中國儲能網訊：
摘要：全球能源消耗不斷增加，電化學新型儲能系統在平衡能源供應與需求中起到關鍵作用。隨著新型儲能系統規(guī)模的擴大，系統運行造成的溫度問題極大地影響了系統的性能和安全使用，而合理的熱管理方案與系統控制策略能良好地保持儲能系統運作的穩(wěn)定性與安全性。從儲能系統熱管理需求出發(fā)，對主流使用熱管理方案的特點及應用進行分析，總結了各種方案的未來發(fā)展趨勢，重點介紹了儲能系統溫度控制策略，并對儲能熱管理技術的未來研究方向給出了建議與展望。
關鍵詞：電池儲能；熱管理系統；儲能系統；電池安全
為應對不斷增加的能源需求與環(huán)境保護的挑戰(zhàn)，我國提出了“雙碳”戰(zhàn)略目標，加速了清潔能源的規(guī)?；l(fā)展，推動能源結構向綠色低碳方向深度轉型。隨著可再生能源的快速增長，儲能系統正成為平衡能源供應與需求、促進可再生能源融入電網的關鍵技術。儲能技術包括機械儲能、電化學儲能和電磁儲能等[1]。在多元化儲能技術中，電化學儲能具有能量轉換效率高、響應速度快和模塊化等顯著優(yōu)勢，已成為現代電力系統重點發(fā)展的儲能解決方案。電能以電化學方式存儲在電池中，在低需求時段儲存多余的能量，并在高峰期釋放能量。電池儲能系統可以通過優(yōu)化配置、調度和控制，提高能效、促進管理便利性與使用靈活性。其中，鋰離子電池儲能系統因在相同體積下能存儲更多的能量，且具備壽命長、質量輕和適應性強的優(yōu)勢，在電能存儲中占據重要地位。在電池類型中，磷酸鐵鋰電池因具有較好的安全性和良好的綜合性能，成為電化學儲能系統的首選。鋰離子儲能電池系統主要由電池系統、變流器、能量管理系統等組成，如圖1所示[2]。電池模塊是鋰離子電池儲能系統中的核心組件，通過電化學反應儲存來自電網或可再生能源系統的多余電能，并在電力需求高峰或系統負荷不平衡時，及時釋放儲存的電能以供使用，從而保證電網的穩(wěn)定性和供電的可靠性。因此，鋰電池的技術進步也推動了儲能系統的設計優(yōu)化和商業(yè)模式的發(fā)展。
圖1 鋰離子電池儲能系統[2]
然而，隨著儲能系統的快速發(fā)展，儲能電池的體積熱流密度越來越大，其安全性引起了極大的關注，如何有效地解決電池模組內熱流分布均衡性與熱安全性問題，直接關系到儲能電站長期運行的可靠性[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]。儲能系統運行溫度過低時，鋰離子電池將面臨電化學反應動力學遲緩和鋰離子傳輸受阻的問題，同時會引起負極析鋰現象，導致電池容量和循環(huán)壽命受損。當溫度超出電池的耐受溫度時, 短路、高溫會觸發(fā)電池內部材料鏈式副反應而產生熱-溫循環(huán)，最后導致熱失控發(fā)生。因此，為了確保儲能電池具有安全穩(wěn)定的運行環(huán)境，研發(fā)合理且高效的熱管理系統尤為關鍵。
1 儲能系統熱管理方案
電池儲能系統朝著高功率密度、長循環(huán)壽命方向不斷發(fā)展，但由此產生的熱需求劇增。在電池簇高密度排列場景和暴露的工作環(huán)境下，儲能系統的熱管理面臨著加熱、散熱雙向熱力學調控的嚴峻挑戰(zhàn)。現有的儲能系統熱管理很多是電動汽車衍生的溫控方案，難以適配大規(guī)模儲能系統復雜的運行環(huán)境[5]。因此，探索高效的熱管理方案成為提升電池儲能系統安全性、穩(wěn)定性和使用壽命的迫切需求。
1.1 散熱方案
儲能系統熱管理技術主要有風冷、液冷和相變材料冷卻的方案，各方案的優(yōu)缺點如表1所示。風冷和液冷是電化學儲能電站中常用的熱管理技術[6]。相變材料冷卻受限于高設計成本和能效衰減問題，工程化驗證不足，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)缺點比較
1.1.1風冷
風冷方案是以空氣為冷卻介質，通過強制或自然空氣流動帶走電池產生的熱量，從而降低電池的溫度，避免電池在工作過程中發(fā)生過熱。其中自然風冷依賴空氣溫差驅動被動散熱，散熱效果差。而強制風冷則通過風機主動增強氣流交換效率，其核心結構由風扇、風道及空調組成，具有結構緊湊、可靠性高、安全性好等特點[8]。風冷技術廣泛應用于儲能系統的熱管理，是經濟性優(yōu)先場景下的主流選擇。
