熱管理本體技術關鍵參數

儲能系統(tǒng)的熱管理技術涉及多個關鍵性能參數，這些參數直接影響熱管理系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和成本。以下是幾項主要的關鍵性能參數：

1）｜熱效率

(Heat Transfer Efficiency) – HTE

換熱效率是衡量熱管理系統(tǒng)性能的一個重要指標。它指的是單位時間內從電池組件中移除的熱量與系統(tǒng)消耗的能量之間的比值。高換熱效率意味著系統(tǒng)能夠更有效地控制電池溫度，避免過熱或過冷，延長電池的使用壽命。

2）｜溫度均勻性

(Temperature Uniformity)- TUE

溫度均勻性是指熱管理系統(tǒng)能夠保持電池組內部溫度分布的均勻程度。良好的溫度均勻性可以防止電池出現局部過熱或過冷現象，降低熱失控的風險，并確保電池性能的一致性和安全性。

3）｜熱響應時間

(Thermal Response Time) – TRT

熱響應時間是指熱管理系統(tǒng)響應溫度變化的速度。較短的熱響應時間意味著系統(tǒng)能夠迅速調整并穩(wěn)定電池溫度，確保在不同工況下的運行。特別是在儲能系統(tǒng)頻繁充放電時，快速響應能力尤為重要。

4）｜系統(tǒng)可靠性

(System Reliability) – SR

系統(tǒng)可靠性是指熱管理系統(tǒng)在長期運行中的穩(wěn)定性和耐用性。可靠性高的系統(tǒng)能夠在各種環(huán)境和工作條件下保持正常運轉，減少故障率和維護成本，提升整體經濟效益。

5）｜能耗

(Energy Consumption) – EC

能耗是衡量熱管理系統(tǒng)運行成本的重要指標。低能耗的系統(tǒng)不僅可以減少運行費用，還能提高整體儲能系統(tǒng)的能效比，優(yōu)化經濟性。能耗的控制對儲能系統(tǒng)的長期運營成本具有重要影響。

6）｜環(huán)境適應性

(Environmental Adaptability) – EA

環(huán)境適應性是指熱管理系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下（如高溫、高濕、低溫等）穩(wěn)定運行的能力。良好的環(huán)境適應性能夠確保儲能系統(tǒng)在各種惡劣環(huán)境下仍能安全地工作，拓寬其應用范圍。

02

風冷技術

風冷系統(tǒng)是以空氣為介質，利用風扇或自然風對流散熱實現對電池模塊的溫度控制。風冷散熱效果良好，成本低，在系統(tǒng)散熱量不大的情況下是方式。然而，隨著儲能系統(tǒng)規(guī)模和功率密度的增加，風冷技術的局限性也逐漸顯現。

1）｜技術原理

風冷技術通過風扇或自然風對流將熱量從電池表面帶走。風扇產生的氣流流過電池組，吸收電池運行過程中產生的熱量，然后將這些熱量通過換熱器散發(fā)到外部環(huán)境中。自然風冷則依賴空氣的自然對流進行散熱。

風冷系統(tǒng)設計圍繞風道設計、電池間距、風扇數量及排列方式等參數，在不同充放電倍率及環(huán)境溫度下的熱管理效果開展研究。流體風阻和電池間距等通常是風冷散熱分析的首要設計點，通過使用冷卻效率系數定量評估散熱效果，使用電池模塊橫縱向間距、風速、雷諾數、溫度及溫升和溫均性等參數來衡量設計特性。

（圖1：風冷冷卻結構）

2）｜熱效率

風冷技術主要應用于小型儲能系統(tǒng)和環(huán)境溫度較低的地區(qū)。在家庭儲能系統(tǒng)和小型商業(yè)儲能系統(tǒng)中，風冷技術因其成本低、易于安裝和維護，仍被廣泛采用。特別是在溫度相對較低的環(huán)境中，新風技術能夠有效利用環(huán)境空氣進行散熱，滿足儲能系統(tǒng)的熱管理需求。

