電池艙與電池模塊跨尺度熱流場(chǎng)耦合的相互作用，研究目標(biāo)為1 MW集裝箱式電池儲(chǔ)能裝置，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電池模塊的溫度均勻性受電池模塊內(nèi)部空氣流量分布和電池艙流場(chǎng)、溫度場(chǎng)共同影響。
圖5 電池艙內(nèi)部空氣流向示意圖[17]
風(fēng)冷散熱作為儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理的主流方案之一，憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部署靈活、維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)，在中低功率應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出良好的適用性；但該方式受限于空氣介質(zhì)的低比熱容，存在散熱效率較低、溫度均勻性差及受環(huán)境因素的影響大等技術(shù)難點(diǎn)。因此，目前鋰電池儲(chǔ)能風(fēng)冷方案的研究集中在散熱風(fēng)道的設(shè)計(jì)優(yōu)化、導(dǎo)流板增設(shè)、進(jìn)出風(fēng)口的布局以及電池箱熱性能優(yōu)化等方面，以提高風(fēng)冷方案的熱管理能效。但對(duì)于高功率、高能量密度且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，風(fēng)冷難以滿(mǎn)足系統(tǒng)散熱需求，影響系統(tǒng)的安全性和使用壽命。未來(lái)發(fā)展應(yīng)當(dāng)聚焦于多冷卻方式的耦合，保留風(fēng)冷經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)的同時(shí)，探索與其他散熱方式的混合熱管理方案，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的電池儲(chǔ)能需求。
1.1.2液冷
低效的熱管理方式是制約儲(chǔ)能系統(tǒng)功率密度和充放電倍率的重要因素。風(fēng)冷的低導(dǎo)熱性限制了其在較高環(huán)境溫度下的使用，可能存在散熱能力不足的情況[18-19]。相比之下，液冷技術(shù)由于冷卻介質(zhì)的高導(dǎo)熱性和較大的比熱容，具有更高的冷卻效率[20]。液冷技術(shù)可分為直接接觸式液體冷卻和間接接觸式液體冷卻[21]。間接冷卻是指冷卻液和電池之間通過(guò)管道或冷卻板進(jìn)行熱交換，而直接液冷是指冷卻液與電池直接接觸進(jìn)行熱交換。
1.1.2.1間接液冷
間接液冷系統(tǒng)主要由散熱器、水泵、冷卻液和相關(guān)閥門(mén)管路系統(tǒng)組成。冷卻液在水泵驅(qū)動(dòng)下經(jīng)液冷管道流入液冷板，吸收或者釋放熱量對(duì)電池進(jìn)行溫度控制，隨后流至熱交換器，通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流或者相變與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換。加熱和散熱通常共用一循環(huán)回路，通過(guò)閥門(mén)切換實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。
相較于風(fēng)冷系統(tǒng)，通過(guò)流體介質(zhì)的溫度與流量的調(diào)節(jié)可以更穩(wěn)定地維持電池工作溫度區(qū)間，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體效能。張維江等[22]針對(duì)一個(gè)儲(chǔ)能機(jī)柜的電池模塊，搭建了物理模型和數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行風(fēng)冷方案和液冷方案的對(duì)比和優(yōu)化，如圖6所示。風(fēng)冷方案通過(guò)優(yōu)化儲(chǔ)能模塊的串并行式，降低了電池單體之間的溫差，提高了溫度均勻性；液冷系統(tǒng)相比風(fēng)冷的進(jìn)口溫度更低，且系統(tǒng)能耗僅為43.68 W，遠(yuǎn)低于風(fēng)冷方案的272.75 W。帥昌俊[23]以液冷集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)為對(duì)象，通過(guò)理論建模和工程驗(yàn)證，證明液冷方案可以實(shí)現(xiàn)較好的電池溫度控制。雷博等[24]在4 C的高倍率工況和儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際AGC調(diào)頻工況下的研究也表明，液冷方案能夠維持系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可靠。
圖6 風(fēng)冷和液冷方案[22]
液冷板因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冷卻效率高，在間接冷卻中得到了廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)的差異化設(shè)計(jì)和放置形式直接影響著電池簇的熱均衡性。陳晨等[25]提出了一種多流道強(qiáng)化散熱液冷板設(shè)計(jì)方案，如圖7所示。液冷板采用左進(jìn)右出多分支流道布局，結(jié)合后端圓柱狀擾流點(diǎn)陣列，改善冷卻液的接觸面積和流動(dòng)均勻性。在儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間高功率的工況下，維持最大溫度差在5 ℃內(nèi)。Xu等[26]針對(duì)儲(chǔ)能用的大容量方形電池，提出了三種蜂窩狀的冷卻板，研究表明減少入口處液冷板面積的方案，在冷卻效率、系統(tǒng)功耗和傳熱性能方面均具優(yōu)勢(shì)。但是以上依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)的液冷板設(shè)計(jì)在流阻和溫度分布方面存在一定的局限性。