在風冷式技術發(fā)展中，散熱風道的優(yōu)化和設計是提升熱管理系統散熱效率的重點。白亞平等[9]利用由空調和風道組成的儲能系統的熱管理系統，針對額定容量為500 kWh的集裝箱式鋰電池儲能系統，對風道結構進行了重點研究，其設計涵蓋了與空調連接的軟風道、主風道及多個風道出口，以確保氣流均勻分布，設計的風道如圖2所示。實驗結果顯示，儲能系統在額定功率下運行，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5 ℃。康芳明等[10]針對大容量儲能電池的熱管理需求，通過多維度參數優(yōu)化研究了風道結構對散熱的影響，驗證了該結構在10 m/s風速下可實現1.55 ℃的溫差控制。楊金亮等[11]也驗證了增加風道可以提升集裝箱式儲能系統在制熱和制冷模式下的熱交換效率。
圖2 風道設計模型[9]
上述研究顯著提升了空氣冷卻效率，但受限于儲能系統的空間，儲能散熱面臨氣流場分布不均勻和阻力特性大的問題，因此，研究者們開始探索增設導流板以及風道進出口位置優(yōu)化來改善散熱效果。Xu等[12]使用Soildworks建立儲能系統，如圖3所示。在集裝箱的入口附近增加了導流板，能夠阻擋進氣道氣流，改變電池艙內氣流場分布，使空氣在整個電池艙內流動，從而提升電池模塊的散熱效果。仿真結果顯示，增加導流板后，儲能集裝箱內溫度分布更加均勻，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鋰離子電池儲能艙模型[12]
圖4 儲能系統散熱方案[13]
該解決方案可以增強特定幾何配置中的氣流分布，但是缺乏通用性。Lin等[13]發(fā)現儲能系統在架構和形狀上與數據中心相似，均為堆疊在存儲機架中的可擴展單元集群，于是提出了布局重構的廣義解決方案，如圖4所示。圖中藍色和紅色部分分別代表冷空氣供應和熱空氣回風口，圖4(a)為原始方案，采用天花板送風和地板回流；圖4(b)為地板送風和天花板回風；圖4(c)為風道送風和天花板回風。實驗分析表明，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]針對緊湊型電池儲能系統，建立了四種冷卻空氣進出口方案，實驗結果也表明，將進出風口配置在機柜的同一側熱管理性能更好。
以上研究主要集中在儲能散熱系統的整體結構優(yōu)化設計，缺乏對電池箱體內部的熱性能考慮。Zhang等[15]研究了儲能系統中電池模塊內部電池單體之間的距離對散熱的影響，結果顯示，對于系統的冷卻能力和電池的布置而言，存在一個最優(yōu)的電池間距以達到最佳的冷卻效果，電池間距太小或者太大都會降低熱管理系統能力。徐鑫甜等[16]創(chuàng)新性地引入電池盒側壁開孔調控策略，實現了電池堆內部溫度場與流場的協同優(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]針對儲能系統電池單體多、內部結構復雜，提出了電池模塊的多孔介質?；椒ê喕到y的熱管理數值分析，兼顧了電池艙與電池模塊跨尺度熱流場耦合的相互作用，研究目標為1 MW集裝箱式電池儲能裝置，如圖5所示。實驗發(fā)現，電池模塊的溫度均勻性受電池模塊內部空氣流量分布和電池艙流場、溫度場共同影響。
圖5 電池艙內部空氣流向示意圖[17]
風冷散熱作為儲能系統熱管理的主流方案之一，憑借其結構簡單、部署靈活、維護成本低等優(yōu)勢，在中低功率應用場景中表現出良好的適用性；但該方式受限于空氣介質的低比熱容，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難點。因此，目前鋰電池儲能風冷方案的研究集中在散熱風道的設計優(yōu)化、導流板增設、進出風口的布局以及電池箱熱性能優(yōu)化等方面，以提高風冷方案的熱管理能效。但對于高功率、高能量密度且結構復雜的大規(guī)模電池儲能系統而言，風冷難以滿足系統散熱需求，影響系統的安全性和使用壽命。未來發(fā)展應當聚焦于多冷卻方式的耦合，保留風冷經濟性優(yōu)勢的同時，探索與其他散熱方式的混合熱管理方案，以滿足不斷增長的電池儲能需求。
1.1.2液冷
