黨的二十屆三中全會(huì)強(qiáng)調(diào)指出,我國要加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系[1]。而可再生能源因其間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)也逐漸凸顯,儲(chǔ)能技術(shù)為這一問題提供了科學(xué)有效的解決方案[2]。儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷”三側(cè)配置優(yōu)化和協(xié)同控制的關(guān)鍵,其在電力系統(tǒng)削峰填谷、頂峰保供、調(diào)頻調(diào)壓等方面發(fā)揮著重要作用,是新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行的重要支撐[3]。

近年來,全球儲(chǔ)能市場(chǎng)發(fā)展迅猛,新增投運(yùn)電力儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模屢創(chuàng)新高[4]。至2023年底,我國已累計(jì)建成投運(yùn)新型儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)3139萬kW/6687萬kWh,同比增長(zhǎng)超過260%,提前達(dá)成了“十四五”規(guī)劃的新型儲(chǔ)能裝機(jī)目標(biāo)[5]。

中國政府高度重視儲(chǔ)能及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,通過了一系列包括但不限于稅收優(yōu)惠、技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)勵(lì)、項(xiàng)目補(bǔ)貼等形式的地方及國家政策措施,用以支持儲(chǔ)能及相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,極有力地推動(dòng)了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈的形成和蓬勃發(fā)展[6]。根據(jù)CNESADataLink全球儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計(jì),截至2024年4月底,全國累計(jì)發(fā)布儲(chǔ)能相關(guān)政策1977項(xiàng),主要集中在補(bǔ)貼、市場(chǎng)運(yùn)行、規(guī)劃等領(lǐng)域[7]。2024年《政府工作報(bào)告》首提新型儲(chǔ)能,意味著發(fā)展新型儲(chǔ)能將成為2024年乃至今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)工作的重要任務(wù)之一[8]。

作為新型電力能源體系的重要組成,以鋰離子電池為主的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用在近年來得到了顯著地推進(jìn),在儲(chǔ)能市場(chǎng)中的占比與日俱增[9]。然而典型電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過程中產(chǎn)生的大量熱量如不能有效管理,將會(huì)嚴(yán)重影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能和壽命,甚至引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。

儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理是一種有效的控制手段,能夠顯著提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能和安全性[12]。其中,儲(chǔ)能液冷熱管理技術(shù)由于其優(yōu)異的性能,能夠?qū)崿F(xiàn)更為高效和均勻的散熱,從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行并延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命,因此液冷技術(shù)在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用比例逐漸增大,已成為提升電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)性能和安全性的主要解決方案[13]。文章介紹了當(dāng)前分布式電化學(xué)儲(chǔ)能中主流熱管理技術(shù)的特點(diǎn),總結(jié)了各技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足,重點(diǎn)分析了液冷熱管理技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀,并對(duì)液冷技術(shù)未來的發(fā)展給出建議和展望。

1、儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理的需求與挑戰(zhàn)

近年來,為確保電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定和安全,很多企業(yè)和科研單位在高效熱管理技術(shù)研發(fā)上投入了大量的精力[14]。熱管理技術(shù)的發(fā)展不僅可以推動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)和新能源發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用,也有利于構(gòu)建更為可靠和更為持久的清潔電網(wǎng)解決方案。

隨著預(yù)鋰化、硅碳負(fù)極等儲(chǔ)能電芯技術(shù)的發(fā)展,儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度逐漸提升已是必然趨勢(shì)[15]。

目前鋰離子儲(chǔ)能型電芯已逐漸逼近能量密度的理論極限,同樣也帶來了更大的電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)[16-17]。

據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)不完全統(tǒng)計(jì),2014—2023年全球儲(chǔ)能安全事故累計(jì)90余起,僅2023年有報(bào)道的儲(chǔ)能安全事故便有達(dá)十余起,部分事故如表1所示,其中鋰離子電池溫度熱失控是引起事故的主要原因[18]。因此,如何在大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中有效地管理電池產(chǎn)生的大量熱量,維持其長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行,是當(dāng)下及未來亟須解決的基本問題。而隨著儲(chǔ)能電芯單體容量及功率的快速增大,電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度也越來越高,安全隱患也隨之增大,這對(duì)儲(chǔ)能電站的熱管理系統(tǒng)也提出了更高的挑戰(zhàn)[19]。

