儲(chǔ)能電池集裝箱散熱方式主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻幾種方式。風(fēng)冷散熱技術(shù)是從空調(diào)延伸而來，而液冷技術(shù)則是從電動(dòng)汽車借鑒而來。風(fēng)冷具備方案成熟、結(jié)構(gòu)簡單、容易維護(hù)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但通常用于產(chǎn)熱率較低的場合，如通信基站、小型地面電站等功率密度較小的區(qū)域。液冷系統(tǒng)系統(tǒng)具有換熱系數(shù)高、比熱容大、冷卻效果好的特點(diǎn)，且在不同環(huán)境下持續(xù)性較好，結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小。未來隨著充放電倍率的提升、中高功率儲(chǔ)能產(chǎn)品的普及，液冷的占比也將逐漸提升。 

1. 空氣冷卻

空氣冷卻是以氣體為傳熱截至的一種熱管理技術(shù)，簡稱空冷。空氣冷卻原理在于，將低溫介質(zhì)送入系統(tǒng)內(nèi)部，介質(zhì)流過電池表面，利用熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種方式帶走電池產(chǎn)生的熱量。 

圖 1：空氣冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

一般，根據(jù)是否存在外界設(shè)備主動(dòng)提供能量，可以將熱管理系統(tǒng)分為主動(dòng)式、被動(dòng)式。對(duì)風(fēng)冷而言，可以分為自然冷卻（被動(dòng)式）、強(qiáng)制冷卻（主動(dòng)式）兩種。 

1）自然冷卻，是指利用自然風(fēng)壓、空氣溫差、空氣密度等，對(duì)電池進(jìn)行散熱處理。

2）強(qiáng)制冷卻，是通過機(jī)械手段（風(fēng)機(jī)等）對(duì)電池進(jìn)行冷卻降溫處理，通常以通風(fēng)的方式實(shí)現(xiàn)冷卻。目前國內(nèi)儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)普遍采用強(qiáng)制冷卻的方式。 

雖然兩種冷卻方式涉及的冷卻結(jié)構(gòu)都較為簡單、便于安裝、制造成本較低，但對(duì)于電容量較大的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其散熱性能并不能滿足，且進(jìn)出口的電池組間溫差偏大，散熱不均勻。 

2. 液體冷卻 

液體冷卻是以液體為介質(zhì)進(jìn)行從傳熱的熱管理技術(shù)，簡稱液冷。根據(jù)北極星電力儲(chǔ)能網(wǎng)，防凍液的密度一般為空氣的 1000 倍，比熱容是空氣的 4 倍，因此作為熱量載體，液冷具備更大載熱量、流阻低、換熱效率高，因此在環(huán)境溫度變化大的場合得到廣泛應(yīng)用。 

此外，液冷系統(tǒng)由于密度高，而且可以和電池包高度集成，因此體積也相對(duì)較小，現(xiàn)場安裝方便，無需擔(dān)心灰塵、水汽凝結(jié)等問題。在熱失控前兆的情況下，液冷方案可依靠大流量的載冷介質(zhì)強(qiáng)制電池包散熱，并實(shí)現(xiàn)電池模塊間的熱量重新分配，快速抑制熱失控持續(xù)惡化。 

由于液體具有較高的熱容量和換熱系數(shù)，可以將低溫液體與高溫電池進(jìn)行熱量交換，從而達(dá)到降溫目的。液體冷卻速度快，對(duì)降低最高溫度、提升電池組溫度場一致性的效果顯著，同時(shí)，熱管理系統(tǒng)的體積也相對(duì)較小。 

此外，液冷系統(tǒng)的形式也較為靈活，可將電池單體或模塊沉浸在液體中，也可在電池模塊間設(shè)置冷卻通道，或在電池底部采用冷卻板。電池與液體直接接觸時(shí)，液體一般必須保證絕緣（如礦物油）以避免短路。另外，液冷系統(tǒng)對(duì)氣密性、機(jī)械強(qiáng)度、以及壽命的要求也較高。 