低效的熱管理方式是制約儲能系統功率密度和充放電倍率的重要因素。風冷的低導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，液冷技術由于冷卻介質的高導熱性和較大的比熱容，具有更高的冷卻效率[20]。液冷技術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管道或冷卻板進行熱交換，而直接液冷是指冷卻液與電池直接接觸進行熱交換。
1.1.2.1間接液冷
間接液冷系統主要由散熱器、水泵、冷卻液和相關閥門管路系統組成。冷卻液在水泵驅動下經液冷管道流入液冷板，吸收或者釋放熱量對電池進行溫度控制，隨后流至熱交換器，通過強制對流或者相變與外部環(huán)境進行熱交換。加熱和散熱通常共用一循環(huán)回路，通過閥門切換實現模式轉換。
相較于風冷系統，通過流體介質的溫度與流量的調節(jié)可以更穩(wěn)定地維持電池工作溫度區(qū)間，提高儲能系統的整體效能。張維江等[22]針對一個儲能機柜的電池模塊，搭建了物理模型和數學模型，進行風冷方案和液冷方案的對比和優(yōu)化，如圖6所示。風冷方案通過優(yōu)化儲能模塊的串并行式，降低了電池單體之間的溫差，提高了溫度均勻性；液冷系統相比風冷的進口溫度更低，且系統能耗僅為43.68 W，遠低于風冷方案的272.75 W。帥昌俊[23]以液冷集裝箱式儲能系統為對象，通過理論建模和工程驗證，證明液冷方案可以實現較好的電池溫度控制。雷博等[24]在4 C的高倍率工況和儲能系統實際AGC調頻工況下的研究也表明，液冷方案能夠維持系統長時間運行可靠。
圖6 風冷和液冷方案[22]
液冷板因其結構簡單、冷卻效率高，在間接冷卻中得到了廣泛應用，其結構的差異化設計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化散熱液冷板設計方案，如圖7所示。液冷板采用左進右出多分支流道布局，結合后端圓柱狀擾流點陣列，改善冷卻液的接觸面積和流動均勻性。在儲能系統長時間高功率的工況下，維持最大溫度差在5 ℃內。Xu等[26]針對儲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、系統功耗和傳熱性能方面均具優(yōu)勢。但是以上依賴經驗的液冷板設計在流阻和溫度分布方面存在一定的局限性。相較于經驗驅動的流道設計，拓撲優(yōu)化通過數學建模全局優(yōu)化流道分布，可以更加全面地提升散熱系統的效能。Hou等[27]以冷板表面平均溫度和流阻功耗為優(yōu)化目標，構建了拓撲優(yōu)化數學模型。將拓撲優(yōu)化液冷板與傳統矩形通道冷板對比，顯著降低了儲能系統的溫差和冷卻系統的流阻。目前儲能系統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，熱量堆積會造成垂直方向溫度差異過大。因此李許一等[28]提出了冷板側置的方案，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結構[28]
盡管液冷結構優(yōu)化與布置方式已顯著提升局部換熱效率，但是儲能液冷系統的全局熱均衡性仍高度依賴于管路網絡的協同設計。王瑞清等[29]針對光伏儲能電站構建了冷源-集裝箱-電池簇-插箱的四級管路結構，實現冷卻介質在管路中均勻分配，維持電池在合理的溫度范圍內。Zhou等[30]基于液冷技術路線，改進了儲能電池柜的結構，如圖9所示，2只管路并聯2個儲能變流器，剩余管路分別供應8個電池簇，結果顯示與傳統風冷相比，該結構使電池溫差更小，降低了能耗。
圖9 冷卻管路示意圖[30]
儲能系統的間接液冷方案通過冷卻液循環(huán)與熱交換器協同作用，實現了對電池溫度的調控。其核心優(yōu)勢在于通過流體介質的高效傳熱特性穩(wěn)定電池在適宜溫度區(qū)間，同時簡化了內部風道結構，散熱能效和系統的空間利用率實現協同優(yōu)化。液冷板作為間接液冷的核心部件，研究集中在其結構設計的優(yōu)化和布置方式上。傳統依賴經驗的設計模式仍存在一定的局限性，需要通過拓撲優(yōu)化等數學建模方法實現設計全局性能提升。此外，目前大部分液冷板的優(yōu)化目標是新能源汽車的動力電池，缺乏對儲能系統整體規(guī)模級應用、長時間運行和高壽命需求的針對性。在儲能系統結構層面，多級管路的構建和優(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構復雜度，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成為制約散熱性能進一步提升的關鍵阻礙，因此應當開展對浸沒式液冷方案的深度研究，為未來儲能系統的發(fā)展提供更具潛力的熱管理方案。