其次,溫度對(duì)儲(chǔ)能電芯性能一致性有著至關(guān)重要的影響[20]。研究表明,儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布及電池?zé)崃糠e累不均勻的問題,將導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)有效容量明顯降低[21-22]。為充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能和提高儲(chǔ)能電芯的效率,必須引入高效的熱管理系統(tǒng)以優(yōu)化電池組的溫度分布。此外,電池的局部過熱會(huì)導(dǎo)致電池壽命折損,進(jìn)而影響儲(chǔ)能電站的可運(yùn)行年限[23-24]。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)需要保證電池在充放電發(fā)熱時(shí),單簇電芯溫差不得超過6K,而部分龍頭企業(yè)的產(chǎn)品則更為嚴(yán)格[25]。因此,如何通過提高控溫精度,進(jìn)而改善電池組溫度曲線、降低電池內(nèi)部不均勻損耗,是熱管理系統(tǒng)未來發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。

此外,儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)則是極端工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性,儲(chǔ)能電站的應(yīng)用往往會(huì)面臨高溫、高寒、高濕、高海拔以及沙漠地帶等惡劣環(huán)境,這些嚴(yán)苛的條件對(duì)熱管理機(jī)組的穩(wěn)定性和安全性是一項(xiàng)嚴(yán)苛考驗(yàn)[26]。當(dāng)下,高溫環(huán)境下系統(tǒng)冷量衰減,極寒環(huán)境下壓縮機(jī)難以啟動(dòng),高海拔環(huán)境下存在電氣拉弧情況,高濕環(huán)境凝露導(dǎo)致電控短路,雷擊天氣導(dǎo)致控制板失效以及風(fēng)沙天氣防沙等仍迫切需要解決的問題[27]。因此,復(fù)雜環(huán)境下熱管理系統(tǒng)仍能正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)是儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

總而言之,儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理是一個(gè)復(fù)雜的問題,需要綜合考慮熱積累、溫度均勻性控制以及極端工況下的穩(wěn)定性等多個(gè)方面[28]。盡管已有多種熱管理策略被提出和應(yīng)用,但隨著儲(chǔ)能電芯技術(shù)的高速發(fā)展以及儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景的多元化,如何在保證新型電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)性能穩(wěn)步提升的同時(shí),實(shí)現(xiàn)更高效、更安全、更節(jié)能環(huán)保的熱管理仍是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。只有通過不斷升級(jí)熱管理技術(shù)和針對(duì)特殊工況下改進(jìn)系統(tǒng),才可以有效地解決這些問題。

1.2當(dāng)前主要儲(chǔ)能熱管理技術(shù)

目前主流的儲(chǔ)能熱管理技術(shù)主要是空冷、液冷、熱管冷卻和相變冷卻技術(shù),其主要優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍如表2所示,基本原理如圖1所示。為了解決儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)所面臨的上述挑戰(zhàn),研究者們不斷對(duì)這些熱管理技術(shù)進(jìn)行著研究和改善[29-30]。

空氣冷卻技術(shù)通過空氣對(duì)流帶走熱量,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)[35]。儲(chǔ)能系統(tǒng)中采用的空氣冷卻技術(shù)一般為強(qiáng)制冷卻,由于不存在漏液風(fēng)險(xiǎn),除了應(yīng)用于預(yù)制艙式儲(chǔ)能電柜外,也適用于較為復(fù)雜、對(duì)濕度有要求的BMS(BatteryManagementSystem,電池管理系統(tǒng))及電氣系統(tǒng)[31]。

但由于空氣比熱及導(dǎo)熱較差的原因,風(fēng)冷技術(shù)已不能滿足高功率密度和高能量密度的儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱需求,且風(fēng)冷儲(chǔ)能電站整體的溫度均勻性較差,在大規(guī)模儲(chǔ)能電站熱管理系統(tǒng)中所占比例逐漸減少。

液冷技術(shù)是利用液體介質(zhì)循環(huán)流動(dòng)對(duì)被冷卻設(shè)備進(jìn)行散熱的技術(shù),具有較高的冷卻效率,適用于高功率密度的儲(chǔ)能系統(tǒng)[36]。按照冷卻介質(zhì)與電芯的接觸方式不同,儲(chǔ)能液冷可分為間接式液冷和直接式液冷兩種。間接式液冷一般采用裝有循環(huán)流動(dòng)冷卻液的冷卻板(簡(jiǎn)稱冷板)與電芯接觸,利用液體對(duì)流換熱給電芯接觸部位降溫,轉(zhuǎn)移電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量[37]。直接式液冷則是通過冷卻液與儲(chǔ)能電池直接接觸的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電池高效控溫的熱管理方式。