相較于經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的流道設(shè)計(jì)，拓?fù)鋬?yōu)化通過(guò)數(shù)學(xué)建模全局優(yōu)化流道分布，可以更加全面地提升散熱系統(tǒng)的效能。Hou等[27]以冷板表面平均溫度和流阻功耗為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建了拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型。將拓?fù)鋬?yōu)化液冷板與傳統(tǒng)矩形通道冷板對(duì)比，顯著降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)的溫差和冷卻系統(tǒng)的流阻。目前儲(chǔ)能系統(tǒng)中的液冷板普遍放置在電池簇底部，在高倍率充放電工況下，熱量堆積會(huì)造成垂直方向溫度差異過(guò)大。因此李許一等[28]提出了冷板側(cè)置的方案，如圖8所示，將冷板從水平放置改為豎直放置，并增大與電池的接觸面積后，顯著減少了電池之間的溫差。
圖7 液冷板示意圖[25]
圖8 電池簇液冷散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[28]
盡管液冷結(jié)構(gòu)優(yōu)化與布置方式已顯著提升局部換熱效率，但是儲(chǔ)能液冷系統(tǒng)的全局熱均衡性仍高度依賴(lài)于管路網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)。王瑞清等[29]針對(duì)光伏儲(chǔ)能電站構(gòu)建了冷源-集裝箱-電池簇-插箱的四級(jí)管路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)冷卻介質(zhì)在管路中均勻分配，維持電池在合理的溫度范圍內(nèi)。Zhou等[30]基于液冷技術(shù)路線，改進(jìn)了儲(chǔ)能電池柜的結(jié)構(gòu)，如圖9所示，2只管路并聯(lián)2個(gè)儲(chǔ)能變流器，剩余管路分別供應(yīng)8個(gè)電池簇，結(jié)果顯示與傳統(tǒng)風(fēng)冷相比，該結(jié)構(gòu)使電池溫差更小，降低了能耗。
圖9 冷卻管路示意圖[30]
儲(chǔ)能系統(tǒng)的間接液冷方案通過(guò)冷卻液循環(huán)與熱交換器協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池溫度的調(diào)控。其核心優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)流體介質(zhì)的高效傳熱特性穩(wěn)定電池在適宜溫度區(qū)間，同時(shí)簡(jiǎn)化了內(nèi)部風(fēng)道結(jié)構(gòu)，散熱能效和系統(tǒng)的空間利用率實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化。液冷板作為間接液冷的核心部件，研究集中在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和布置方式上。傳統(tǒng)依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)模式仍存在一定的局限性，需要通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化等數(shù)學(xué)建模方法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)全局性能提升。此外，目前大部分液冷板的優(yōu)化目標(biāo)是新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池，缺乏對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)整體規(guī)模級(jí)應(yīng)用、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和高壽命需求的針對(duì)性。在儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層面，多級(jí)管路的構(gòu)建和優(yōu)化直接影響著散熱效能。然而，液冷方案部件的增多提高了整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，間接液冷傳熱環(huán)節(jié)多，電池單體和冷板間的界面熱阻已經(jīng)成為制約散熱性能進(jìn)一步提升的關(guān)鍵阻礙，因此應(yīng)當(dāng)開(kāi)展對(duì)浸沒(méi)式液冷方案的深度研究，為未來(lái)儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展提供更具潛力的熱管理方案。
1.1.2.2浸沒(méi)式液冷
浸沒(méi)式液冷是儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理的前沿技術(shù)，根據(jù)冷卻液是否發(fā)生相變，可以分為單相浸沒(méi)式液冷和兩相浸沒(méi)式液冷，原理如圖10所示[31]。單相浸沒(méi)式液冷通過(guò)冷卻液與電池模組的直接接觸傳熱，傳熱過(guò)程中冷卻液始終保持液態(tài)，在密封浸沒(méi)艙內(nèi)完全包裹電池模組，通過(guò)循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)形成定向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱量交換。相較于傳統(tǒng)風(fēng)冷及間接液冷系統(tǒng)，該技術(shù)具有優(yōu)越的導(dǎo)熱效能、高儲(chǔ)熱流密度和溫度均衡性。Satyanarayana等[32]對(duì)比了自然風(fēng)冷、強(qiáng)制風(fēng)冷與單相浸沒(méi)式冷卻，發(fā)現(xiàn)在3 C放電倍率下浸沒(méi)式液冷的冷卻效果最好，是一種安全高效的熱管理技術(shù)，適用于高能量密度和大電流運(yùn)行工況下的鋰離子電池。