中國儲能網(wǎng)訊：電池熱管理系統(tǒng)對電動汽車的安全性至關(guān)重要。隨著電池能量密度和放電功率的提高，傳統(tǒng)散熱方案已無法滿足當前電池散熱的要求。浸沒式液冷電池熱管理系統(tǒng)作為電動汽車動力電池組和動力系統(tǒng)的高效熱管理解決方案之一，正受到越來越多的關(guān)注，但是因為其沒有過多的項目案例可供參考，所以對于很多公司在開始階段就會感覺對于一個全新的技術(shù)設(shè)計，就會無從下手，尤其是其中有三個后期驗證問題比較多的三個方面，本文大概從冷卻介質(zhì)選擇，流場設(shè)計，安全可靠性這三個點，著重介紹一下可能出現(xiàn)的坑以及如何規(guī)避，做一個拋磚引玉，希望有機會可以進一步和從事相關(guān)設(shè)計的行業(yè)內(nèi)的同仁交流。
一、冷卻介質(zhì)選擇
作為浸沒式冷卻設(shè)計，冷卻介質(zhì)的選擇幾乎決定了方案設(shè)計成功與否及后期可靠性的最為重要的一個環(huán)節(jié)，需要找到一種既具有良好的熱傳導(dǎo)性能，又能滿足電氣絕緣要求、化學穩(wěn)定性高、與被冷卻部件兼容性好的冷卻介質(zhì)。
其中作為設(shè)計初期，可以重點關(guān)注下面幾個參數(shù)：
1）粘度：粘度作為流體對流換熱最為重要的參數(shù)之一，直接影響后期整個流場的設(shè)計和冷卻效果，包括對于設(shè)備的可靠性，也會造成直接的影響，在流程設(shè)計的時候，粘度增加一倍，系統(tǒng)的循環(huán)壓力就需要增加一倍，這對于系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)就會提出完全不一樣的要求，而且考慮到液體材料的熱脹冷縮，如果系統(tǒng)設(shè)計不當，極易導(dǎo)致后期系統(tǒng)壓力的升高導(dǎo)致電池箱體或者柜體的變形，這個點也極易被設(shè)計者所忽視，我們曾經(jīng)有過案例僅僅系統(tǒng)有10kpa的壓力，最終導(dǎo)致電池包殼體的一個形變，所以在介質(zhì)選擇上，以常規(guī)的40度粘度為例，我們盡量選擇粘度5cSt以下的介質(zhì)。
2）材料兼容性：這個也是介質(zhì)選擇的重中之重，電池包內(nèi)各種材料多達40種，這里面還有很多的膠，塑料，聚氨酯材料，這些基本上對于有機溶劑都比較敏感，如果材料發(fā)生失效，基本上等同于最終硬件的失效，所以，對于介質(zhì)與材料兼容性，這個是不容妥協(xié)的，需要經(jīng)過完整的驗證，而對于目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的336小時@80℃，筆者認為這個驗證是比較松的，如果我們按照常規(guī)介質(zhì)的使用溫度為40℃，我們按照每提高10度，相當于驗證時間加速一倍，那么這個實驗基本上等同于不到1年的實際使用效果，如果我們考慮整個硬件的使用壽命是10到15年的話，這個材料兼容性測試我個人認為還要設(shè)計的更為嚴苛，這個可以和冷卻液提供廠家共同溝通。
3）化學安全性：這個也是一個非常容易被忽視的一個點，幾乎沒有被硬件設(shè)計者和介質(zhì)提供方考慮進來，我們想，在浸沒的場景下，我們把所有的材料浸泡在絕緣介質(zhì)內(nèi)，那這也會有可能導(dǎo)致化學反應(yīng)發(fā)生，其中就有可能產(chǎn)生有害氣體，這對于環(huán)境和人員都有可能造成傷害，所以，對于浸沒式這個設(shè)計，介質(zhì)與材料浸沒后的有害氣體也需要被考慮進來，我認為這可能比介質(zhì)本身的手口毒性測試還重要。
4）介質(zhì)老化性能：在我們做項目初期，我們所有的關(guān)注點都在介質(zhì)的新油性能，而忽視了介質(zhì)老化后可能帶來的問題，作為常規(guī)的有機介質(zhì)，其性能隨著其老化而變化，比如我們前面提到的粘度，電氣絕緣性等，這就需要我們通過加速模擬介質(zhì)老化，之后評估其老化后性能的衰減來看是否可以支持10-15年的使用壽命。