相變熱管理技術(shù)依靠相變材料在相變過程中吸熱或放熱的特性,對(duì)儲(chǔ)能電芯進(jìn)行冷卻或保溫,具有結(jié)構(gòu)緊湊、低接觸熱阻和良好冷卻效果的特點(diǎn)[38-39]。相變材料的選擇對(duì)電池散熱效果至關(guān)重要,比熱容較大、傳熱系數(shù)較高的相變材料在相同條件下能提供更好的冷卻效果,反之則效果較差[40]。由于相變材料種類和安裝空間的限制,相變冷卻技術(shù)通常與風(fēng)冷或液冷技術(shù)結(jié)合使用,但存在占用空間大、綜合成本高的問題[41-42]。

熱管冷卻技術(shù)是通過熱管吸熱端與電芯接觸吸熱帶走電池?zé)崃?再在放熱端將熱量釋放到外界的散熱技術(shù)[43-44]。相對(duì)來說,熱管冷卻技術(shù)的散熱速率和效率都高于液冷。然而,由于熱管本身并不具備主動(dòng)制冷能力,應(yīng)用時(shí)其溫度均勻性及控溫精度受外界因素影響嚴(yán)重,往往需要輔以額外冷卻系統(tǒng),這會(huì)增加系統(tǒng)總重量且成本相對(duì)較高,因此熱管冷卻技術(shù)若要推廣應(yīng)用,需要在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或管內(nèi)材料或工質(zhì)上突破。

總之,液冷熱管理技術(shù)較為成熟,有著較高的性價(jià)比,是目前電動(dòng)汽車和電化學(xué)儲(chǔ)能電站熱管理系統(tǒng)中占比最多的技術(shù)路線[45-46]。相較風(fēng)冷技術(shù),液冷更能將電芯控制在最佳溫度運(yùn)行區(qū)間內(nèi),且系統(tǒng)溫差更小。在同等環(huán)境條件下若將儲(chǔ)能系統(tǒng)維持在同等溫度,液冷的功耗顯著低于風(fēng)冷,而為達(dá)到較好的冷卻效果,相變熱管理、熱管熱管理在應(yīng)用時(shí)往往需要與風(fēng)冷或液冷耦合使用,增加了系統(tǒng)復(fù)雜性與成本,因此液冷具有更優(yōu)的全生命周期經(jīng)濟(jì)性,也是最具發(fā)展前景的技術(shù)路線[47]。

2、儲(chǔ)能液冷熱管理技術(shù)

2.1液冷熱管理技術(shù)簡(jiǎn)介

液冷技術(shù)具有優(yōu)異的控溫能力及極佳的性價(jià)比,已逐漸成為電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理技術(shù)的主流。目前,應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的液冷技術(shù)主要可分為直接式與間接式,具體分類方式如圖2所示。其中直接液冷分為噴淋式冷卻與浸沒式冷卻兩種,浸沒式冷卻根據(jù)浸沒液有無發(fā)生相變又分為單相浸沒式液冷和雙相浸沒式液冷。間接液冷指的是采用冷板對(duì)電池進(jìn)行冷卻的技術(shù),而根據(jù)與冷板中循環(huán)介質(zhì)的不同又分為冷卻液液冷與制冷劑直冷。表3展示了不同的儲(chǔ)能熱管理方法的主要特征及其應(yīng)用范圍。

直接液冷中,浸沒式液冷是通過冷卻液直接接觸電池表面對(duì)電池進(jìn)行散熱的技術(shù),如圖3(a)所示,儲(chǔ)能電芯直接浸沒在冷卻介質(zhì)中,介質(zhì)通過循環(huán)泵與制冷機(jī)組循環(huán)換熱。浸沒式液冷具有較高的冷卻效率,可顯著降低電池PACK內(nèi)最高溫度和最大溫差,提高電池溫度均勻性[48]。其中,雙相浸沒式液冷利用浸沒液在相變時(shí)吸收大量汽化潛熱的原理,有著更高的傳熱能力與控溫能力,但由于浸沒液材料限制以及密封性等原因,雙相浸沒式液冷技術(shù)在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用尚較少,而在數(shù)據(jù)中心的冷卻上得到了一定的推廣應(yīng)用[49]。未來,若能解決耐壓性、兼容性及運(yùn)行穩(wěn)定性的問題,雙相浸沒式液冷將是直接式液冷的重要方向。從循環(huán)原理圖3(b)中我們可以看出,噴淋式液冷技術(shù)原理與浸沒式液冷類似,不同的是,噴淋式液冷采用噴淋的方法將冷卻液與儲(chǔ)能電芯接觸,使得冷卻液具有較好的流動(dòng)性,但需要更大的空間尺寸和功耗。而同樣,由于材料兼容性和技術(shù)成熟度等原因,尚未大規(guī)模在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中進(jìn)行推廣[50]。