1.1.2.2浸沒式液冷
浸沒式液冷是儲能系統熱管理的前沿技術，根據冷卻液是否發(fā)生相變，可以分為單相浸沒式液冷和兩相浸沒式液冷，原理如圖10所示[31]。單相浸沒式液冷通過冷卻液與電池模組的直接接觸傳熱，傳熱過程中冷卻液始終保持液態(tài)，在密封浸沒艙內完全包裹電池模組，通過循環(huán)水泵驅動形成定向流動，實現熱量交換。相較于傳統風冷及間接液冷系統，該技術具有優(yōu)越的導熱效能、高儲熱流密度和溫度均衡性。Satyanarayana等[32]對比了自然風冷、強制風冷與單相浸沒式冷卻，發(fā)現在3 C放電倍率下浸沒式液冷的冷卻效果最好，是一種安全高效的熱管理技術，適用于高能量密度和大電流運行工況下的鋰離子電池。Wu等[31]設計制造了一種基于硅油的單相浸沒式液冷，以30并28串的鋰離子電池模組為研究對象進行實驗，結果顯示直接接觸式液冷相比于間接液冷散熱系統集成率更高，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、高密度的儲能系統中還需要諸多實驗驗證。冷卻介質的流動傳熱機制需與高密度電池簇的儲能結構動態(tài)適配，優(yōu)化冷卻液流速控制和黏度參數等方面實現系統功耗和散熱表現的平衡。綜合考慮冷卻液選型、散熱結構設計和運行成本，兼顧熱管理效率與運行周期的經濟性。
圖10 浸沒式冷卻原理[31]
兩相浸沒式液冷技術基于液-氣相變傳熱機制，通過低沸點冷卻液的汽化潛熱實現儲能電池的散熱。如圖10(b)所示，當電池溫度超過冷卻液飽和點，液體吸收熱量發(fā)生沸騰，產生的氣體經冷凝器液化回流至封閉艙。相比于單相浸沒式液冷，兩相液冷的實驗條件更加復雜，適用范圍更窄，需要考慮沸點和壓力的設置問題[33]；但是兩相浸沒式液冷具有更優(yōu)越的散熱能力和溫度均勻性。Wang等[34]對比了自然冷卻、強制冷卻、礦物油單相浸沒式冷卻和六氟丁烯(SF33)兩相浸入式液冷，結果表明在10 C放電倍率下，SF33也能將電池保持在33~34 ℃。Li等[35]針對電池單體和模組進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。兩相浸沒式液冷在應對電池極端工況中具有獨特優(yōu)勢，通過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能場景中具有非常大的應用潛力。在未來發(fā)展中，兩相浸沒式液冷應著重研制低沸點、高化學惰性及環(huán)境友好的冷卻液，緩解常用介電流體氟化液的環(huán)境風險和密封性設計壓力，同時考慮與電站熱負荷匹配的沸騰工質壓力動態(tài)調節(jié)、高密度冷卻液引發(fā)的系統增重與運行維修成本高等問題。
在浸沒式熱管理系統中，冷卻液的物理性質直接主導著電池簇的運轉狀態(tài)，冷卻液的參數優(yōu)化成為電池安全性與經濟性的核心，是未來研究的重點[35]。因此在鋰電池儲能領域，浸沒式液冷技術應對冷卻介質的性能提出嚴苛要求，其需兼具介電常數低、傳熱效率高、難燃特性、化學惰性以及低毒性和低黏度，以適配電芯直接接觸的儲能場景，目前研究的冷卻液種類有氟化液、碳氫化合物、硅油類、酯類和水基類，具體參數見表2[31, 33]。然而，當前市場尚未形成統一的選型標準，氟化液、硅油等候選介質仍處工程驗證階段，產業(yè)化成熟產品稀缺。
表2 浸沒式冷卻液的性能參數
浸沒式液冷系統受限于特種介電流體的高昂采購成本、高黏度流體循環(huán)引發(fā)的泵送功耗上升，以及浸沒模塊化設計導致的電池系統質量密度上升等制約，其規(guī)?；I(yè)應用尚未全面開展，但前沿工程實踐已經推出[33]。2023年3月6日，我國首個也是全球首個浸沒式液冷儲能電站——南方電網梅州寶湖儲能電站正式投入運行，實現了電化學儲能安全技術的迭代升級，電池散熱效率較傳統方式提升50%。梅州寶湖儲能電站的每個浸沒式液冷電池艙容量為5.2 MWh，能夠實現電池運行溫升不超過5 ℃，不同電池溫差不超過2 ℃[36]。