Wu等[31]設(shè)計(jì)制造了一種基于硅油的單相浸沒(méi)式液冷，以30并28串的鋰離子電池模組為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示直接接觸式液冷相比于間接液冷散熱系統(tǒng)集成率更高，最大溫升和最大溫差顯著降低。然而單相液冷從電池單體和模組遷移到大規(guī)模、高密度的儲(chǔ)能系統(tǒng)中還需要諸多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。冷卻介質(zhì)的流動(dòng)傳熱機(jī)制需與高密度電池簇的儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)適配，優(yōu)化冷卻液流速控制和黏度參數(shù)等方面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功耗和散熱表現(xiàn)的平衡。綜合考慮冷卻液選型、散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行成本，兼顧熱管理效率與運(yùn)行周期的經(jīng)濟(jì)性。
圖10 浸沒(méi)式冷卻原理[31]
兩相浸沒(méi)式液冷技術(shù)基于液-氣相變傳熱機(jī)制，通過(guò)低沸點(diǎn)冷卻液的汽化潛熱實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的散熱。如圖10(b)所示，當(dāng)電池溫度超過(guò)冷卻液飽和點(diǎn)，液體吸收熱量發(fā)生沸騰，產(chǎn)生的氣體經(jīng)冷凝器液化回流至封閉艙。相比于單相浸沒(méi)式液冷，兩相液冷的實(shí)驗(yàn)條件更加復(fù)雜，適用范圍更窄，需要考慮沸點(diǎn)和壓力的設(shè)置問(wèn)題[33]；但是兩相浸沒(méi)式液冷具有更優(yōu)越的散熱能力和溫度均勻性。Wang等[34]對(duì)比了自然冷卻、強(qiáng)制冷卻、礦物油單相浸沒(méi)式冷卻和六氟丁烯(SF33)兩相浸入式液冷，結(jié)果表明在10 C放電倍率下，SF33也能將電池保持在33~34 ℃。Li等[35]針對(duì)電池單體和模組進(jìn)行了不同冷卻方式的性能研究，在5 C放電倍率或外部短路狀態(tài)下，兩相浸沒(méi)式液冷均能限制電池溫升且具有更好的溫度均勻性。兩相浸沒(méi)式液冷在應(yīng)對(duì)電池極端工況中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，通過(guò)相變顯著抑制電池溫升，并提升溫度穩(wěn)定性，在散熱需求和能量密度日益上升的儲(chǔ)能場(chǎng)景中具有非常大的應(yīng)用潛力。在未來(lái)發(fā)展中，兩相浸沒(méi)式液冷應(yīng)著重研制低沸點(diǎn)、高化學(xué)惰性及環(huán)境友好的冷卻液，緩解常用介電流體氟化液的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和密封性設(shè)計(jì)壓力，同時(shí)考慮與電站熱負(fù)荷匹配的沸騰工質(zhì)壓力動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、高密度冷卻液引發(fā)的系統(tǒng)增重與運(yùn)行維修成本高等問(wèn)題。
在浸沒(méi)式熱管理系統(tǒng)中，冷卻液的物理性質(zhì)直接主導(dǎo)著電池簇的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，冷卻液的參數(shù)優(yōu)化成為電池安全性與經(jīng)濟(jì)性的核心，是未來(lái)研究的重點(diǎn)[35]。因此在鋰電池儲(chǔ)能領(lǐng)域，浸沒(méi)式液冷技術(shù)應(yīng)對(duì)冷卻介質(zhì)的性能提出嚴(yán)苛要求，其需兼具介電常數(shù)低、傳熱效率高、難燃特性、化學(xué)惰性以及低毒性和低黏度，以適配電芯直接接觸的儲(chǔ)能場(chǎng)景，目前研究的冷卻液種類(lèi)有氟化液、碳?xì)浠衔?、硅油?lèi)、酯類(lèi)和水基類(lèi)，具體參數(shù)見(jiàn)表2[31, 33]。然而，當(dāng)前市場(chǎng)尚未形成統(tǒng)一的選型標(biāo)準(zhǔn)，氟化液、硅油等候選介質(zhì)仍處工程驗(yàn)證階段，產(chǎn)業(yè)化成熟產(chǎn)品稀缺。
表2 浸沒(méi)式冷卻液的性能參數(shù)
浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)受限于特種介電流體的高昂采購(gòu)成本、高黏度流體循環(huán)引發(fā)的泵送功耗上升，以及浸沒(méi)模塊化設(shè)計(jì)導(dǎo)致的電池系統(tǒng)質(zhì)量密度上升等制約，其規(guī)?；I(yè)應(yīng)用尚未全面開(kāi)展，但前沿工程實(shí)踐已經(jīng)推出[33]。2023年3月6日，我國(guó)首個(gè)也是全球首個(gè)浸沒(méi)式液冷儲(chǔ)能電站——南方電網(wǎng)梅州寶湖儲(chǔ)能電站正式投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)儲(chǔ)能安全技術(shù)的迭代升級(jí)，電池散熱效率較傳統(tǒng)方式提升50%。梅州寶湖儲(chǔ)能電站的每個(gè)浸沒(méi)式液冷電池艙容量為5.2 MWh，能夠?qū)崿F(xiàn)電池運(yùn)行溫升不超過(guò)5 ℃，不同電池溫差不超過(guò)2 ℃[36]。
相比于間接冷卻，浸沒(méi)式液冷使介電流體與電池直接接觸，降低了熱阻，結(jié)構(gòu)更加緊湊，傳熱面積更大，可以有效提高電池的熱安全性[37]。但是冷卻液與電池殼體、密封材料的長(zhǎng)期相容性缺乏驗(yàn)證，儲(chǔ)能系統(tǒng)的密封性也應(yīng)通過(guò)極端工況的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。冷卻液選型和應(yīng)用仍處于物性參數(shù)與場(chǎng)景適配試驗(yàn)期，需要加強(qiáng)冷卻液黏度和功率的耦合關(guān)系以及環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性平衡的相關(guān)研究。