5）安全維護相關(guān)性能：這里面主要有介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)，吸水性，飽和蒸汽壓，揮發(fā)性，我們知道，儲能電池工作溫度波動區(qū)間相對也比較大，那么介質(zhì)的膨脹系數(shù)就直接決定了后期系統(tǒng)使用壓力的波動，以國內(nèi)已經(jīng)量產(chǎn)的一款儲能產(chǎn)品，在使用過程中出現(xiàn)了箱體變形，這也就是跟系統(tǒng)壓力變化過大導(dǎo)致的，另外介質(zhì)本身的吸水性也尤為重要，我們發(fā)現(xiàn)介質(zhì)如果含水量增加100ppm，電氣絕緣性有可能下降90%。另外，揮發(fā)性對于后期的維護也非常重要，以國內(nèi)某浸沒式數(shù)據(jù)中心為例，目前使用的是氟化液產(chǎn)品，其一年的系統(tǒng)揮發(fā)率達到7-8%，是的，你沒聽錯，一年介質(zhì)損耗這么多，那么我們后期的維護成本包括揮發(fā)帶來的一系列環(huán)保健康方面的問題就更不用說了。
6）電氣絕緣性和閃點：其實這是目前硬件設(shè)計做介質(zhì)選擇的時候，設(shè)計者認為最為重要的參數(shù)，并以它們來作為介質(zhì)首先要滿足的先決條件，這也大大限制了介質(zhì)的選擇范圍和參數(shù)邊界，而我這里把它們放到了最后的部分，我覺得關(guān)于這兩個參數(shù)的設(shè)定，我們是走了一個錯誤的方向，而忽視了本身硬件實際可能與其相關(guān)的失效模式，以擊穿電壓為例，我們現(xiàn)在好多要求介質(zhì)的擊穿電壓是60kV，而空氣的擊穿電壓是多少？只有3.5kV，換句話說，假設(shè)我們沒有浸沒的情況下，系統(tǒng)上電會擊穿嗎？如果3.5kV都不會，為什么我們要求介質(zhì)的擊穿電壓是60kV，另外我們儲能系統(tǒng)的最高電壓是多少V？在什么場景下會出現(xiàn)60kV的場景？
另外一個就是關(guān)于閃點，因為閃點與粘度是相反的關(guān)系，這個在下一個章節(jié)會介紹到，目前浸沒式冷卻的流場設(shè)計仍然有很大的挑戰(zhàn)，而其影響最大的就是介質(zhì)粘度，如果我們?yōu)榱怂^的安全性而犧牲粘度，最后會因為粘度的問題對于流場的設(shè)計帶來非常大的挑戰(zhàn)，對于閃點，業(yè)內(nèi)一直有一個誤區(qū)就是閃點就是介質(zhì)的燃燒溫度，其實不是的，下面是一個以200度閃點為例的介質(zhì)在火燒和電擊穿下的表現(xiàn)，其實對于而關(guān)于閃點與電池熱失控的關(guān)系，我們也做了相關(guān)的研究，但是因為保密的原因，不方便在這里分享，歡迎感興趣的讀者聯(lián)系我，我們單獨溝通。
最后，關(guān)于冷卻介質(zhì)的分類及選擇，在本公眾號的其它文章“浸沒式冷卻液的主要類型及性能特點”里有詳細的介紹，感興趣可以具體了解一下。
二、流道布局設(shè)計
作為浸沒式設(shè)計，除了確保冷卻介質(zhì)在流道中均勻分布，使被冷卻物體的各個部位都能得到充分且一致的冷卻效果是非常困難的。由于被冷卻物體的形狀和熱分布往往不均勻，流道的設(shè)計需要考慮如何適應(yīng)這種復(fù)雜性。要通過數(shù)值模擬和實驗驗證等手段不斷優(yōu)化流道布局，以達到最佳的冷卻均勻性。這需要專業(yè)的技術(shù)和設(shè)備支持，并且優(yōu)化過程可能需要反復(fù)進行，耗費大量的時間和資源。
流阻與流量的平衡流道的設(shè)計需要在降低流動阻力和保證足夠的冷卻介質(zhì)流量之間找到平衡。流道過窄或彎曲過多會導(dǎo)致流阻增大，增加泵送功率；而流道過寬或過于簡單又可能無法保證足夠的流量和冷卻效果。不同的應(yīng)用場景對流量和流阻的要求不同，需要根據(jù)具體情況進行精細的設(shè)計。同時，流道中的局部阻力、進出口的壓力損失等因素也會影響整個系統(tǒng)的性能，增加了設(shè)計的難度。
