我國電化學儲能產業發展迅速，鋰離子電池儲能應用安全性仍然面臨巨大挑戰。其中，溫度是影響鋰離子電池安全運行的重要因素，合理的溫度范圍和溫度分布一致性是確保大規模電池儲能系統安全性和長壽命的關鍵參數。

本文歸納了風冷、液冷、相變及熱管四類主流電池熱管理系統(BTMS)應用中的關鍵影響參數及發展現狀，分析了不同熱管理(BTM)關鍵技術發展方向；

從散熱效率、散熱速度、成本等角度對比分析了不同熱管理技術的優缺點，并對未來熱管理技術應用趨勢進行了探討。

1概況

儲能作為能源互聯網、電力系統中的重要組成部分，在能源結構轉型、提高能源利用效率、提升電力系統安全性和實現雙碳目標中逐漸體現多重價值。

儲能技術類型多樣，其中電化學儲能具有響應時間短、能量密度大、維護成本低、建設周期短等優點。據統計，2022年，新增投運電化學儲能電站 194 座、總功率3.68GW、總能量 7.86GWh，同比增長 175.81%。

目前，國內儲能鋰電池行業發展的成熟度遠不及動力鋰電池行業，鋰電池安全性標準的制定也相對滯后。儲能模組/系統的安全設計、電站安全管理、儲能電池系統消防標準方面屬于缺失狀態。

據不完全統計，近十年全球一共發生了32起儲能電站起火爆炸事故，由于不同原因造成電池內部發生熱失控引發爆炸。提升鋰電池儲能安全性尤為重要，而電池熱管理系統(BTMS)正是提升儲能安全性的重要保障。

對于鋰電池而言，工作溫度及溫度一致性均對其效率、壽命及安全性有很大影響。鋰電池可承受溫度區間為－40~60℃，最佳的工作溫度區間為10~35℃。

在高溫環境下，會加快鋰電池的衰減速率，降低電池的循環壽命，嚴重則會造成熱失控，引發安全事故；在低溫環境下同樣會對電池壽命造成影響且誘發安全風險，如低溫大倍率充電容易造成鋰枝晶的生成；

此外，電池溫度的不一致性，也會直接導致系統使用壽命的降低。中國電力科學研究院的研究結果表明，當電池模組內溫差達到5℃時，電池模組的壽命比溫差控制在2℃以內的模組壽命減少30%。

相關研究報告顯示，最大溫度差超過5℃會在鋰離子電池內部形成熱點，嚴重影響電池的安全性和壽命。

合理設計BTMS及熱管理策略，可保證電池工作溫度在適宜的范圍內，改善電池的工作環境，對于提升電池壽命、效率及系統安全經濟性有著重要的作用和意義。

2散熱技術及其在電池儲能系統中的應用現狀

目前最常見的電池儲能系統為集裝箱式，若干鋰電池組成模塊，模塊中通常有傳感器監測電壓和溫度。若干個模塊被放置于機架中，機架再安裝在儲能箱體中，儲能箱體中需安裝熱管理系統。

儲能熱管理系統是降低電池熱失控風險的重要手段，其中電池儲能溫度監測、熱控制是熱管理系統的主要功能，目前常見的散熱技術包括風冷散熱、液冷散熱、相變散熱和熱管散熱。

2.1風冷散熱

風冷是采用空氣作為換熱媒介，使用空氣在電池組中進行循環，利用電池模塊和空氣之間的溫差進行熱傳遞，一般分為被動風冷和主動風冷。

風冷模塊機組

影響其冷卻效率的因素主要有冷卻方式、空氣流場設計、電池排布及進氣口風速等。

風冷儲能系統

2.2液冷散熱

對于大規模電池組的高倍率充放電過程，風冷系統的冷卻能力已經不能滿足電池組的散熱需求。

液體擁有比空氣更高的比熱容、更高的導熱率，且液冷冷卻速度較快，對降低局部最高溫度、提升電池模塊溫度一致性效果顯著，同時液冷相較于風冷，噪音控制較好。

液冷儲能系統產品

液冷散熱將是未來大功率鋰電池在復雜工況下熱管理的重要研究方向，但液冷系統也存在缺點，如能耗較大、密封要求高，且系統結構復雜，實際應用于儲能系統相較風冷難度更大。

液冷儲能系統產品

影響液冷散熱系統的主要因素為：冷卻液管道或冷卻板的布局和設計，以及冷卻液的流速。

液冷系統應用模式

液冷散熱系統實際應用中常用的三種方式如圖6所示：

一是用載有冷卻液的管道環繞、接觸模塊中的每個電池，降低電池溫度和電池間溫差，此方案比較適用于圓柱形電池[圖6(a)]；

二是直接將電池模組浸泡在不導電的冷卻液中，此方案能對電池所有面進行冷卻，有助于提高溫度一致性，目前常用于超級計算系統的服務器上，但運用于儲能領域漏液風險大，很少被應用[圖6(b)]；