1.1.3相變材料冷卻
相變材料(phase change material，PCM)冷卻是通過(guò)相變過(guò)程中吸收和釋放潛熱，保證電池模塊長(zhǎng)時(shí)間的溫度均勻[37]。相變材料具有能量密度高和溫度均一性?xún)?yōu)異的特點(diǎn)，尤其適配儲(chǔ)能場(chǎng)景的輕量化與低功耗需求。歐陽(yáng)葉郁等[38]針對(duì)光伏儲(chǔ)能混合系統(tǒng)中的電池?zé)岚踩裕芯苛丝諝饫鋮s和相變材料冷卻兩種熱管理方案，結(jié)果顯示風(fēng)冷方案的散熱能力和風(fēng)速成正比，但是無(wú)法維持電池溫度分布的均勻性。復(fù)合相變材料能夠把電池的溫差保持在0.88 K內(nèi)。然而，相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低，無(wú)法保證儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，當(dāng)溫度低于313.65 K時(shí)相變材料可能導(dǎo)致電池溫度上升。
為確保高熱量產(chǎn)生環(huán)境下電池的安全性，需要一個(gè)補(bǔ)充冷卻系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合散熱[39]。張雅新等[40]開(kāi)發(fā)了一種新型應(yīng)用于集裝箱式儲(chǔ)能的相變液冷耦合方案。該液冷系統(tǒng)利用冷卻工質(zhì)相變潛熱，能夠使輸送管道中的進(jìn)、出口溫度保持一致，進(jìn)一步提高電池組的均溫性；假如發(fā)生泄漏也會(huì)瞬間汽化，保證電池的安全性。研究結(jié)果表明，兩相冷板液冷系統(tǒng)在整個(gè)充放電過(guò)程中能夠有效降低電池的溫升，并將全艙電池的最大溫差從傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)的 4.17 ℃降低至 3 ℃以?xún)?nèi)。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)在靜置階段，電池溫度難以自然散發(fā)，會(huì)導(dǎo)致電池溫度較高和電池間溫度差異變大，因此需持續(xù)開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)以確保電池在安全溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。Hou等[27]針對(duì)單一散熱方案無(wú)法滿(mǎn)足高功率的條件下，基于相變漿液(phase chang slurry，PCS)和液冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行數(shù)值研究，相比于純水液冷方案，PCS的液冷散熱具有更優(yōu)越的冷卻性能和溫度均勻性，結(jié)構(gòu)如圖11所示。
圖11 基于PCS的液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[27]
相變換熱技術(shù)由于材料本征的局限性，在儲(chǔ)能領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用面臨著許多挑戰(zhàn)。一方面，PCM存在低導(dǎo)熱性、極端溫度下性能衰退及相變體積膨脹等缺陷，需要與其他冷卻系統(tǒng)聯(lián)用優(yōu)化散熱性能；另一方面，復(fù)合系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性、工程成本以及系統(tǒng)增重需要在經(jīng)濟(jì)性和熱管理系統(tǒng)效能之間進(jìn)行平衡。目前相變冷卻技術(shù)的應(yīng)用主要集中在汽車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域，在鋰離子電池儲(chǔ)能方面研究較少，未來(lái)應(yīng)當(dāng)集中在材料性能改進(jìn)與復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的針對(duì)性，以推動(dòng)PCM技術(shù)從動(dòng)力電池向大容量?jī)?chǔ)能場(chǎng)景的應(yīng)用。
1.2加熱方案
電池加熱是保障儲(chǔ)能系統(tǒng)性能、壽命及安全性的關(guān)鍵技術(shù)。在低溫環(huán)境中運(yùn)行儲(chǔ)能電池會(huì)導(dǎo)致鋰離子擴(kuò)散受阻、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)減緩、電池容量衰減、電池內(nèi)阻增大、循環(huán)壽命下降等電化學(xué)性能的顯著降低[41-42]。這不僅限制了極端環(huán)境下儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電倍率，更可能誘發(fā)熱失控等安全隱患。因此需要開(kāi)發(fā)適配的儲(chǔ)能加熱技術(shù)，維持鋰離子電池在適宜的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定高效地運(yùn)行。
面向規(guī)模級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的加熱方式通常分為外設(shè)加熱器和熱泵空調(diào)加熱兩種。加熱器加熱主要依托電阻式加熱元件與對(duì)流換熱的方式實(shí)現(xiàn)電池組的加熱。如圖12所示，加熱器將傳熱介質(zhì)加熱，通過(guò)風(fēng)扇和水泵將熱空氣、熱液體與儲(chǔ)能電池組進(jìn)行熱量交換[42]。楊藝云等[43]基于加熱器和空調(diào)設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)，當(dāng)集裝箱內(nèi)溫度低于5 ℃時(shí)，開(kāi)啟加熱器進(jìn)行空氣加熱對(duì)電池進(jìn)行溫控，該方法簡(jiǎn)單易用，在儲(chǔ)能項(xiàng)目中取得了良好效果。正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient，PTC)電加熱器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，成為低溫加熱器的主要選擇。如程鵬飛[44]和帥昌俊[23]等人通過(guò)冷卻液回路和冷媒回路構(gòu)建熱管理回路，在低溫工況下關(guān)閉冷媒回路，啟動(dòng)PTC加熱器將電能轉(zhuǎn)換成熱能，通過(guò)功率控制達(dá)到合適的冷卻液運(yùn)轉(zhuǎn)溫度，隨后由水泵驅(qū)動(dòng)沿管路流經(jīng)電池組實(shí)現(xiàn)與集裝箱內(nèi)儲(chǔ)能單元的換熱。