優(yōu)點：

結構簡單：風冷系統(tǒng)設計和結構較為簡單，易于安裝和維護。

成本低廉：相比液冷和其他復雜的冷卻系統(tǒng)，風冷技術的初始投資和運行維護成本較低。

能耗較低：風冷系統(tǒng)主要依賴空氣對流，能耗相對較低

缺點：

換熱效率低：風冷系統(tǒng)的換熱效率較低，難以應對高功率密度儲能系統(tǒng)的散熱需求。

溫度均勻性差：風冷系統(tǒng)易導致電池組內溫度分布不均，影響電池性能和壽命。

受環(huán)境影響大：風冷系統(tǒng)的散熱效果受到環(huán)境溫度和空氣濕度的顯著影響，在高溫環(huán)境下性能不穩(wěn)定。

風冷技術在小型和低功率儲能系統(tǒng)中具有一定的應用價值，但在高功率和大規(guī)模儲能系統(tǒng)中，其局限性逐漸顯現。未來，隨著儲能技術的不斷發(fā)展，風冷技術可能更多地被應用于特定場景，而熱管理技術將成為主流。

03

液冷技術

液冷技術近年來在儲能系統(tǒng)中得到了廣泛應用，其的散熱性能和較好的溫度均勻性，使其成為目前主流的熱管理方案之一。液冷系統(tǒng)通過冷卻液在液冷板中循環(huán)流動帶走電池產生的熱量，具有較高的換熱效率和可靠性。

1）｜技術原理

液冷技術利用液體的高比熱容和高導熱性，通過冷卻液在冷卻管路或液冷板中循環(huán)流動，帶走電池運行過程中產生的熱量。液冷系統(tǒng)通常由冷卻液泵、冷卻液管路、液冷板、散熱器和控制系統(tǒng)組成。冷卻液通過液冷板吸收電池的熱量，流經散熱器釋放熱量，再回到液冷板繼續(xù)循環(huán)，形成冷卻回路。

（圖2：儲能液冷系統(tǒng)）

液冷設計主要圍繞液冷板開展研究，從工藝角度可分為沖壓、吹脹、釬焊等。從散熱角度分析，通過探究冷卻介質特性參數、介質流速和液冷管路設計參數等對電池模塊溫度的影響開展優(yōu)化設計分析，常使用熱仿真模型與實驗相結合的方法開展研究。

（表1：冷板類型）

2）｜液冷技術主要應用于以下場景：

液冷技術在大功率儲能系統(tǒng)和高密度儲能系統(tǒng)中得到了廣泛應用。例如，在電網調峰調頻系統(tǒng)和大型可再生能源儲能系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)對散熱性能要求較高，液冷技術能夠滿足其散熱需求。此外，在電動汽車電池組和高性能商業(yè)儲能系統(tǒng)中，液冷技術能夠保證電池組內部的溫度均勻性，延長電池壽命。

優(yōu)點：

高換熱效率：液冷技術具有高的換熱效率，能夠快速帶走電池產生的熱量。

良好溫度均勻性：液冷系統(tǒng)能夠保持電池組內部溫度的均勻性，避免局部過熱或過冷。

快速熱響應：液冷系統(tǒng)能夠迅速響應溫度變化，確保電池在不同工況下的穩(wěn)定運行。

高可靠性：液冷系統(tǒng)結構堅固，故障率低，維護方便。

缺點：

高初始投資：液冷系統(tǒng)的初始投資較高，包括冷卻液泵、液冷板和管路等設備。

維護復雜：液冷系統(tǒng)需要定期檢查和更換冷卻液，維護工作較為復雜。

較高能耗：液冷系統(tǒng)的能耗相對較高，尤其在大型系統(tǒng)中，冷卻液泵的功率消耗明顯。

液冷技術憑借其的散熱性能和良好的溫度均勻性，成為儲能系統(tǒng)熱管理的主流選擇。盡管其初始投資和維護成本較高，但在長期運行中，液冷技術能夠提供更高的可靠性和經濟性，適用于大規(guī)模和高性能的儲能應用。