相比于間接冷卻，浸沒式液冷使介電流體與電池直接接觸，降低了熱阻，結構更加緊湊，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、密封材料的長期相容性缺乏驗證，儲能系統的密封性也應通過極端工況的實驗優(yōu)化。冷卻液選型和應用仍處于物性參數與場景適配試驗期，需要加強冷卻液黏度和功率的耦合關系以及環(huán)保和經濟性平衡的相關研究。
1.1.3相變材料冷卻
相變材料(phase change material，PCM)冷卻是通過相變過程中吸收和釋放潛熱，保證電池模塊長時間的溫度均勻[37]。相變材料具有能量密度高和溫度均一性優(yōu)異的特點，尤其適配儲能場景的輕量化與低功耗需求。歐陽葉郁等[38]針對光伏儲能混合系統中的電池熱安全性，研究了空氣冷卻和相變材料冷卻兩種熱管理方案，結果顯示風冷方案的散熱能力和風速成正比，但是無法維持電池溫度分布的均勻性。復合相變材料能夠把電池的溫差保持在0.88 K內。然而，相變材料導熱系數低，無法保證儲能系統長時間運行，當溫度低于313.65 K時相變材料可能導致電池溫度上升。
為確保高熱量產生環(huán)境下電池的安全性，需要一個補充冷卻系統進行復合散熱[39]。張雅新等[40]開發(fā)了一種新型應用于集裝箱式儲能的相變液冷耦合方案。該液冷系統利用冷卻工質相變潛熱，能夠使輸送管道中的進、出口溫度保持一致，進一步提高電池組的均溫性；假如發(fā)生泄漏也會瞬間汽化，保證電池的安全性。研究結果表明，兩相冷板液冷系統在整個充放電過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液冷系統的 4.17 ℃降低至 3 ℃以內。實驗還發(fā)現在靜置階段，電池溫度難以自然散發(fā)，會導致電池溫度較高和電池間溫度差異變大，因此需持續(xù)開啟冷卻系統以確保電池在安全溫度范圍內運行。Hou等[27]針對單一散熱方案無法滿足高功率的條件下，基于相變漿液(phase chang slurry，PCS)和液冷板結構優(yōu)化進行數值研究，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，結構如圖11所示。
圖11 基于PCS的液冷系統結構[27]
相變換熱技術由于材料本征的局限性，在儲能領域的規(guī)模化應用面臨著許多挑戰(zhàn)。一方面，PCM存在低導熱性、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聯用優(yōu)化散熱性能；另一方面，復合系統長期運行的可靠性、工程成本以及系統增重需要在經濟性和熱管理系統效能之間進行平衡。目前相變冷卻技術的應用主要集中在汽車動力電池領域，在鋰離子電池儲能方面研究較少，未來應當集中在材料性能改進與復合冷卻結構設計上，同時加強對于儲能系統的針對性，以推動PCM技術從動力電池向大容量儲能場景的應用。
1.2加熱方案
電池加熱是保障儲能系統性能、壽命及安全性的關鍵技術。在低溫環(huán)境中運行儲能電池會導致鋰離子擴散受阻、反應動力學減緩、電池容量衰減、電池內阻增大、循環(huán)壽命下降等電化學性能的顯著降低[41-42]。這不僅限制了極端環(huán)境下儲能系統的充放電倍率，更可能誘發(fā)熱失控等安全隱患。因此需要開發(fā)適配的儲能加熱技術，維持鋰離子電池在適宜的溫度范圍內穩(wěn)定高效地運行。
面向規(guī)模級儲能系統的加熱方式通常分為外設加熱器和熱泵空調加熱兩種。加熱器加熱主要依托電阻式加熱元件與對流換熱的方式實現電池組的加熱。如圖12所示，加熱器將傳熱介質加熱，通過風扇和水泵將熱空氣、熱液體與儲能電池組進行熱量交換[42]。楊藝云等[43]基于加熱器和空調設計熱管理系統，當集裝箱內溫度低于5 ℃時，開啟加熱器進行空氣加熱對電池進行溫控，該方法簡單易用，在儲能項目中取得了良好效果。正溫度系數(positive temperature coefficient，PTC)電加熱器因結構簡單、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]等人通過冷卻液回路和冷媒回路構建熱管理回路，在低溫工況下關閉冷媒回路，啟動PTC加熱器將電能轉換成熱能，通過功率控制達到合適的冷卻液運轉溫度，隨后由水泵驅動沿管路流經電池組實現與集裝箱內儲能單元的換熱。