圖12 加熱器原理[42]
盡管PTC電加熱器加熱迅速、控制簡(jiǎn)單，能夠快速響應(yīng)熱需求，但其低能效比制約了其在大規(guī)模部署中長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用。因此具有反向卡諾循環(huán)特性的熱泵系統(tǒng)也受到關(guān)注。熱泵空調(diào)通過(guò)壓縮機(jī)將制冷劑增壓為高溫高壓氣態(tài)，在冷凝器內(nèi)釋放潛熱加熱空氣或冷卻液等載熱介質(zhì)，隨后經(jīng)蒸發(fā)器吸收環(huán)境熱量汽化再進(jìn)入壓縮機(jī)形成閉環(huán)回路，最終借助風(fēng)扇和水泵將熱量輸送至電池模組。張建府[45]以?xún)?chǔ)能電站為目標(biāo)設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)，如圖13所示，通過(guò)設(shè)置四通閥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冷卻和加熱。在制熱模式下，制冷劑流經(jīng)換熱器相變加熱冷卻液，然后依靠循環(huán)水泵將冷卻液泵入各個(gè)儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)換熱。Kwon等[46]設(shè)置了三臺(tái)熱泵空調(diào)組成熱管理系統(tǒng)，研究導(dǎo)風(fēng)板角度和熱泵出風(fēng)角度對(duì)于集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)最高溫度和平均溫度的影響。
圖13 加熱器原理圖[45]
當(dāng)前儲(chǔ)能電站或者集裝箱的低溫加熱研究仍處于探索階段，現(xiàn)有文獻(xiàn)多聚焦于冷卻散熱技術(shù)的優(yōu)化，對(duì)低溫加熱機(jī)理的解析與工程化方案的創(chuàng)新較為缺乏。既有的研究主要應(yīng)用外置式電加熱和熱泵空調(diào)加熱等傳統(tǒng)的技術(shù)方案，存在能耗和加熱能力矛盾問(wèn)題，對(duì)于儲(chǔ)能電站的規(guī)模級(jí)應(yīng)用和動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)缺乏針對(duì)性研究。未來(lái)儲(chǔ)能場(chǎng)景中的低溫加熱可以借鑒極端溫度下動(dòng)力電池的技術(shù)方案，如直流加熱[46]、交流加熱[47]和加熱膜加熱[48]等方法，實(shí)現(xiàn)在儲(chǔ)能系統(tǒng)加熱速率、運(yùn)行穩(wěn)定性和溫度場(chǎng)均勻性的協(xié)同優(yōu)化。
2 儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理的控制方案
在熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化中，控制策略發(fā)揮著重要作用。通過(guò)控制策略驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件如空調(diào)、水泵和壓縮機(jī)等部件協(xié)同作用，使得系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)較好能耗的同時(shí)具有更高效的熱管理性能。合理穩(wěn)定的控制策略能夠有效降低系統(tǒng)的最高溫度，并改善電池間溫度分布均勻性，提升鋰電池設(shè)備的工作效能和安全性[49]。目前的控制策略是以傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)控制為主導(dǎo)，通過(guò)預(yù)設(shè)溫度閾值進(jìn)行熱管理系統(tǒng)模式的切換和部件的調(diào)控。但儲(chǔ)能系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)工況下的熱負(fù)載變化具有非線性特點(diǎn)，因此預(yù)測(cè)型算法被引入，以采集電池的溫度和電池間溫差對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
2.1開(kāi)關(guān)控制策略
開(kāi)關(guān)控制作為經(jīng)典的控制策略，其核心機(jī)理在于基于預(yù)設(shè)閾值觸發(fā)系統(tǒng)部件的響應(yīng)，具有應(yīng)用簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)。該策略通過(guò)定義儲(chǔ)能系統(tǒng)模式的切換閾值實(shí)現(xiàn)邏輯控制。在以空氣為傳熱介質(zhì)的熱管理方案中，開(kāi)關(guān)控制憑借構(gòu)建多級(jí)溫度閾值觸發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)熱需求的協(xié)同匹配。通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行溫度，當(dāng)監(jiān)測(cè)值突破預(yù)設(shè)的模式切換值時(shí)，啟動(dòng)制冷機(jī)組或者結(jié)合加熱器進(jìn)行冷卻、加熱，這構(gòu)成了該策略典型的應(yīng)用形式。