圖 2：液體冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)發(fā)熱元件與液體介質(zhì)的不同接觸方式，液冷又可以分為直接液冷、間接液冷。 

直接液冷，又稱為浸沒式液冷，即設(shè)備直接浸泡在液體中進(jìn)行冷卻，但目前尚未得到大規(guī)模使用，其難點(diǎn)在于冷卻液的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的密封性、系統(tǒng)內(nèi)部的壓力控制等。浸沒式液冷的工質(zhì)一般包括礦物油、氟化液兩類。

1）礦物油沸點(diǎn)高、不易揮發(fā)、密度要求低，但其粘度較大，設(shè)備從冷卻池取出后回附著大量工質(zhì)，處理難度大；

2）電子氟化液粘度低、易揮發(fā)，設(shè)備取出后無工質(zhì)附著問題，便于插拔線纜、更換板卡等。

不過由于電子氟化液沸點(diǎn)低、揮發(fā)性強(qiáng)，若設(shè)備密封性不足則會(huì)導(dǎo)致工質(zhì)逃逸，冷卻效率降低，此外，氟化液價(jià)格高昂，定期補(bǔ)液也會(huì)增加維護(hù)費(fèi)用，冷卻劑泄露也會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。

除此之外，使用低沸點(diǎn)工質(zhì)作為冷卻液時(shí)，還需要考慮設(shè)備內(nèi)部氣壓問題，若工質(zhì)沸騰會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部壓強(qiáng)持續(xù)增加，而工質(zhì)的冷凝環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，沸騰的氣體將不能及時(shí)重新野花，導(dǎo)致“爆缸”等事故。 

間接液冷，就是常見的冷板或冷頭+冷排的設(shè)計(jì)。元器件產(chǎn)生的熱量通過連續(xù)流動(dòng)著液體的冷板帶走，流經(jīng)冷排時(shí)熱量散逸，溫度降低，降溫后的流體再返回冷板，繼續(xù)吸熱，循環(huán)往復(fù)。

由于間接液冷不需要發(fā)熱器件與液體接觸，因此對(duì)發(fā)熱期間本身的改造和適配要求較小，目前冷板式液冷的成熟度相對(duì)較高，水冷散熱是目前最常用的間接液冷技術(shù)。冷板式液冷系統(tǒng)，通常由換熱液冷板、分液單元、熱交換單元、循環(huán)管路、冷卻液組成，其中，換熱冷板是由銅、鋁等高導(dǎo)熱金屬構(gòu)成的封閉腔體。 

圖 3：液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖（間接液冷）

按照管路的連接方式不同，間接液冷又可以進(jìn)一步分為串聯(lián)式、并聯(lián)式冷卻。

圖 4：串聯(lián)、并聯(lián)式液冷電池通道

在串聯(lián)式冷卻中，冷卻液體先進(jìn)入一個(gè)冷板腔體，散熱后再進(jìn)入下一個(gè)腔體，管路連接簡單，但不同部分的元器件會(huì)存在溫差。并聯(lián)式冷卻中，冷卻液在進(jìn)入不同前提前會(huì)進(jìn)行分流，然后再分別進(jìn)入腔體內(nèi)，散熱更高效，但管路系統(tǒng)復(fù)雜。 

實(shí)際上，任何傳熱介質(zhì)都涉及道串聯(lián)和并聯(lián)冷卻的問題。以汽車動(dòng)力電池為例，根據(jù)《串/并聯(lián)式冷卻流道設(shè)計(jì)對(duì)動(dòng)力電池?zé)峋庑孕Ч麑?duì)比分析》，液冷的冷卻效果要優(yōu)于風(fēng)冷，而相同介質(zhì)冷卻方式下，并聯(lián)的冷卻效果要優(yōu)于串聯(lián)。 