如圖4所示,間接液冷則是通過將電芯與冷板接觸,載冷劑在冷板中循環(huán)流動(dòng)帶走熱量的熱管理技術(shù)[51]。按照冷板中載冷劑的類型又分為冷卻液液冷技術(shù)(圖4(a))和制冷劑直冷技術(shù)(圖4(b))。其中,冷卻液液冷技術(shù)是最早被應(yīng)用的技術(shù)之一,其冷卻效果顯著優(yōu)于風(fēng)冷技術(shù),對(duì)于一些需要兼顧高性能和安全性的電子器件散熱也十分適用,目前儲(chǔ)能熱管理中對(duì)PCS等電氣部件采用液冷也是一個(gè)熱門的研究方向[52]。而制冷劑直冷技術(shù)由于沒有中間二次載冷的過程,因此成本與傳熱效率均優(yōu)于冷板液冷,但由于直冷系統(tǒng)精準(zhǔn)控溫難度大、系統(tǒng)運(yùn)行壓力高等原因,尚未在儲(chǔ)能系統(tǒng)中大規(guī)模使用,目前只在中小型新能汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾碇袘?yīng)用較多。

2.2儲(chǔ)能液冷熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

典型電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由電池柜、BMS系統(tǒng)、匯流柜、逆變器,配電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)以及熱管理系統(tǒng)組成,其結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。其中儲(chǔ)能液冷熱管理系統(tǒng)主要由核心零部件(如壓縮機(jī)、換熱器、冷板等)、冷卻液及控制系統(tǒng)組成,目前的研究也聚焦在對(duì)上述組成的優(yōu)化及改進(jìn)上。

2.2.1儲(chǔ)能液冷熱管理系統(tǒng)組成與原理

以應(yīng)用占比最多的冷卻液式儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)為例,其系統(tǒng)組成如圖5(b)所示,主要包括制冷循環(huán)及液冷循環(huán),其中制冷系統(tǒng)多為蒸氣壓縮式制冷循環(huán),而液冷循環(huán)中則為冷卻液循環(huán)回路,兩者之間通過中間換熱器(如板換)聯(lián)接實(shí)現(xiàn)冷量傳遞。制冷劑直冷系統(tǒng)則省去了液冷循環(huán),低溫制冷劑直接與電芯進(jìn)行傳熱,減少中間換熱過程,故具有更高的系統(tǒng)能效。

對(duì)液冷熱管理系統(tǒng)的改進(jìn),一直是行業(yè)與學(xué)者研究的重點(diǎn)。目前,已有許多學(xué)者對(duì)儲(chǔ)能液冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究[53-54],主要方向包括但不限于提高關(guān)鍵部件熱效率、降低系統(tǒng)能耗以及通過結(jié)構(gòu)或材料的改進(jìn)增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性等方面[55-56]。值得一提的是,自然冷卻技術(shù)被認(rèn)為是一種有效降低能耗的方式[57]。通過在原制冷循環(huán)中增設(shè)空氣換熱器,在環(huán)境溫度極低時(shí)(一般低于零攝氏度)將循環(huán)冷卻液與空氣直接換熱,此時(shí)壓縮機(jī)不運(yùn)行,系統(tǒng)能耗極低。而在環(huán)境溫度較低時(shí),亦可分擔(dān)儲(chǔ)能電芯熱負(fù)荷,降低制冷系統(tǒng)能耗。因此,相較于常規(guī)液冷機(jī)組,結(jié)合自然冷卻技術(shù)可顯著降低熱管理系統(tǒng)的全年運(yùn)行能耗,縮短儲(chǔ)能系統(tǒng)投資回收期,具有極佳的應(yīng)用前景。

總之,通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)優(yōu)化,可以有效提高液冷系統(tǒng)的冷卻效率和可靠性,從而支持電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)和其他高能量需求領(lǐng)域的發(fā)展[58]。

