根据EESA2023年度数据统计2023年EESA录得温控配套出货为37.62GWh;按照项目容量统计,工商业储能项目中液冷技术占比较高,为71%,广州地区占比最高97%为液冷解决方案;源网侧储能仍以风冷解决方案为主,预计随着大电芯的使用,也冷解决方案的渗透率将持续提升。

2024全球储能温控系统的技术发展及竞争趋势

此外,根据《EESA2024中国储能发展白皮书-机遇与挑战》,新型的储能温控系统主要应用于储能集装箱的电池环境控制,通过节能变频制冷机组耦合电辅热等方案,实现箱内外高效换热、箱内温度自动调节,以保障电池的安全、稳定、高效运行。为了便于运输及安装同时提高箱内空间利用率,大多储能温控设备已舍弃传统空调区分内机外机的分体式设计,转而将蒸发侧与冷凝侧进行一体化集成,故此处仅针对一体式系统设备进行介绍。以载冷导热的形式划分,目前主流的储能温控技术主要有液冷风冷两种:

一、储能液冷温控技术

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“液冷”指在发热端与机组蒸发侧间以冷液作为载体的冷却换热形式,水侧媒介一般使用乙二醇水溶液;冷凝侧同样有风冷和水冷两种形式,以风冷强制对流换热为主。

图1 两种常见储电液冷机组简易原理图

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 图片来源:英维克

 

作为一种新兴的储能温控解决方案,液冷凭借其与电芯冷却的高契合度优势快速占领市场。液冷机组温控散热的主要应用优势如下:

1.调温快,控温准:液冷温控响应快、精度高,通过变频、整流混水等方式为电池侧供水,自动控制水温,最高能达成±0.5℃的精度,且在负载功率、环境温度等关键工况变化时可快速调节以实现供液温度稳定。

2.高效换热,需求空间小:液冷的蒸发侧为水-氟换热器(一般使用板式或管壳式换热器),换热效率高、上限高,相同能力下相较于风冷适用的翅片换热体积可成倍缩小,极大程度地节省了机组空间与占地面积,进而可有效提升电池集装箱体内能量密度、扩大储能应用场景。

3.有效减小电芯温差,促进电池均温:液冷冷板流道与管路设计自由度高,可根据需求合理分配流量;同时,因载冷剂的比热容较大,PACK前端与末端间水温相差小(一般在3℃以内),可使电池端的整体温差都控制在5℃左右,有效提升电池概况的异质性水平,提高电池能量利用率及延长寿命。

4.适应复杂场景:传统风冷受风道影响强,对电池箱内部结构设计要求高,易受干扰。液冷水路设计自由,形式多样,可适配各种复杂的应用场景与结构形式,对于储能形式的不断丰富有较好支持。

然而,目前液冷技术的发展尚不完全充分,仍有一些行业痛点亟待解决:

1.存在漏液可能,时有补液需求:目前难以保证不漏液,存有漏液风险。为此,不得不为机组设备增设自动补水装置、增加漏液监测措施、提高部件防水等级、考虑漏液排液问题。大型储能项目所在区域往往都较为偏远,罕有人烟,人工补液极为不便,同时漏液也可能对电芯及其控制系统造成严重影响,故必须尽可能的减少乃至避免泄露,降低补液频次。

2.常用管路类型各有劣势:不锈钢管路成本高,加工与装配对工艺要求较高,公差难以把控,维护也相对困难;塑料管路虽成本较低,但其使用寿命短,易损坏,可靠性仍有待提升;铜管路易造成水质脏堵,影响换热,难以适配储能长期稳定、尽量避免人工干涉的需求。时下尚无能完美解决储能温控需要的液冷管路材质。

二、储能风冷温控技术

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“风冷”指在蒸发侧以空气作为载体的冷却换热形式,利用风机带动空气与翅片换热器进行强制对流传热,受海拔高度(气压)的影响较大。

图 33常见储电风冷机组简易原理图

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图片来源:英维克

作为一种相对传统的温控散热模式,风冷在应用广度上会略逊一筹,但由于介质的特性也决定了其在某些特殊场景中应用的必要性。例如,风冷温控系统在蒸发侧通过空气机组进行换热,使得其可以具备除湿功能,目前,常见的大型储能集装箱在标配液冷的同时往往也会增设风冷机组以降低箱内湿度,减少电池模组和附属器件因凝露渗水而受损的可能性;同时,风冷规避了水冷的漏液风险,适合为复杂BMS电气系统进行散热以保障安全性。此外,风冷系统的加工安装相对容易,现场工程量小,成本较低,在部分小型储电设备中也有一定优势。

一直以来,风冷技术的难点痛点都较为突出,能否进一步改善与解决是扩展风冷适用面的关键所在。行业主要痛点如下:

1.换热效率低下,尺寸难缩减:风冷换热性能有天然劣势,若要满足电池能量功率的增长需求则必须增大换热器尺寸,这与不断提升箱内电池能量密度的追求是相违背的,同时也增加了设备运输与安装的难度。只有改进换热器形式,提高换热器效率,才能在一定程度上缓解风冷设备的空间侵占问题。

2.风机需求量大,噪音难限制:风量与换热性能正相关,为了提高制冷能力,风冷系统中内外风机均使用大功率、高转速风机,相互叠加,风噪也便难以控制。如何在限噪与性能间平衡取舍一直是风冷业内的一大难点。