3. 相變材料冷卻

相，是指物理、化學(xué)性質(zhì)完全一致，并且與周圍其他物質(zhì)具有明顯邊界的物質(zhì)存在狀態(tài)，包括氣相、液相、固相三種。相變，即物質(zhì)從一種相到另外一種相的變遷，變化過程中溫度幾乎不變，但有明顯的吸熱、放熱現(xiàn)象，整個(gè)過程中吸收和放出熱量的綜合叫做相變潛熱。

自然界中存在很多種相變過程中，溫度變化較小，但吸放熱量大的材料，這種材料如果自身具備良好的導(dǎo)熱性能，則可以再很多熱管理場合應(yīng)用，通常被成為相變材料 (PCM,Phase Change Material)。 

相變材料用于熱管理，一般需要滿足幾個(gè)條件：

1）材料熱密度高，潛熱量大；

2）導(dǎo)熱率高，吸放熱速度快；

3）穩(wěn)定性好，不易分解或與周邊材料發(fā)生副反應(yīng)，使用周期長，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不良影響；

4）價(jià)格低廉。

圖 5：相變材料冷卻示意圖

相變材料冷卻，就是利用本身的相態(tài)轉(zhuǎn)換達(dá)到電池散熱目的。對(duì)電池而言，散熱效果最大的影響因素就是相變材料本身，材料的比熱容越大、傳熱系數(shù)越高，其冷卻效果越好，反之，效果越差。一般，相變材料的兩個(gè)指標(biāo)，相變潛熱、相變溫度，基本決定了一種材料所能試用的環(huán)境類型。相變潛熱越大，材料保持環(huán)境溫度恒定的能力越強(qiáng)。 

4. 熱管冷卻 

熱管冷卻，利用冷卻介質(zhì)物態(tài)變化時(shí)的系統(tǒng)吸放熱量實(shí)現(xiàn)冷卻。介質(zhì)在熱管吸收端的蒸發(fā)帶走熱量，并在放熱端通過冷凝將熱量釋放到外界中，從而實(shí)現(xiàn)冷卻電池的目的。 

圖 6：熱管冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

熱管一般由管殼、吸液芯、端蓋組成。熱管內(nèi)部一般被抽成負(fù)壓狀態(tài)，然后充入適當(dāng)液體（即工質(zhì)），液體通常要具有沸點(diǎn)低、易揮發(fā)的特點(diǎn)。管壁上裝有吸液芯，由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成，熱管一端為蒸發(fā)端（簡稱熱端），另一端為冷凝端（簡稱冷端）。當(dāng)熱管一端受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另一端，并釋放出熱量，凝結(jié)成液體，并沿多孔材料，在毛吸的作用下流回蒸發(fā)端，反復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)熱量由熱管的一端傳至另一端，這種循環(huán)一般在管內(nèi)是快速進(jìn)行的，熱量可以被不斷地傳導(dǎo)。雖然熱管內(nèi)也曾存在液體，但分量極小，且其循環(huán)也不必使用泵，而是借助重力或毛細(xì)力實(shí)現(xiàn)回流，因此不屬于液冷的范疇。 

熱管管殼大多為金屬無縫鋼管，根據(jù)不同需要一般可采用銅、鋁、碳鋼、不銹鋼、合金鋼等。端蓋具有多種結(jié)構(gòu)形式，外圓尺寸可稍小于管殼，配合后管殼突出部分可作為氬弧焊的熔焊部分，旋壓封頭式國內(nèi)外常采用的一種端蓋形式。吸液芯是熱管重要組成部分，其結(jié)構(gòu)形式直接影響熱管和熱管換熱器的性能，優(yōu)良的管芯應(yīng)具有足夠大的毛細(xì)抽吸壓力、較高的滲透率、良好的熱傳導(dǎo)特性等，管芯的構(gòu)造形式大致可以分為緊貼關(guān)閉的單層及多層網(wǎng)芯、燒結(jié)粉末管芯、軸向槽道式管芯、組合管芯等。 

本文標(biāo)題：儲(chǔ)能電池集裝箱散熱方式以及分類

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