2.2.2高效液冷系統(tǒng)關(guān)鍵零部件

與先進(jìn)儲(chǔ)能液冷技術(shù)相對(duì)應(yīng)的,則是儲(chǔ)能液冷系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備。通過集成先進(jìn)的冷卻設(shè)備與智能控制系統(tǒng),才能夠充分發(fā)揮出先進(jìn)液冷技術(shù)的能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效熱管理[59]。

高效智能液冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件主要包括壓縮機(jī)、循環(huán)泵、冷板、換熱器等。液冷設(shè)備的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是提高液冷效率的關(guān)鍵,包括壓縮機(jī)高性能化、環(huán)保工質(zhì)替代、泵的專用化設(shè)計(jì)與優(yōu)化、液冷板流體力學(xué)與熱力學(xué)優(yōu)化、熱交換器設(shè)計(jì)等方面[60]。

1)壓縮機(jī)

壓縮機(jī)作為制冷系統(tǒng)的核心部件,在儲(chǔ)能液冷系統(tǒng)中,是最為關(guān)鍵的部件之一。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)的不斷發(fā)展,對(duì)壓縮機(jī)的能效、可靠性、使用壽命等方面都提出了新的要求[61]。首先,為適應(yīng)設(shè)備內(nèi)部有限的安裝空間,壓縮機(jī)小型化和輕量化設(shè)計(jì)是必然,然而,也需要保證嚴(yán)苛環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)隨著環(huán)保法規(guī)的不斷升級(jí),開發(fā)使用新型環(huán)保工質(zhì)的壓縮機(jī)也是必然趨勢(shì)。諸多壓縮機(jī)企業(yè)都宣布將進(jìn)行適用于儲(chǔ)能領(lǐng)域的壓縮機(jī)研發(fā),未來的壓縮機(jī)必將朝著高速無油化、變頻變?nèi)荨掃\(yùn)行溫域、抗振消音等特點(diǎn)發(fā)展。

2)循環(huán)泵

循環(huán)泵作為冷板式液冷系統(tǒng)循環(huán)的主要部件,在冷卻液系統(tǒng)中承擔(dān)著循環(huán)和補(bǔ)液的功能,往往需要全天候運(yùn)轉(zhuǎn),因此其性能好壞對(duì)液冷系統(tǒng)有直接影響[62]。儲(chǔ)能電站應(yīng)用地域廣泛,工作環(huán)境溫度為-40~45℃,因此循環(huán)泵也應(yīng)具備較寬的工作溫度區(qū)間。同時(shí),由于循環(huán)冷卻液兼容性的要求不同,循環(huán)泵也需要不同的防腐方案。為應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能領(lǐng)域可能存在的高海拔、強(qiáng)風(fēng)沙、高濕度、高鹽霧的各類發(fā)電側(cè)環(huán)境,以及緊湊有限的安裝空間需求,一些泵業(yè)公司不斷地研發(fā)高效儲(chǔ)能用泵產(chǎn)品,未來小型化、高效能、高可靠性的循環(huán)泵解決方案必然是主流。

3)冷板

冷板是儲(chǔ)能系統(tǒng)中起對(duì)電芯散熱與支撐結(jié)構(gòu)作用的部件[63]。作為導(dǎo)熱部件,冷板的溫度均勻性是電芯間熱均勻的保證;而作為結(jié)構(gòu)件,冷板不僅要具備剛性與輕量化的特點(diǎn),還應(yīng)耐腐蝕、可靠性強(qiáng)。按照冷卻結(jié)構(gòu)形式,冷板可分為底部冷卻、上部冷卻、側(cè)面冷卻以及三面冷卻。其中,三面冷卻具有最高的冷卻能力及均溫性,但其加工難度及成本也最高。按照加工工藝,冷板主要可分為:鋁基板埋銅管式、攪拌摩擦焊式、吹脹式以及沖壓釬焊式等,不同的工藝所具備的承壓能力也不同,相對(duì)來說,埋銅管式承壓能力最強(qiáng),但也成本相對(duì)較高。目前,由于成本及加工難度等原因,冷板批量加工主要以沖壓釬焊和吹脹式作為主要技術(shù)路線。