04

相變冷卻技術

相變冷卻技術是一種利用相變材料（PCM）在相變過程中吸收或釋放大量潛熱來實現溫度控制的熱管理技術。該技術由于其的溫度調節(jié)能力和簡單的系統(tǒng)結構，近年來在儲能系統(tǒng)中得到了越來越多的關注。

1）｜技術原理

相變冷卻技術利用相變材料在相變過程中吸收或釋放熱量的特性進行溫度調節(jié)。當電池溫度升高超過相變材料的熔點時，相變材料吸收熱量并開始熔化，從而減少電池溫度的上升；相反，當電池溫度降低到相變材料的凝固點時，相變材料釋放熱量并開始凝固，防止電池溫度繼續(xù)下降。

（圖3：相變冷卻技術原理示意圖）

相變材料在類型上分為固液兩相和氣液兩相，在材料上可以分為有機相變材料（如石蠟）、無機相變材料（如水合鹽）和復合相變材料。有機相變材料具有良好的化學穩(wěn)定性和低成本，無機相變材料具有較高的相變潛熱和導熱率，而復合相變材料結合了兩者的優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。

（圖4：相變冷卻技術使用示意圖）

2）｜相變冷卻技術主要應用于以下場景：

中小型儲能系統(tǒng)：如家庭儲能系統(tǒng)和小型商業(yè)儲能系統(tǒng)，相變冷卻技術能夠提供的溫度調節(jié)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

優(yōu)點：

溫度調節(jié)：相變材料能夠在相變過程中吸收或釋放大量熱量，提供的溫度調節(jié)。

系統(tǒng)結構簡單：相變冷卻系統(tǒng)結構相對簡單，易于設計和安裝。

低能耗：相變冷卻系統(tǒng)主要依靠相變材料進行溫度調節(jié)，能耗較低。

成本效益高：相變冷卻系統(tǒng)的初始投資和維護成本較低，具有較高的成本效益。

缺點：

相變材料選擇復雜：不同應用場景對相變材料的要求不同，需要針對具體需求選擇合適的相變材料。

熱響應時間較長：相變材料的熱響應時間較長，可能不適用于溫度變化快速的應用場景。

材料老化問題：相變材料在長期使用過程中可能會出現老化問題，影響系統(tǒng)性能。

相變冷卻技術憑借其的溫度調節(jié)能力和簡單的系統(tǒng)結構，成為儲能系統(tǒng)熱管理的重要選擇之一。盡管其在材料選擇和熱響應時間方面存在一定的挑戰(zhàn)，但在中小型儲能系統(tǒng)和電動汽車等應用場景中，相變冷卻技術展現出廣闊的應用前景。

05

浸沒式冷卻技術

浸沒式冷卻技術是一種的熱管理方法，通過將電池直接浸沒在絕緣冷卻液中，以實現熱量吸收和散發(fā)。該技術憑借其的換熱性能和均勻的溫度控制，近年來在儲能系統(tǒng)中受到越來越多的關注。

（圖5：浸沒式PACK箱體）

（資料來源：清華大學歐陽明高院士課題組王炎、李亞倫、王賀武等）

1）｜技術原理

浸沒式冷卻技術的基本原理是利用冷卻液的高比熱容和高導熱性，通過液體直接接觸電池表面進行熱量交換。冷卻液在吸收電池產生的熱量后，通過冷卻系統(tǒng)（如冷凝器或散熱器）進行熱量的釋放，再次循環(huán)回到電池周圍，形成一個的冷卻回路。