設(shè)計流道布局時，要確保冷卻介質(zhì)能夠均勻地流經(jīng)儲能系統(tǒng)的各個部位，避免出現(xiàn)局部過熱的情況?？梢圆捎枚嗤ǖ?、分布式的流道設(shè)計，增加冷卻介質(zhì)與發(fā)熱部件的接觸面積。利用數(shù)值模擬技術(shù)對流道進行優(yōu)化設(shè)計，分析不同流道布局下的溫度分布情況，選擇最佳的設(shè)計方案。
流道的形狀和尺寸應(yīng)盡量減小流動阻力，以降低冷卻系統(tǒng)的能耗。采用流線型的流道設(shè)計，避免出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎、狹窄通道等容易產(chǎn)生流阻的結(jié)構(gòu)。合理選擇流道的材料，如光滑的內(nèi)壁材料可以減少流體與壁面的摩擦阻力。
流道設(shè)計應(yīng)考慮到后期的維護和檢修需求，方便對冷卻系統(tǒng)進行清洗、更換冷卻介質(zhì)和檢查故障等操作?？梢栽O(shè)置可拆卸的流道部件或預(yù)留檢修口。
也可以考慮使用單獨流道的設(shè)計來優(yōu)化液體的流動
三、進出口設(shè)計
在浸沒式冷卻設(shè)計中，進出口是比較容易被忽視的一個地方，包括接插件接口，因為這些地方原本并不是針對浸沒式開發(fā)的，所以非常容易漏液，目前已經(jīng)有一些專業(yè)的廠家開始生產(chǎn)浸沒式接插件的產(chǎn)品，可以去看一下。
流量分配：上文中提到了對于浸沒式，流場的設(shè)計是最為難的部分，所以，要特別的考慮進出口的布置，而且需要打破傳統(tǒng)的單進單出的思路，可以采用多進多出的方案，甚至可以考慮單獨設(shè)計流道，可以在關(guān)鍵部位噴油這種方式更能保障流場的一致性，下圖給了一些流道布置的思路，合理設(shè)計進出口的位置和數(shù)量，確保冷卻介質(zhì)能夠均勻地分配到各個流道中?？梢圆捎梅至髌鳌⒄{(diào)節(jié)閥等設(shè)備來控制流量分配。對進出口的流量進行監(jiān)測和調(diào)整，以保證冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
密封性能：進出口處的密封性能至關(guān)重要，要防止冷卻介質(zhì)泄漏。選擇合適的密封材料和密封結(jié)構(gòu)，如密封圈、密封膠等，并進行嚴格的密封測試。定期檢查進出口的密封情況，及時更換損壞的密封件。
不同的進出口布置及流道設(shè)計對于液體流動有非常大的影響
四、熱管理策略
溫度監(jiān)測與控制：在儲能系統(tǒng)中設(shè)置溫度傳感器，實時監(jiān)測各個部位的溫度變化。根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果，調(diào)整冷卻介質(zhì)的流量、流速或溫度，以實現(xiàn)精確的溫度控制。建立溫度控制系統(tǒng)，采用自動控制算法，如 PID 控制等，確保儲能系統(tǒng)在安全的溫度范圍內(nèi)運行。
熱平衡設(shè)計：考慮儲能系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的熱負荷變化，設(shè)計合理的熱平衡方案。例如，在充電和放電過程中，熱負荷可能會有所不同，需要根據(jù)實際情況調(diào)整冷卻策略。利用熱交換器等設(shè)備，將儲能系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到外部環(huán)境中，以維持系統(tǒng)的熱平衡。
五、安全與可靠性設(shè)計