而按照冷板內(nèi)介質(zhì)循環(huán)的形式,可分為冷卻液液冷板(冷板中為單相冷卻液)和制冷劑直冷板(冷板中為氣液兩相制冷劑)。冷板,無論是用于冷卻液液冷系統(tǒng)或是制冷劑直冷系統(tǒng),其流道與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的溫度均勻性、換熱性能以及能耗都有直接影響。因此,作為關(guān)鍵部件的直冷板的設(shè)計(jì)及優(yōu)化十分重要,如微冷板通道設(shè)計(jì)、流道仿生優(yōu)化等均是當(dāng)下研究的重點(diǎn)[64-65]。其中利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對(duì)冷板進(jìn)行模擬優(yōu)化則也是一個(gè)快速且節(jié)約研發(fā)成本的方法[66]。未來液冷板的改進(jìn)應(yīng)以優(yōu)化冷板流道、改善溫度分布、采用更穩(wěn)定材料等為主,進(jìn)而提高液冷熱管理技術(shù)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

4)換熱器換熱器為系統(tǒng)與環(huán)境進(jìn)行熱交換的核心元件,其換熱效率對(duì)系統(tǒng)性能有較大影響[67]。現(xiàn)有液冷系統(tǒng)中常用的換熱器主要有板式換熱器、翅片管換熱器以及微通道換熱器,根據(jù)其功能及特點(diǎn)的不同,所適用的領(lǐng)域也不盡相同。

微通道換熱器通過在內(nèi)部形成微小通道,使得管內(nèi)液體流速增快并減薄邊界層,從而更有效地發(fā)散熱量,提高散熱效率,具有高效換熱和布局緊湊的特點(diǎn),是當(dāng)下儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)應(yīng)用和研究的重點(diǎn)方向之一[68]。在小型分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)中,冷凝器采用微通道換熱器是一種趨勢(shì)。然而由于微通道換熱器易臟堵的原因,在大規(guī)模集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理制冷系統(tǒng)中,一般采用性能更穩(wěn)定的套片式翅片管換熱器作為冷凝器。未來的儲(chǔ)能系統(tǒng)換熱器設(shè)計(jì)時(shí),不僅要考慮惡劣環(huán)境下?lián)Q熱器易臟堵、破損的問題,還應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景采取相應(yīng)的保障措施,以保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

總體而言,隨著壓縮機(jī)、循環(huán)泵等部件的產(chǎn)品專用化改進(jìn),冷板的性能優(yōu)化以及換熱器結(jié)構(gòu)改良等關(guān)鍵部件的創(chuàng)新,儲(chǔ)能液冷系統(tǒng)的性能得到進(jìn)一步提升,這也是未來儲(chǔ)能液冷系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

2.2.3儲(chǔ)能液冷系統(tǒng)冷卻液

冷卻液是液冷系統(tǒng)的重要組成,合適的冷卻液不僅可以提高系統(tǒng)的效率,還可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命,因此冷卻液的研究也是液冷系統(tǒng)發(fā)展重點(diǎn)方向之一[69-70]。理想的冷卻液一般需要同時(shí)滿足:絕緣性能良好和傳熱性能優(yōu)異、低運(yùn)動(dòng)粘度、化學(xué)穩(wěn)定性高、不燃、環(huán)境性能友好且與電子部件接觸時(shí)不產(chǎn)生任何腐蝕等條件[71]。目前研究較多的冷卻液包括乙二醇水溶液、去離子水、碳?xì)浠衔铩㈦娮臃骸⒐栌皖惖?表4列出了這些冷卻液的主要特點(diǎn),其性能與應(yīng)用的場(chǎng)合都有所不同。

一般來說,間接液冷系統(tǒng)中,純水是一種優(yōu)秀的載冷液,比熱容大且成本低廉,但其冰點(diǎn)為0℃,故不具備在低溫環(huán)境下工作的能力。最常用的解決手段便是在水中添加乙二醇降低溶液的冰點(diǎn)。

隨著乙二醇濃度增加,水溶液冰點(diǎn)不斷降低,最低可達(dá)零下48℃,使得液冷系統(tǒng)內(nèi)的冷卻液不易結(jié)冰。然而,乙二醇存在著長(zhǎng)期使用氧化酸化的問題。因此,目前應(yīng)用上多采用通過添加各類添加劑的方式延緩乙二醇酸化氧化時(shí)間,但在使用后期易出現(xiàn)由于添加劑消耗過快而導(dǎo)致液冷系統(tǒng)管路出現(xiàn)腐蝕及沉積等情況,極易造成液冷管路的堵塞或泄露,對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性造成影響,因此冷卻液及其循環(huán)系統(tǒng)的改進(jìn)、維護(hù)是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期進(jìn)行的工作。