三是在電池或者電池模塊之間放置冷卻板，冷卻板內有液體微通道，此方案適用于棱柱形電池或者軟包電池[圖6(c)]。

2.3相變散熱

PCM能在恒溫或者近似恒溫的情況下發生相變，并在相變過程中吸收/釋放潛熱從而達到降溫的效果。

目前，采用固-液型PCM的BTMS具有較好的應用前景，由于其比熱容高，可大大減輕系統質量，且冷卻效率也比液冷高出3~4倍；

其不足是某些PCM體積變化大，對于系統的空間需求大，同時，PCM吸收的熱量不能有效地釋放到外界環境中。

純PCM有著較大的蓄熱能力，但是熱導率較低，為了解決這個問題，研發了復合型PCM，常見的是與納米顆粒、金屬泡沫或膨脹石墨等其他材料結合[38]。

3各類散熱技術的對比分析

不同熱管理系統的影響因素較多，關鍵因素的優化對提升散熱技術的性能十分重要。

風冷散熱系統的優點為系統設計相對簡單，成本低，易于實現和維護，可靠性高。其缺點也很明顯：較低的比熱容、較小的導熱系數，不適用于高功率的場景，其散熱效率低下，且受環境溫度影響大，并且強制風冷產生大量噪音。

液體冷卻的優點是具有更高的比熱容，質量流量，更快的傳熱速度；具有較好的冷卻效果，能達到均勻的溫度分布。其缺點為布局復雜、部件較多、系統質量大、成本高和可靠性差，需要較高的密封性，且有泄露液體的風險。

相變材料冷卻的優點是與相同操作條件下的空氣或液體冷卻相比，它在電池表面提供了更均勻的溫度分布且反應速度快，并且儲能密度高、節能、結構緊湊，可降低復雜度、節約成本。

缺點則是當PCM發生相變時，體積變化很大，容易泄漏，并且固化時間較長。

熱管冷卻的優點是熱管具有高熱導率，體積相對較小、質量較輕，也可以根據可用空間以不同形式制造，并且在運行期間不需要維護，且具有優良的等溫性、熱流方向可逆性。其缺點則是容量小，接觸面積小，系統結構復雜，泄漏風險大，成本高，技術復雜。

根據上述各類技術特點，本文從導熱系數、比熱容、散熱速度、溫差分布、壽命和成本等方面對比了各類技術的應用效果，如表7所示。

4總結

隨著鋰離子儲能技術向著高容量和緊湊化的方向發展，鋰電池的熱安全性成為現階段研究的重點，且鋰離子電池相較于其他電池，對工作溫度的要求更為嚴苛.

如何讓儲能系統的大量電池在穩定的環境下安全運行成為必須解決的問題，需要熱管理系統準確監控電池的狀態，在溫度偏離正常范圍時及時控制電池溫度。

本文主要結論如下：

(1)在電池的性能方面，總結了溫度對電池充放電效率、循環壽命和安全性的影響，數據顯示溫度控制是電池正常運行的重要保障。

(2)在電池儲能熱管理技術方面，風冷、液冷、相變散熱和熱管技術是目前大規模電池儲能的主要技術類型，各類熱管理系統設計中關鍵因素不同，需要通過設計參數優化、系統設計及控制策略等途徑來提升熱管理效果及綜合能效。

(3)通過散熱效率、散熱速度、溫差分布、壽命和成本對不同散熱技術進行對比，結果表明液冷、熱管冷卻及相變冷卻在散熱速度上均優于風冷技術，熱管冷卻具有更優的降溫效果，但風冷成本較低。

電池溫度與其動態產熱工況密切相關，應結合實際工況，制定有效的實時控制策略,實現高效、低能耗電池熱管理。

目前，大部分系統設計重點集中于控制溫度,較少考慮系統能耗、體積和質量，應綜合考慮各項指標。另外，各類熱管理技術都在某些方面存在一定的缺陷，單一的冷卻手段在某些工況下可能無法滿足電池的散熱要求。

因此，根據實際應用需求，復合熱管理技術將成為更有效的熱管理技術手段。

資料來源：鋰離子電池儲能熱管理技術應用現狀分析；作者：石博文，李明哲，葉季蕾

原文始發于微信公眾號（艾邦儲能與充電）：鋰離子電池儲能不同熱管理技術效果對比