向嘉強(qiáng)等[50]針對(duì)高海拔環(huán)境下的儲(chǔ)能集裝箱提出雙模式切換的溫度控制策略，當(dāng)箱體內(nèi)部溫度低于12 ℃或超過(guò)28 ℃，便分別進(jìn)入制熱或制冷模式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示調(diào)整空調(diào)的開(kāi)閉能夠穩(wěn)定維持儲(chǔ)能系統(tǒng)在合理的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。但是這種傳統(tǒng)的應(yīng)用形式只考慮冷熱兩種模式的切換，僅以集裝箱內(nèi)部的溫度作為設(shè)定溫度閾值的單一因素，無(wú)法動(dòng)態(tài)適配系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)的熱負(fù)荷需求，同時(shí)限制了熱管理系統(tǒng)能耗效率。王志偉等[51]同時(shí)考慮儲(chǔ)能集裝箱的運(yùn)行溫度和運(yùn)行狀態(tài)，提出了多閾值的冷卻模式開(kāi)關(guān)控制策略，如圖14所示，分別針對(duì)待機(jī)、普通和高倍率運(yùn)行工況提出不同的冷卻模式開(kāi)啟溫度值，結(jié)果顯示相比于單一的溫度設(shè)定，優(yōu)化后的策略降低熱管理能耗約33.0%。付長(zhǎng)江[52]也考慮儲(chǔ)能集裝箱的動(dòng)態(tài)放電倍率設(shè)置不同的冷卻模式開(kāi)啟溫度，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)間歇運(yùn)行，顯著降低空調(diào)系統(tǒng)的散熱能耗。儲(chǔ)能集裝箱的熱管理系統(tǒng)往往由多臺(tái)空調(diào)組成，系統(tǒng)運(yùn)行的溫度依賴(lài)對(duì)回風(fēng)口溫度的監(jiān)測(cè)，這會(huì)出現(xiàn)靠近回風(fēng)口的溫度率先達(dá)到切換閾值，不同位置的空調(diào)模式切換不協(xié)同，從而造成集裝箱內(nèi)的溫度場(chǎng)分布不均勻，增大電池溫差。因此，謝金元等[53]提出以電池單體的溫度和充放電狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整溫控目標(biāo)，并且統(tǒng)一調(diào)節(jié)空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)的開(kāi)關(guān)控制策略。工作態(tài)采用精準(zhǔn)溫控，電池超過(guò)27 ℃強(qiáng)制制冷，低于14 ℃強(qiáng)制制熱。靜置態(tài)放寬溫度區(qū)間切換狀態(tài)閾值分別為40和8 ℃。該策略使電池堆溫差最高降低1.4 ℃，空調(diào)能耗降低了62%。
圖14 集裝箱系統(tǒng)運(yùn)行策略[51]
在液冷熱管理方案中，開(kāi)關(guān)控制通過(guò)壓縮機(jī)、水泵和閥體的協(xié)同啟停與溫度分梯度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)冷卻介質(zhì)與儲(chǔ)能熱負(fù)載需求的動(dòng)態(tài)耦合。程鵬飛等[44]提出液冷集裝箱熱管理策略，通過(guò)設(shè)置上下限值實(shí)現(xiàn)多模式切換的開(kāi)關(guān)控制。當(dāng)溫度超過(guò)33 ℃時(shí)，壓縮機(jī)和水泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行散熱直至溫度低于28 ℃；當(dāng)溫度小于12 ℃時(shí)，開(kāi)啟PTC和水泵加熱模式直至最低溫度大于15 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)有效保障了電池?zé)岚踩耘c溫度一致性。除了穩(wěn)定與安全，在儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用中，控制策略也影響著儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際效率，能量效率的優(yōu)化是提升經(jīng)濟(jì)性和可靠性的重要研究方向?；羰仔堑萚54]通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了儲(chǔ)能電池柜能量效率與制熱模式中溫度設(shè)定的關(guān)系，提出依據(jù)電池最小溫度設(shè)置三檔模式，分級(jí)進(jìn)行電池柜的加熱，最終確定進(jìn)水口溫度分別設(shè)定為30、24和22 ℃時(shí)電池柜效率最優(yōu)。然而現(xiàn)有研究多聚焦于集裝箱和儲(chǔ)能柜級(jí)分散式熱管理設(shè)計(jì)，獨(dú)立溫控單元間缺乏整體的調(diào)控，會(huì)導(dǎo)致電站級(jí)別的全局熱力學(xué)協(xié)同優(yōu)化不足。張建府[45]針對(duì)儲(chǔ)能電站的整體熱安全性，提出了一種壓縮冷水機(jī)組和閉式水循環(huán)組成的集中式液冷換熱系統(tǒng)，溫度調(diào)控方案如圖 15所示。以各獨(dú)立儲(chǔ)能單元的加權(quán)溫度，進(jìn)行熱管理模式的切換，調(diào)控冷卻液的溫度和流量進(jìn)行獨(dú)立冷卻或加熱。
基于上述研究成果可見(jiàn)，當(dāng)前開(kāi)關(guān)控制策略通過(guò)閾值和模式切換的協(xié)同優(yōu)化，在保證儲(chǔ)能系統(tǒng)熱安全性的同時(shí)能夠降低系統(tǒng)能耗。在儲(chǔ)能熱管理中采用固定閾值啟停策略，但這種被動(dòng)式控制存在響應(yīng)滯后、溫度波動(dòng)大等問(wèn)題。需要進(jìn)一步融合預(yù)測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)的超前補(bǔ)償和自適應(yīng)優(yōu)化，提升控制效果。
圖15溫度控制策略[45]
2.2預(yù)測(cè)型控制策略