間接液冷中的制冷劑直冷系統(tǒng),采用制冷系統(tǒng)中的制冷劑作為冷卻介質(zhì),在與電池組換熱時(shí)為相變傳熱,因此制冷劑直冷技術(shù)換熱能力優(yōu)于常規(guī)冷卻液系統(tǒng)。但由于電化學(xué)儲(chǔ)能可能存在的熱失控及燃爆風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于制冷劑直冷系統(tǒng)來說,所采用的制冷劑應(yīng)為不易燃工質(zhì)。同時(shí),電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用地域廣闊,有時(shí)會(huì)面臨高溫、極寒、高海拔等惡劣環(huán)境,這些環(huán)境下往往維護(hù)較難,所采用的制冷劑也應(yīng)具有使用溫區(qū)廣、與管路材料兼容性好、工作壓力低等良好的熱物理性質(zhì),以確保系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。值得注意的是,所有需使用制冷劑的熱管理系統(tǒng),均面臨著制冷劑替代的問題。制冷劑按照發(fā)展歷程可分為四代,目前應(yīng)用最廣泛的為第三代制冷劑氫氟烷烴(HFCs),但其大氣壽命長(zhǎng)、溫室效應(yīng)強(qiáng),已被國際組織逐漸禁止使用。中國也于2021年9月15日也正式宣布加入《基加利修正案》,至2045年對(duì)HFCs的生產(chǎn)與消費(fèi)削減80%。零ODP和低GWP值的第四代制冷劑,如自然工質(zhì)(R744、R290等)、氫氟烯烴(HFOs)等,有望是未來替代制冷劑。因此,未來制冷設(shè)備以及制冷劑直冷系統(tǒng)中亦需要采用環(huán)境友好型的制冷劑進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與匹配。

而直接液冷系統(tǒng)中,浸沒液作為熱傳遞的核心工具,幾乎與系統(tǒng)內(nèi)的所有材料接觸,因此其性質(zhì)對(duì)直接液冷系統(tǒng)性能有至關(guān)重要的影響,浸沒液的研究進(jìn)展是直接式液冷規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵[73-74]。目前浸沒液的研發(fā)方向主要分為水基、油基以及氟基材料。水基浸沒液典型代表為去離子水,具有性價(jià)比較好、導(dǎo)熱性好的優(yōu)點(diǎn),但是由于配套過濾系統(tǒng)復(fù)雜,且極易被污染導(dǎo)致絕緣性無法保障,易造成系統(tǒng)短路。為此,研究學(xué)者提出多種解決方案,包括絕緣涂層[75],硅膠密封[76]等,但現(xiàn)在尚未有大規(guī)模示范項(xiàng)目。油基浸沒液主要為硅油、礦物油或其他油類,絕緣性好,零部件成熟,但油類物質(zhì)存在閃點(diǎn),具有可燃性,安全性需要十分重視,且低溫下粘度大系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)困難,因此應(yīng)用場(chǎng)景有限。氟基浸沒液主要為氫氟醚等電子氟化液,由于絕緣性高且不具備可燃性,是浸沒式液冷的主要應(yīng)用類型,成本是制約其發(fā)展的主要原因。

2.2.4儲(chǔ)能液冷熱管理系統(tǒng)集成控制及智能化

儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)集成控制也是熱管理設(shè)計(jì)的重要部分,設(shè)計(jì)目標(biāo)即為實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)溫度的有效控制[77]。集成系統(tǒng)主要包括硬件和軟件,硬件主要為傳感器、控制器及關(guān)鍵部件等,而軟件則是核心監(jiān)控界面、控制策略及集成算法等。在保障溫度安全性的情況下,如何通過控制策略及算法的優(yōu)化,提高系統(tǒng)的能效和溫度的精準(zhǔn)控制,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期的高效管理也是研究的重點(diǎn)方向[78]。

人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展,也帶動(dòng)著液冷系統(tǒng)的智能化水平進(jìn)一步提升[79-80]。通過集成先進(jìn)的傳感器和控制系統(tǒng),并結(jié)合智能化控制算法或主動(dòng)控制冷卻液的流量、制冷系統(tǒng)功率等參數(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻過程的精確監(jiān)控和調(diào)節(jié),以達(dá)到最佳的熱管理效果[81]。目前常用的控制算法實(shí)現(xiàn)方式主要有邏輯門限值、PID調(diào)節(jié)、MPC算法以及深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。通過控制算法之間的相互結(jié)合,如PID與模糊算法結(jié)合、PID與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合、MPC與遺傳算法結(jié)合等方式對(duì)控制方式進(jìn)行改進(jìn),進(jìn)而達(dá)到提高響應(yīng)速度、降低綜合運(yùn)行能耗以及提升溫度控制效果等目標(biāo)。