圖12 加熱器原理[42]
盡管PTC電加熱器加熱迅速、控制簡單，能夠快速響應熱需求，但其低能效比制約了其在大規(guī)模部署中長時間的應用。因此具有反向卡諾循環(huán)特性的熱泵系統也受到關注。熱泵空調通過壓縮機將制冷劑增壓為高溫高壓氣態(tài)，在冷凝器內釋放潛熱加熱空氣或冷卻液等載熱介質，隨后經蒸發(fā)器吸收環(huán)境熱量汽化再進入壓縮機形成閉環(huán)回路，最終借助風扇和水泵將熱量輸送至電池模組。張建府[45]以儲能電站為目標設計熱管理系統，如圖13所示，通過設置四通閥實現系統的冷卻和加熱。在制熱模式下，制冷劑流經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儲能集裝箱內換熱。Kwon等[46]設置了三臺熱泵空調組成熱管理系統，研究導風板角度和熱泵出風角度對于集裝箱儲能系統最高溫度和平均溫度的影響。
圖13 加熱器原理圖[45]
當前儲能電站或者集裝箱的低溫加熱研究仍處于探索階段，現有文獻多聚焦于冷卻散熱技術的優(yōu)化，對低溫加熱機理的解析與工程化方案的創(chuàng)新較為缺乏。既有的研究主要應用外置式電加熱和熱泵空調加熱等傳統的技術方案，存在能耗和加熱能力矛盾問題，對于儲能電站的規(guī)模級應用和動態(tài)工作狀態(tài)缺乏針對性研究。未來儲能場景中的低溫加熱可以借鑒極端溫度下動力電池的技術方案，如直流加熱[46]、交流加熱[47]和加熱膜加熱[48]等方法，實現在儲能系統加熱速率、運行穩(wěn)定性和溫度場均勻性的協同優(yōu)化。
2 儲能系統熱管理的控制方案
在熱管理系統的設計與優(yōu)化中，控制策略發(fā)揮著重要作用。通過控制策略驅動系統硬件如空調、水泵和壓縮機等部件協同作用，使得系統在實現較好能耗的同時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的最高溫度，并改善電池間溫度分布均勻性，提升鋰電池設備的工作效能和安全性[49]。目前的控制策略是以傳統開關控制為主導，通過預設溫度閾值進行熱管理系統模式的切換和部件的調控。但儲能系統在動態(tài)工況下的熱負載變化具有非線性特點，因此預測型算法被引入，以采集電池的溫度和電池間溫差對儲能系統進行優(yōu)化。
2.1開關控制策略
開關控制作為經典的控制策略，其核心機理在于基于預設閾值觸發(fā)系統部件的響應，具有應用簡單、可靠性高的特點。該策略通過定義儲能系統模式的切換閾值實現邏輯控制。在以空氣為傳熱介質的熱管理方案中，開關控制憑借構建多級溫度閾值觸發(fā)機制，實現空調系統與儲能系統熱需求的協同匹配。通過傳感器實時采集儲能系統的運行溫度，當監(jiān)測值突破預設的模式切換值時，啟動制冷機組或者結合加熱器進行冷卻、加熱，這構成了該策略典型的應用形式。向嘉強等[50]針對高海拔環(huán)境下的儲能集裝箱提出雙模式切換的溫度控制策略，當箱體內部溫度低于12 ℃或超過28 ℃，便分別進入制熱或制冷模式，實驗結果顯示調整空調的開閉能夠穩(wěn)定維持儲能系統在合理的溫度范圍內運行。但是這種傳統的應用形式只考慮冷熱兩種模式的切換，僅以集裝箱內部的溫度作為設定溫度閾值的單一因素，無法動態(tài)適配系統在不同運行狀態(tài)的熱負荷需求，同時限制了熱管理系統能耗效率。王志偉等[51]同時考慮儲能集裝箱的運行溫度和運行狀態(tài)，提出了多閾值的冷卻模式開關控制策略，如圖14所示，分別針對待機、普通和高倍率運行工況提出不同的冷卻模式開啟溫度值，結果顯示相比于單一的溫度設定，優(yōu)化后的策略降低熱管理能耗約33.0%。付長江[52]也考慮儲能集裝箱的動態(tài)放電倍率設置不同的冷卻模式開啟溫度，實現空調系統間歇運行，顯著降低空調系統的散熱能耗。