傳統(tǒng)基于閾值觸發(fā)的開(kāi)關(guān)控制策略因缺乏對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)熱需求波動(dòng)性與工況動(dòng)態(tài)特性的考量，難以實(shí)時(shí)響應(yīng)電池非線性熱需求，易導(dǎo)致散熱延遲、溫度場(chǎng)分布不均及熱管系統(tǒng)能效比失衡等問(wèn)題，制約著儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。而預(yù)測(cè)型控制策略通過(guò)融合歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)工況參數(shù)及仿真模擬信息，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的非線性映射模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度趨勢(shì)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。如Feng等[55]建立了電化學(xué)模型與熱模型，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練，能夠準(zhǔn)確估計(jì)出－10~40 ℃環(huán)境下的電池溫度。Wang等[56]以環(huán)境溫度、放電電流、荷電狀態(tài)(SOC)和冷卻空氣流量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，電池的溫差和平均溫度作為輸出，對(duì)比了反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和簡(jiǎn)單遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鋰電池溫度的預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示簡(jiǎn)單遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性和泛化性更強(qiáng)。同時(shí)在預(yù)測(cè)域中，主動(dòng)優(yōu)化制冷/制熱強(qiáng)度與能耗分配，在降低電池溫差的同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)能效的提升，從而維持電池最佳工作區(qū)間并抑制熱失控風(fēng)險(xiǎn)。Zhuang等[57]通過(guò)模型預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)電池的平均溫度，并以電池的平均溫度為狀態(tài)變量，控制熱管理系統(tǒng)的進(jìn)氣口風(fēng)速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，結(jié)果表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)降低溫差和熱管理系統(tǒng)能耗的目的。Guo等[58]提出了一種復(fù)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)預(yù)測(cè)電池的產(chǎn)熱，在預(yù)測(cè)域內(nèi)通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法求解最優(yōu)的冷卻液流量、溫度和流向，使熱管理能耗降低了56.48%。
但是以上這些研究都集中在電池單體或電池模組的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，針對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能集裝箱或者儲(chǔ)能電站的預(yù)測(cè)控制策略研究相對(duì)匱乏。林達(dá)等[59]為了解決儲(chǔ)能電站運(yùn)行過(guò)程中電池單體之間散熱需求不一致的問(wèn)題，建立了鋰離子電池的集中熱模型和電池與電池艙熱量流動(dòng)的耦合模型，電池艙的主要結(jié)構(gòu)如圖16所示。基于儲(chǔ)能集裝箱的歷史數(shù)據(jù)和建立模型的計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)出集裝箱內(nèi)熱量分布，進(jìn)行風(fēng)向和風(fēng)速調(diào)整，有效改善了儲(chǔ)能艙內(nèi)溫度不一致性以及艙內(nèi)的散熱環(huán)境。Huang等[60]建立了儲(chǔ)能系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，如圖17所示。該方案利用決策樹(shù)算法驗(yàn)證了冷卻空氣流量對(duì)電池組件的最高溫度和溫差均有顯著影響，而入口溫度僅影響最高溫度；并通過(guò)支持向量機(jī)預(yù)測(cè)了電池在不同運(yùn)行條件下的安全性，最后提出了一種分布式進(jìn)氣設(shè)置策略，該策略通過(guò)單獨(dú)調(diào)節(jié)兩側(cè)進(jìn)氣口的冷卻空氣溫度，成功將電池的溫度和儲(chǔ)能系統(tǒng)的功耗分別降低了8.6%和40%。這些研究標(biāo)志著預(yù)測(cè)型算法在系統(tǒng)級(jí)儲(chǔ)能熱管理中的初步探索，通過(guò)結(jié)合動(dòng)態(tài)模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理中實(shí)現(xiàn)了安全性和能效的提升。但是現(xiàn)有研究任然存在一定的局限性：對(duì)于部件控制對(duì)象較為單一，未充分研究協(xié)同調(diào)控?zé)峁芾硐到y(tǒng)中其他關(guān)鍵部件，如壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、膨脹閥開(kāi)度等；此外，訓(xùn)練數(shù)據(jù)多依賴(lài)電池本體參數(shù)，而忽略環(huán)境溫濕度、地理氣象參數(shù)及電網(wǎng)調(diào)度指令等外部擾動(dòng)因子，可能導(dǎo)致策略泛化能力不足。未來(lái)應(yīng)當(dāng)構(gòu)建多層級(jí)的物理模型與數(shù)據(jù)融合的儲(chǔ)能系統(tǒng)預(yù)測(cè)型控制框架，充分考慮熱管理系統(tǒng)多部件能耗耦合，依據(jù)電池、環(huán)境和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)多維度的數(shù)據(jù)，構(gòu)建高適應(yīng)性和魯棒性的預(yù)測(cè)型控制策略，實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的控制，在儲(chǔ)能系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境中穩(wěn)定滿(mǎn)足系統(tǒng)熱需求。