2）｜浸沒式冷卻技術主要應用于以下場景：

大型儲能電站：由于其的散熱性能和可靠性，適用于需要高功率和高安全性的儲能電站。

數據中心和高性能計算設備：需要散熱的環(huán)境中，浸沒式冷卻技術同樣適用。

優(yōu)點：

高換熱效率：浸沒式冷卻技術的換熱效率非常高，能夠快速帶走電池產生的熱量。

溫度均勻性：冷卻液直接接觸電池，確保電池組內部溫度的高均勻性。

快速熱響應：浸沒式冷卻系統(tǒng)能夠迅速響應溫度變化，確保電池在不同工況下的穩(wěn)定運行。

高可靠性：系統(tǒng)結構堅固，故障率低，維護方便。

廣泛環(huán)境適應性：在各種惡劣環(huán)境條件下依然能保持運行。

缺點：

高初始投資：浸沒式冷卻系統(tǒng)的初始投資較高，包括冷卻液、循環(huán)泵和冷卻裝置等設備。

維護復雜：浸沒式冷卻系統(tǒng)需要定期檢查和更換冷卻液，維護工作較為復雜。

冷卻液成本高：高性能絕緣冷卻液成本較高，且對系統(tǒng)材料和設計要求嚴格。

浸沒式冷卻技術憑借其換熱效率和溫度均勻性，成為儲能系統(tǒng)熱管理的重要選擇之一。但由于其在初始投資和維護方面存在一定的挑戰(zhàn)，目前仍處于實驗室研發(fā)階段，并未大規(guī)模鋪展應用。

06

直冷技術

直冷技術是一種通過直接使用制冷劑進行熱交換的先進熱管理方法。該技術在國外一些品牌的插電式混合動力電動汽車（PHEV）的熱管理中已開始應用，并逐漸在國內市場上嶄露頭角。近年來，隨著儲能行業(yè)的發(fā)展，直冷技術的應用前景也逐漸受到關注。

1）｜技術原理

直冷技術通過氣液兩相切換實現迅速制冷，不僅大大提高了換熱效率，而且得益于其獨特的冷卻介質，在泄露的情況下會轉變?yōu)闅鈶B(tài)揮發(fā)，可有效避免常規(guī)冷卻介質泄露后導致的電氣件短路風險，顯著提高了系統(tǒng)的安全性。

2）｜技術先進性

直冷技術在熱管理方面具有顯著的優(yōu)勢：：

高安全性：制冷劑在常溫常壓下為氣態(tài)，避免了傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)中的漏液短路風險，確保了系統(tǒng)的安全性。

高能效比：直冷系統(tǒng)通過直接與電芯換熱，避免了中間介質的熱傳導損失。

高換熱效率：冷板中的液體氣化過程能夠吸收大量熱量，理論上比液體對流換熱效率更高。冷板中的制冷劑蒸發(fā)吸熱可以實現更的熱交換。

高系統(tǒng)可靠性：減少了液冷系統(tǒng)中的水泵等轉動部件，簡化了系統(tǒng)結構，提高了整體系統(tǒng)的可靠性和壽命。

3）｜應用及市場前景

直冷技術在儲能領域的應用前景廣闊，盡管目前主要應用于動力電池領域的一些量產車型，但在儲能系統(tǒng)中的應用尚處于初期階段。

儲能應用前景：直冷技術在動力電池領域已有多款量產車型，但在儲能領域的應用尚未廣泛。然而，隨著技術的成熟和市場需求的增加，直冷技術在儲能領域的應用將會逐步擴大。

市場需求增長：隨著新能源和儲能市場的快速發(fā)展，對、安全、可靠的熱管理技術需求日益增加。直冷技術憑借其顯著的技術優(yōu)勢，將在這一市場中具備明顯的競爭優(yōu)勢。

技術提升：整體來看，直冷系統(tǒng)對電芯的溫升和溫差的控制優(yōu)于液冷系統(tǒng)，能夠實現電芯溫升小于8℃，溫差小于3℃的高精度控制。

高性價比：相較傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)，直冷系統(tǒng)減少了液流換熱系統(tǒng)的復雜性，成本降低11.1%，在保證性能的同時提高了性價比。

清安儲能率先在儲能行業(yè)中應用直冷技術。該技術在儲能系統(tǒng)中的成功應用，標志著熱管理技術的一次重大突破，為儲能系統(tǒng)的安全性、可靠性和效率提供了新的解決方案。直冷技術憑借其的制冷性能和快速的熱響應，成為儲能系統(tǒng)熱管理的重要選擇之一。