儲能集裝箱的熱管理系統往往由多臺空調組成，系統運行的溫度依賴對回風口溫度的監(jiān)測，這會出現靠近回風口的溫度率先達到切換閾值，不同位置的空調模式切換不協同，從而造成集裝箱內的溫度場分布不均勻，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)動態(tài)調整溫控目標，并且統一調節(jié)空調運行狀態(tài)的開關控制策略。工作態(tài)采用精準溫控，電池超過27 ℃強制制冷，低于14 ℃強制制熱。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 ℃，空調能耗降低了62%。
圖14 集裝箱系統運行策略[51]
在液冷熱管理方案中，開關控制通過壓縮機、水泵和閥體的協同啟停與溫度分梯度調控，實現冷卻介質與儲能熱負載需求的動態(tài)耦合。程鵬飛等[44]提出液冷集裝箱熱管理策略，通過設置上下限值實現多模式切換的開關控制。當溫度超過33 ℃時，壓縮機和水泵同時運轉進行散熱直至溫度低于28 ℃；當溫度小于12 ℃時，開啟PTC和水泵加熱模式直至最低溫度大于15 ℃。實驗結果顯示該設計有效保障了電池熱安全性與溫度一致性。除了穩(wěn)定與安全，在儲能系統的應用中，控制策略也影響著儲能系統的實際效率，能量效率的優(yōu)化是提升經濟性和可靠性的重要研究方向?；羰仔堑萚54]通過實驗揭示了儲能電池柜能量效率與制熱模式中溫度設定的關系，提出依據電池最小溫度設置三檔模式，分級進行電池柜的加熱，最終確定進水口溫度分別設定為30、24和22 ℃時電池柜效率最優(yōu)。然而現有研究多聚焦于集裝箱和儲能柜級分散式熱管理設計，獨立溫控單元間缺乏整體的調控，會導致電站級別的全局熱力學協同優(yōu)化不足。張建府[45]針對儲能電站的整體熱安全性，提出了一種壓縮冷水機組和閉式水循環(huán)組成的集中式液冷換熱系統，溫度調控方案如圖 15所示。以各獨立儲能單元的加權溫度，進行熱管理模式的切換，調控冷卻液的溫度和流量進行獨立冷卻或加熱。
基于上述研究成果可見，當前開關控制策略通過閾值和模式切換的協同優(yōu)化，在保證儲能系統熱安全性的同時能夠降低系統能耗。在儲能熱管理中采用固定閾值啟停策略，但這種被動式控制存在響應滯后、溫度波動大等問題。需要進一步融合預測算法，實現熱管理系統的超前補償和自適應優(yōu)化，提升控制效果。
圖15溫度控制策略[45]
2.2預測型控制策略
傳統基于閾值觸發(fā)的開關控制策略因缺乏對儲能系統熱需求波動性與工況動態(tài)特性的考量，難以實時響應電池非線性熱需求，易導致散熱延遲、溫度場分布不均及熱管系統能效比失衡等問題，制約著儲能系統運行的可靠性。而預測型控制策略通過融合歷史運行數據、實時工況參數及仿真模擬信息，構建數據驅動的非線性映射模型，可實現對電池溫度趨勢的準確預測。如Feng等[55]建立了電化學模型與熱模型，結合神經網絡，通過大量的實驗數據訓練，能夠準確估計出－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網絡模型的輸入，電池的溫差和平均溫度作為輸出，對比了反向傳播神經網絡、徑向基函數神經網絡和簡單遞歸神經網絡對鋰電池溫度的預測，結果顯示簡單遞歸神經網絡的適應性和泛化性更強。同時在預測域中，主動優(yōu)化制冷/制熱強度與能耗分配，在降低電池溫差的同時實現熱管理系統能效的提升，從而維持電池最佳工作區(qū)間并抑制熱失控風險。Zhuang等[57]通過模型預測算法預測電池的平均溫度，并以電池的平均溫度為狀態(tài)變量，控制熱管理系統的進氣口風速的自適應調節(jié)，結果表明該方法能夠實現降低溫差和熱管理系統能耗的目的。Guo等[58]提出了一種復合神經網絡模型來預測電池的產熱，在預測域內通過動態(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設計上，針對整個儲能集裝箱或者儲能電站的預測控制策略研究相對匱乏。林達等[59]為了解決儲能電站運行過程中電池單體之間散熱需求不一致的問題，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的耦合模型，電池艙的主要結構如圖16所示?