3.温控均匀性差,风道难设计:风冷始末两端温差大,对末端设备的温控能力较差,用于为储能电池散热无疑是不利的。风冷技术的风道设计尤为讲究,过大的风阻将严重影响性能,若流道覆盖性较差,或局部边缘生成涡旋多,则设备间的均温更难以达成,一般在设计阶段便需通过大量仿真验证合理性。

三、储能温控技术未来发展趋势:

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1.以发展完善液冷技术为主体,逐步改进风冷技术,同步开发直冷方案:不可否认的是,在未来一段时间内,液冷都会占据行业市场的主体且份额逐渐扩大,因而针对液冷可靠性与能力的设计验证、降本等会是业内的主要课题。风冷新增装机量难有爆发式增长,但因依然有无法替代的稳定需求,对其的研究改进不会停止。此外,随着未来电池能量功率密度的不断提升,纵然液冷模式也会逐渐触及性能上限出现边缘效应,开发换热效率更高理论上限更强的冷媒直冷方案也是重要议题。目前,尚无大批量应用的成熟储能直冷技术形式。

2.整机小型化,换热效率提高,能量密度提升:储能箱柜内空间寸土寸金,配套设备的小型化意味着电芯数量增加的可能性,也就意味着储电成本造价的优势。在有限空间能尽可能地强化换热能力是空调机永恒的课题,为此主要有两个发展方向,即提高设备集成度与改进使用高效传热形式。除前文所提整机一体化处理外,电控系统的高度集成化、水氟系统在确保安全性与可靠性的前提下的部件“减负”都是重要手段。

3.制冷剂环保化替换:2021年6月,中国政府接受了《〈关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书〉基加利修正案》这一国际化的通用标准要求,将对部分环境影响指数较大的制冷剂进行严格限制,相当于对行业提出了新的硬性规定。以性质与能力相近的环保冷媒进行直接替换是基本方案,但其系统安全性与兼容可靠性需要经过长时间的测试验证,对系统的设计也有特殊要求。更进一步的目标,可考虑天然制冷剂的适用可行性,如R744(二氧化碳)、R290(丙烷)等均已在其他行业大量应用并被证明对环境完全无害。下表为一些常用冷媒的短期替换方案供参考。

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图片来源:英维克

4.高效节能化:除使用高能效的冷媒外,对压缩机、风机、水泵等大功率器件的智能变频控制也是节能省电的关键所在,后续的储电温控技术将对控制逻辑进一步深入优化,确保在工况频繁变动的前提下依然保持供需平衡。提升换热效率也是节能化的途径之一。目前有越来越多的机组正利用小区域冗余空间加装干冷器以强化自然散热,利用低温环境下的自然冷源,减小热交换时的耗能需求。全年低温时间区段占比越高,制冷时需要的总能耗就越低。未来的节能需求会愈发明显。

5.可靠性与安全性提升:一方面通过更多的失效模拟分析、精确冗余设计和故障监测报警保证机组安全性,另一方面通过增加异常自动调节模式以减少人工干预,提高机组可靠性。同时对于器件可靠性选型也要更为精细,例如采用铜管翅片作为冷凝器在恶劣且长期使用的环境中,因其结构强度与器件材质,相比于微通道换热器更为可靠。

6.PCS液冷方案:在当前储能项目正向着更大规模、更高能量密度趋势发展,对储能系统的寿命、安全性提出了更高的要求之下,将液冷技术应用到PCS上,可使得PCS在功率密度和系统效率上有较好的提升。液冷PCS在高海拔和高温地区同样会拥有更好的适应性。当面对高海拔项目时,高效液冷散热方式将海拔变化带来的温度降额影响大大降低,极大程度保障产品的安全平稳运行。正是具备有保证系统安全稳定运行的可行性,目前已有多家PCS厂商都已经宣布有液冷PCS产品或者即将推出相关的液冷PCS。

7.浸没式液冷方案:浸没式液冷通过将储能电池浸没在绝缘冷却液中,实现对于电池的直接接触式液冷。浸没式液冷有更高换热效率、更好的均温性以实现电池更长的寿命,同时相比于传统液冷更能减少热失控风险。但浸没式液冷在储能领域应用案例少,且存在成本高、安全隐患、难运维等问题。目前该方案在数据中心领域逐渐广泛应用,上述存在的问题在稳定推进解决,中长期来看存在在储能领域规模应用的可能性。

在当前储能项目正向着更大规模、更高能量密度趋势发展,对储能系统的寿命、安全性提出了更高的要求之下,将液冷技术应用到PCS上,可使得PCS在功率密度和系统效率上有较好的提升。液冷PCS在高海拔和高温地区同样会拥有更好的适应性。当面对高海拔项目时,高效液冷散热方式将海拔变化带来的温度降额影响大大降低,极大程度保障产品的安全平稳运行。正是具备有保证系统安全稳定运行的可行性,目前已有多家PCS厂商都已经宣布有液冷PCS产品或者即将推出相关的液冷PCS。提升储能系统的寿命,保证系统安全稳定运行正是液冷PCS开始盛行的关键所在。储能PCS从技术本身而言能够做更低的成本、更高的效率和更高的可靠性,供应链的维度可以有更好的效益,可以拿到更稳定的产品,在最终的用户当中产生出价值的改善。

 

作者 808, ab