07

性能對比

為了清晰地展示各個熱管理技術的性能對比，我們將關鍵性能參數整理成表格形式。通過表格對比，可以直觀了解每種技術的優(yōu)勢和局限性（相變冷卻多和其他冷卻形式結合，不做單獨比較）。

（表2：各技術路線性能對比）

08

成本對比

不同的熱管理技術在初始投資、運行維護和整體成本效益方面存在顯著差異。以下表格對比了各項冷卻技術在成本方面的表現。相較于液冷系統(tǒng)，直冷技術能顯著降低熱管理側成本，減少11%的初始投入（風冷技術逐漸被替代，此處不做比較）。

（表3：不同熱管理技術成本對比）

（資料來源：清華大學歐陽明高院士課題組王炎、李亞倫、王賀武等）

Chapter. 04

未來趨勢與技術展望

隨著儲能系統(tǒng)在全球范圍內的快速發(fā)展，熱管理技術也在不斷創(chuàng)新和進步。以下是一些未來可能具有重要影響的新技術及其應用前景：

1）｜技術原理

新型液冷材料的研發(fā)和應用將大大提升液冷技術的性能。例如，具有更高導熱系數和更好化學穩(wěn)定性的冷卻液材料能夠顯著提高熱管理系統(tǒng)的效率和安全性。納米流體作為一種新型冷卻液，因其優(yōu)異的熱傳導性能和流動特性，逐漸受到關注。通過在傳統(tǒng)冷卻液中加入納米顆粒，可以提高冷卻液的導熱性和散熱能力，從而提高液冷系統(tǒng)的整體性能。

2）｜智能管理系統(tǒng)

智能熱管理系統(tǒng)的研發(fā)是未來的重要趨勢。利用傳感器、人工智能和大數據技術，智能熱管理系統(tǒng)可以實現對儲能系統(tǒng)溫度的實時監(jiān)控和動態(tài)調節(jié)。通過數據分析和機器學習算法，系統(tǒng)能夠預測溫度變化趨勢并提前采取相應的調控措施，確保儲能系統(tǒng)在溫度范圍內運行，延長電池壽命和提高系統(tǒng)安全性。

3）｜智能熱管理系統(tǒng)

相變材料（PCM）的進一步研發(fā)和優(yōu)化將推動相變冷卻技術的應用。未來，相變材料的導熱性能、相變溫度范圍和化學穩(wěn)定性將不斷改進，應用場景也將更加廣泛。復合相變材料的開發(fā)，將結合有機和無機相變材料的優(yōu)點，提供更、更可靠的溫度控制解決方案。

4）｜熱電制冷技術

熱電制冷技術利用熱電材料的塞貝克效應，通過電流直接驅動溫度差，進行制冷或加熱。未來，隨著熱電材料性能的提升和成本的降低，熱電制冷技術在儲能系統(tǒng)中的應用將逐漸增加。這種技術具有無運動部件、低噪音和長壽命的優(yōu)勢，特別適用于需要高可靠性和低維護的儲能系統(tǒng)。

未來，儲能熱管理技術的發(fā)展將呈現出以下幾大趨勢：：

智能化：智能熱管理系統(tǒng)的發(fā)展將實現對儲能系統(tǒng)溫度的實時監(jiān)控和動態(tài)調節(jié)，提升系統(tǒng)的整體性能和安全性。

新材料應用：新型冷卻材料的研發(fā)和應用將大大提升熱管理系統(tǒng)的效率和可靠性。

多樣化和定制化：隨著儲能應用場景的多樣化，熱管理技術將更加注重定制化和多樣化，以滿足不同應用的特殊需求。

儲能熱管理技術在未來將繼續(xù)向、安全、經濟和智能化方向發(fā)展，為實現可持續(xù)發(fā)展的能源目標提供堅實的技術保障。通過技術的不斷創(chuàng)新和產業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展，儲能熱管理技術將在全球能源轉型過程中發(fā)揮更加重要的作用。

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