壓力控制：冷卻系統(tǒng)中的壓力變化可能會影響流道的密封性和冷卻效果。設(shè)置壓力傳感器和安全閥等設(shè)備，對冷卻系統(tǒng)的壓力進行監(jiān)測和控制，確保在安全范圍內(nèi)運行。定期檢查壓力設(shè)備的工作狀態(tài)，保證其可靠性。
故障診斷與預(yù)警：建立故障診斷系統(tǒng)，對冷卻系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和分析。當出現(xiàn)異常情況時，能夠及時發(fā)出預(yù)警信號，以便采取相應(yīng)的措施進行處理。制定應(yīng)急預(yù)案，在冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠迅速采取有效的措施，保障儲能系統(tǒng)的安全。
六：密封與防護問題
防止泄漏：確保流道的密封性，防止冷卻介質(zhì)泄漏是至關(guān)重要的。特別是在高壓、高溫或有振動的環(huán)境下，密封難度更大。任何泄漏都可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障、環(huán)境污染甚至安全事故。需要選擇合適的密封材料和密封結(jié)構(gòu)，進行嚴格的密封測試，密封材料需要具有良好的耐腐蝕性、耐高溫性和彈性以及與所選擇介質(zhì)良好的材料兼容性，以適應(yīng)不同的工作條件。
外部環(huán)境的防護：因為儲能設(shè)備往往是放置在室外，所以流道系統(tǒng)需要能夠抵御外部環(huán)境的影響，如灰塵、水分、腐蝕性氣體等。如果防護不當，外部雜質(zhì)可能進入流道，影響冷卻效果甚至損壞被冷卻物體。設(shè)計防護需要考慮防塵，防潮，防雨，防止鼠害等設(shè)計有效的防護措施，如過濾器、密封罩等，同時要考慮防護措施對系統(tǒng)性能和成本的影響。在一些惡劣的環(huán)境中，防護要求更高，設(shè)計難度也更大。
最后列舉一些目前國內(nèi)已經(jīng)量產(chǎn)的浸沒式儲能市場案例：
南方電網(wǎng)梅州寶湖儲能電站
這是全球首個浸沒式液冷儲能電站，于 2023 年 3 月 6 日在五華縣河?xùn)|工業(yè)園投入運行，規(guī)模為 70MW/140MWh。該電站的電池直接浸沒在艙內(nèi)的冷卻液中，實現(xiàn)了對電池直接、快速、充分冷卻降溫，確保電池在最佳溫度范圍內(nèi)運行，有效延長了電池的使用壽命，整體提升了儲能電站的安全性能。按照每天 1.75 次充放測算，每年可發(fā)電近 8100 萬度，可減少二氧化碳排放超過 4.5 萬噸。
特變電工南京智能電氣有限公司儲能項目
江蘇省內(nèi)首臺正式投運的浸沒式液冷儲能項目，規(guī)模為 120kW/210kWh。該項目采用 “泡澡” 的方式，將儲能電池直接浸沒在冷卻液中，實現(xiàn)了對電池的直接冷卻降溫，保證了電池在最佳溫度范圍內(nèi)運行。并且該項目還創(chuàng)新推出了基于 openharmony 國產(chǎn)操作系統(tǒng)的儲能智慧能源結(jié)算終端，實現(xiàn)了對企業(yè)用電的實時監(jiān)控和精確計算。
浙江紹興嵊州市停車場剡溪小學光儲充項目
項目包括 500kW/1720kWh 浸沒式液冷儲能系統(tǒng) 2 套、500kW/1720kWh 浸沒式液冷儲能系統(tǒng) 1 套。該項目充分發(fā)揮了能源儲備、削峰填谷的作用，有效改善了嵊州剡溪小學直流充電樁的能源使用情況。
南方電網(wǎng)寶塘電網(wǎng)側(cè)獨立電池儲能站
這是粵港澳大灣區(qū)最大的新型儲能電站，易事特集團承建了其浸沒式艙級管理液冷儲能系統(tǒng)設(shè)備集成，儲能電池系統(tǒng)及功率變換系統(tǒng)均采用戶外集裝箱浸沒式液冷布置方案。該電站占粵港澳大灣區(qū)新型儲能總量的五分之一，是我國一次性建成的最大電網(wǎng)側(cè)獨立儲能電站，也是我國首個 9 條技術(shù)路線一站集成的鋰電池儲能站。