；趦δ芗b箱的歷史數據和建立模型的計算結果，預測出集裝箱內熱量分布，進行風向和風速調整，有效改善了儲能艙內溫度不一致性以及艙內的散熱環(huán)境。Huang等[60]建立了儲能系統的簡化模型，如圖17所示。該方案利用決策樹算法驗證了冷卻空氣流量對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；并通過支持向量機預測了電池在不同運行條件下的安全性，最后提出了一種分布式進氣設置策略，該策略通過單獨調節(jié)兩側進氣口的冷卻空氣溫度，成功將電池的溫度和儲能系統的功耗分別降低了8.6%和40%。這些研究標志著預測型算法在系統級儲能熱管理中的初步探索，通過結合動態(tài)模型和數據驅動，在儲能系統熱管理中實現了安全性和能效的提升。但是現有研究任然存在一定的局限性：對于部件控制對象較為單一，未充分研究協同調控熱管理系統中其他關鍵部件，如壓縮機轉速、膨脹閥開度等；此外，訓練數據多依賴電池本體參數，而忽略環(huán)境溫濕度、地理氣象參數及電網調度指令等外部擾動因子，可能導致策略泛化能力不足。未來應當構建多層級的物理模型與數據融合的儲能系統預測型控制框架，充分考慮熱管理系統多部件能耗耦合，依據電池、環(huán)境和電網運行狀態(tài)多維度的數據，構建高適應性和魯棒性的預測型控制策略，實現高效、精準的控制，在儲能系統復雜運行環(huán)境中穩(wěn)定滿足系統熱需求。
圖16 儲能電站集裝箱設備布置[59]
圖17 儲能系統結構[60]
綜上所述，儲能系統大部分控制策略是基于閾值觸發(fā)的開關控制，少量研究引入預測型的控制策略，動態(tài)調整和優(yōu)化冷卻參數。但是當前儲能系統熱管理控制算法研究較少，需要加強基于規(guī)則和優(yōu)化的控制算法的應用，如模糊控制、群優(yōu)化算法及模型預測算法等。在控制目標層面應對熱管理中關鍵部件的功耗和效率的動態(tài)耦合進行深入優(yōu)化，達到功耗與效率平衡。通過控制策略動態(tài)調節(jié)熱管系統的啟停、制冷/制熱等運行參數，實現優(yōu)化系統能耗、提升控制精度、延長儲能系統的使用壽命。
3 總結
儲能系統的熱管理至關重要，特別是對于使用鋰離子電池的電化學儲能而言。鋰離子電池在充放電過程中釋放的熱量容易導致溫度不均，甚至局部高溫；而低溫環(huán)境下，電池內部離子遷移速率降低、內阻增大，可能加速鋰枝晶生長并誘發(fā)析鋰現象，若無法實現有效的溫度調控，將導致電池電化學性能和循環(huán)壽命衰減，甚至誘發(fā)熱失控等連鎖反應。因此，設計和實施高效的熱管理是確保儲能系統持續(xù)高效運行的關鍵因素之一。本文通過對儲能系統的熱管理分析得出以下結論：
(1)當前大多數鋰離子電池儲能系統的熱管理研究集中于單艙體的溫控需求，這可能導致儲能系統整體協同調控失配。儲能系統為長期運行的設施，且大多長時間處于高功率運行狀態(tài)，易受環(huán)境影響。集裝箱級別的冷卻設計往往只能解決局部熱點問題，并不能有效應對整個系統內部和周圍環(huán)境的溫度、濕度變化。
(2)風冷熱管理方案技術成熟、應用廣泛，但在儲能系統長時間高負荷運行場景下，換熱效率存在一定的局限性，難以滿足高功率儲能系統的需求。相比之下，液冷技術因其優(yōu)異的散熱性能、較低的實施成本和較高的工程可行性，正逐步成為儲能熱管理領域的主流方案，但仍需在冷卻液選型、結構設計與能耗控制上做出優(yōu)化改進。
(3)在儲能系統復雜多樣的運行工況下，單一散熱技術由于性能的局限性，難以全面滿足冷卻需求。此外，低溫加熱技術也亟待深入研究傳熱機理與拓展方法，突破加熱速率、系統穩(wěn)定性與溫度均勻性的協同優(yōu)化的瓶頸?；诖耍梢越Y合多種冷卻、加熱方式，形成多技術協同的熱管理方案，實現優(yōu)勢互補，還可以引入浸沒式液冷等新型技術，提高儲能系統整體性能。
(4)在控制策略方面，儲能熱管理系統對風扇、水泵和壓縮機等能耗設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)化算法精確調控這些關鍵部件的運行。面對復雜的儲能環(huán)境和多變的能源需求，應實施高精度的實時調控，以提高能源利用效率和系統整體性能。