圖16 儲(chǔ)能電站集裝箱設(shè)備布置[59]
圖17 儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[60]
綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)大部分控制策略是基于閾值觸發(fā)的開(kāi)關(guān)控制，少量研究引入預(yù)測(cè)型的控制策略，動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化冷卻參數(shù)。但是當(dāng)前儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理控制算法研究較少，需要加強(qiáng)基于規(guī)則和優(yōu)化的控制算法的應(yīng)用，如模糊控制、群優(yōu)化算法及模型預(yù)測(cè)算法等。在控制目標(biāo)層面應(yīng)對(duì)熱管理中關(guān)鍵部件的功耗和效率的動(dòng)態(tài)耦合進(jìn)行深入優(yōu)化，達(dá)到功耗與效率平衡。通過(guò)控制策略動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)熱管系統(tǒng)的啟停、制冷/制熱等運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)能耗、提升控制精度、延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。
3 總結(jié)
儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理至關(guān)重要，特別是對(duì)于使用鋰離子電池的電化學(xué)儲(chǔ)能而言。鋰離子電池在充放電過(guò)程中釋放的熱量容易導(dǎo)致溫度不均，甚至局部高溫；而低溫環(huán)境下，電池內(nèi)部離子遷移速率降低、內(nèi)阻增大，可能加速鋰枝晶生長(zhǎng)并誘發(fā)析鋰現(xiàn)象，若無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的溫度調(diào)控，將導(dǎo)致電池電化學(xué)性能和循環(huán)壽命衰減，甚至誘發(fā)熱失控等連鎖反應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)和實(shí)施高效的熱管理是確保儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。本文通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理分析得出以下結(jié)論：
(1)當(dāng)前大多數(shù)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理研究集中于單艙體的溫控需求，這可能導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)整體協(xié)同調(diào)控失配。儲(chǔ)能系統(tǒng)為長(zhǎng)期運(yùn)行的設(shè)施，且大多長(zhǎng)時(shí)間處于高功率運(yùn)行狀態(tài)，易受環(huán)境影響。集裝箱級(jí)別的冷卻設(shè)計(jì)往往只能解決局部熱點(diǎn)問(wèn)題，并不能有效應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部和周?chē)h(huán)境的溫度、濕度變化。
(2)風(fēng)冷熱管理方案技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，但在儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行場(chǎng)景下，換熱效率存在一定的局限性，難以滿(mǎn)足高功率儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求。相比之下，液冷技術(shù)因其優(yōu)異的散熱性能、較低的實(shí)施成本和較高的工程可行性，正逐步成為儲(chǔ)能熱管理領(lǐng)域的主流方案，但仍需在冷卻液選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與能耗控制上做出優(yōu)化改進(jìn)。
(3)在儲(chǔ)能系統(tǒng)復(fù)雜多樣的運(yùn)行工況下，單一散熱技術(shù)由于性能的局限性，難以全面滿(mǎn)足冷卻需求。此外，低溫加熱技術(shù)也亟待深入研究傳熱機(jī)理與拓展方法，突破加熱速率、系統(tǒng)穩(wěn)定性與溫度均勻性的協(xié)同優(yōu)化的瓶頸?；诖?，可以結(jié)合多種冷卻、加熱方式，形成多技術(shù)協(xié)同的熱管理方案，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，還可以引入浸沒(méi)式液冷等新型技術(shù)，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)整體性能。
(4)在控制策略方面，儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)對(duì)風(fēng)扇、水泵和壓縮機(jī)等能耗設(shè)備的綜合研究和控制有一定的局限性，未能充分利用控制算法和優(yōu)化算法精確調(diào)控這些關(guān)鍵部件的運(yùn)行。面對(duì)復(fù)雜的儲(chǔ)能環(huán)境和多變的能源需求，應(yīng)實(shí)施高精度的實(shí)時(shí)調(diào)控，以提高能源利用效率和系統(tǒng)整體性能。