3、結(jié)論與展望

儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理技術(shù)中,液冷技術(shù)因其散熱效率高、成本較低且容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)越性能,逐漸成為了主流的熱管理方式,在實(shí)踐應(yīng)用及研究中已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。未來,通過開發(fā)專用性、通用性、擴(kuò)展性并存的液冷熱管理設(shè)備,進(jìn)一步拓展液冷熱管理技術(shù)在交通運(yùn)輸、能源工業(yè)、電子設(shè)備等儲(chǔ)能場(chǎng)景的應(yīng)用,甚至在數(shù)據(jù)中心、充電站、信號(hào)基站等領(lǐng)域的應(yīng)用,對(duì)實(shí)現(xiàn)降本增效,助力雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。

針對(duì)目前液冷熱管理技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),主要結(jié)論如下:

1)隨著對(duì)環(huán)保和能效的要求增高,儲(chǔ)能液冷熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅應(yīng)考慮溫度控制的效果、成本、體積等初期因素,也需要綜合考慮壽命、輕量化、環(huán)境友好及綜合能效等長(zhǎng)期運(yùn)行因素。

2)單一的散熱方式均有各自的優(yōu)缺點(diǎn),可能無法同時(shí)滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)復(fù)雜情況下的運(yùn)行工況,因此,液冷與其他熱管理方式的耦合,即復(fù)合式熱管理,也是未來發(fā)展的方向。通過不同熱管理方式之間的復(fù)合,達(dá)到既能兼顧單一熱管理方式的優(yōu)勢(shì),又能弱化原本的劣勢(shì),進(jìn)而提升整體冷卻性能的效果。

3)壓縮機(jī)、循環(huán)泵、冷板、換熱器等關(guān)鍵部件是液冷熱管理的基本組成,需要針對(duì)規(guī)模化儲(chǔ)能及工商儲(chǔ)等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的合理優(yōu)化乃至專用化設(shè)計(jì),這既是保障儲(chǔ)能系統(tǒng)安全長(zhǎng)壽命運(yùn)行的基本要素,也是降低系統(tǒng)總能耗的關(guān)鍵。

4)研發(fā)寬使用溫域、兼容性好、導(dǎo)熱能力強(qiáng)的冷卻液,是液冷技術(shù)推廣應(yīng)用的一個(gè)重要突破點(diǎn)。

但冷卻液的研究不能僅停留在實(shí)驗(yàn)室,如何突破規(guī)模化儲(chǔ)能中冷卻液當(dāng)下存在的腐蝕性、穩(wěn)定性不足以及運(yùn)行維護(hù)成本高等問題,是極其重要的一步。此外,制冷劑作為直冷系統(tǒng)的冷卻介質(zhì),也應(yīng)向著下一代環(huán)保制冷劑發(fā)展。同樣,無論直接式液冷還是間接式液冷,均需結(jié)合環(huán)境和硬件需求“因地制宜”地選擇冷卻液,以確保最佳的熱傳遞和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5)對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng),一方面需要對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,另一方面也需要改進(jìn)控制策略。通過引入AI技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻系統(tǒng)狀態(tài)并預(yù)測(cè)性能變化趨勢(shì),及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)或更換。同時(shí),利用大數(shù)據(jù)分析并預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行需求,通過改進(jìn)控制策略,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫和降低儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本也是未來的一個(gè)發(fā)展方向。

6)目前市面上各類儲(chǔ)能液冷機(jī)組百花齊放,但為更好地推動(dòng)液冷技術(shù)在儲(chǔ)能乃至更多產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用,雖然目前已有儲(chǔ)能液冷機(jī)組團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)以及預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn),但仍需要盡快在全國乃至國際上推出液冷的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),以推動(dòng)國內(nèi)液冷行業(yè)走在國際的前列。

儲(chǔ)能液冷熱管理系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步,為電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來,液冷熱管理技術(shù)及裝備將繼續(xù)向更穩(wěn)定、更高能效、更環(huán)保和更智能化的趨勢(shì)發(fā)展。相信在不久的將來,隨著技術(shù)的不斷提升和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷延伸,液冷技術(shù)將在儲(chǔ)能乃至更多的領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用,為實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展能源體系建設(shè)提供有力支撐。

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