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储能电池热管理系统 液冷和风冷优劣势分析!
时间: 2023-12-27 阅读量:656 作者:湖南车瑞科技
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    光伏发电、风力发电等新能源发电将成为未来新能源的重点发展对象。但要克服风能和光伏的间歇性和波动性,整个电力系统需要转型。储能技术是改造中的一项关键技术。国家“十四五”规划和《2030年前碳达峰行动计划》也明确规定发展新型储能方式。从2020年的投资来看,锂电池在新能源存储方式中占比近90%。

图1 2000—2020年中国储能市场累计装机容量。


    然而,锂电池的工作温度对电池的性能、安全性和生存周期有很大的影响。理想的电池工作温度为25—35摄氏度,电池组中各模块之间的温差应小于5摄氏度。因此,锂电池的热管理非常重要。

图2温度对电池性能的影响。


    目前,锂电池单元的热管理方式有两种主流,风冷和液冷。许多工程师也在研究相变材料与液冷或空冷的混合模式,但目前还不成熟。风冷和液冷各有其特点。防冻液的密度是空气的1000倍,其比热是空气的4倍。因此,液冷作为一种热载体,与空气冷却相比,具有载热能力大、流动阻力小、换热效率高等特点。广泛应用于电池组能量密度高、充放电速度快、环境温度变化大的场合。液冷系统可与电池组高度集成。现场安装方便,占地面积小。不需要担心灰尘、水蒸气凝结等问题。当出现热失控迹象时,液冷解决方案可以依靠大流量的冷却介质迫使电池组散热,并在电池模块之间重新分配热量,可以快速抑制热失控的继续恶化,降低热失控的风险。空冷系统具有系统简单、制造成本低、安装方便等特点。在电池能量密度低、充放电速度慢的场景中,仍然有很多应用。从冷却效果来看,风冷比液冷有更大的优势。国外一家机构对此做过深入的研究。


    1.电池组温度。

    在进气温度和极端风速、流量相同的情况下,液冷式电池组的温度为30—40摄氏度,而风冷式电池组的温度为37—45摄氏度。液冷具有更好的温度稳定性。

图3空气冷却。

图4液体冷却。


    2.运行能耗。

    经过实验研究,为了达到同样的电池平均温度,风冷所需的能耗比液冷高2—3倍。相同功耗的情况下,采用风冷比采用液冷时,电池组的最高温度要高3—5摄氏度。液体冷却耗电少。

图5图6风冷和液冷的功耗。


    3.电池热失控的风险。

    由于空气比热容和对流换热系数小等因素,电池空冷技术的传热效率较低,电池产生的热量增加,会造成电池温度过高,存在热失控风险。液冷系统可以大大降低电池热失控的风险。


    4.固定资产投资。

    根据美国国家可再生能源验室(NREL)的数据,目前4小时电池储能系统的电池投资成本为每千瓦时1900元(300美元),而热管理系统估计占电池成本的2—4%,而液冷系统更容易保证电池在舒适的温度下工作。空冷系统相比,将延长电池使用寿命20%以上。就综合生存周期而言,液冷投资较少。

图7储能电池投资成本。

    结论空冷系统具有初投资小、维护费用低、可独立维护等优点。它更适合于小型民用或商用电池的热管理方法。但在大型地面电站等容量大、能量比高的地区,液冷已逐渐成为主流的电池冷却方式。

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