中國儲能網(wǎng)訊：3月10-13日，由工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司指導(dǎo)，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦并聯(lián)合500余家機構(gòu)共同支持的第十四屆中國國際儲能大會暨展覽會（簡稱“CIES”）在杭州國際博覽中心召開。
CIES大會以“共建儲能生態(tài)鏈，共創(chuàng)儲能新發(fā)展”為主題，針對儲能產(chǎn)業(yè)面臨的機遇與挑戰(zhàn)等重點、熱點、難點問題展開充分探討，分享可持續(xù)發(fā)展政策機制、資本市場、國際市場、成本疏導(dǎo)、智能化系統(tǒng)集成技術(shù)、供應(yīng)鏈體系、商業(yè)模式、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、示范項目應(yīng)用案例、新產(chǎn)品以及解決方案的普及和深化應(yīng)用。
來自行業(yè)主管機構(gòu)、國內(nèi)外駐華機構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構(gòu)等不同領(lǐng)域的2011余家產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈企業(yè)， 53417位線上注冊嘉賓將參加本屆CIES大會，儲能網(wǎng)視頻號線上直播11萬人參與觀看與交流。其中300余家企業(yè)集中展示了儲能產(chǎn)品，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測認證、飛輪儲能、液流電池、熔鹽儲熱、壓縮空氣儲能等新型儲能全產(chǎn)業(yè)鏈。
3月11日下午，西安交通大學(xué)教授、數(shù)字能源研究院院長、儲能逆變器研究院院長徐俊在儲能溫控系統(tǒng)與安全專場分享了主題報告，報告題目《電池儲能系統(tǒng)熱管理和安全管控》。以下為報告主要內(nèi)容：
徐俊：謝謝大家。今天我們在會場也看到了很多展覽，現(xiàn)在儲能的產(chǎn)品已經(jīng)有很多熱管理和安全管控的措施。我們在高校里面做一些基礎(chǔ)的研究工作，希望通過這次報告能夠給大家?guī)硪欢ǖ膯l(fā)。由于時間關(guān)系部分細節(jié)內(nèi)容不做展開，如果大家感興趣，會后可以再進一步深入地交流。
報告的題目是電池儲能系統(tǒng)的熱管理和安全管控。儲能電池現(xiàn)在已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，我們在展會現(xiàn)場也可以看到各種各樣的儲能產(chǎn)品。國內(nèi)外有大量的政策來支撐電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，針對實際的應(yīng)用場景，我們電池系統(tǒng)還存在很多問題。各種應(yīng)用場景也對電池提出了安全性、密度、壽命等多樣的要求。針對這些要求，這里面非常關(guān)鍵的，也就是我們這個報告所主要來講的熱問題。熱可以分為熱的安全性問題、可靠性問題和均衡性問題。
安全性問題是大家首先要關(guān)注的，阻礙電池儲能發(fā)展很大一部分原因就是大家對它的安全性不能很好地信任。再一個是可靠性，電池能使用多久，會不會在使用一段時間以后發(fā)生一定的故障或者是熱失控等問題。最后是熱均衡性，熱不均衡的話電池的衰退也會不均衡，最終會造成整個電池系統(tǒng)特性大幅快速衰退。
針對這些問題我們這個報告從結(jié)構(gòu)、模型、控制、故障診斷幾個方面進行說明。
第一部分是電池的熱管理結(jié)構(gòu)。電池?zé)峁芾淼慕Y(jié)構(gòu)大致分成以下幾類。第一類是空氣冷卻，這是前幾年或者前幾十年常用的形式。第二類是液體冷卻，現(xiàn)在大部分產(chǎn)品都已經(jīng)采用了液冷的方式。第三類是PCM冷卻和熱管冷卻，PCM是相變材料冷卻，可以利用相變材料在相變的過程中吸熱和放熱，保證一定的溫度。第四類是熱管冷卻，現(xiàn)在的筆記本等消費類電子產(chǎn)品中已經(jīng)在用了，在大儲能上面用得比較少。當(dāng)然還有一些復(fù)合型的結(jié)構(gòu)。總體來說目前的主流方向還是液體冷卻，液體冷卻還有很多不同的形式，主流的是液冷冷板的形式。最近幾年浸沒式冷卻方式逐漸多起來。這幾個方面我們在很早之前就開展了相關(guān)研究。我們在八年前做了一些針對圓柱電池模塊化冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將冷卻和結(jié)構(gòu)整合在一起形成互用，具有非常好的冷卻的效果，整個可擴展性也非常好。
這是我們在五年前提出的浸沒式多流道的冷卻系統(tǒng)，可以達到最大3C甚至更大的倍率，充放電的時候最大溫度可以控制在3攝氏度內(nèi)，溫差控制在2攝氏度，成組效率大于90%，也就是它的熱管理的附件在里面占的分量會低于10%。
針對多流道冷卻系統(tǒng)做更進一步的說明：該系統(tǒng)的基礎(chǔ)是浸沒式冷卻。這兩天我在展位也看到了浸沒式冷卻的系統(tǒng)，目前大部分系統(tǒng)只是把電池泡在里面。但是，電池泡在里面還會有很多問題，我們還應(yīng)追求電池的成組效率，用更少的冷卻液 、更小的附件質(zhì)量，可以達到更好的效果。在這樣的要求下，我們對它進行優(yōu)化。優(yōu)化之前系統(tǒng)是如左圖展示的無流道系統(tǒng)，可觀察圖中流線的情況。如果沒有進行任何約束，浸沒式冷卻液只會一部分流過電池表面，所以效果非常差。在此基礎(chǔ)上我們進行流道分割，雖然也是浸沒式，但卻分割了流道。有圖對應(yīng)的是我們多流道結(jié)構(gòu)的結(jié)果。該結(jié)構(gòu)簡單，所需要增加成本也非常低?；谶@個我們進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，最后我們跟現(xiàn)有的系統(tǒng)進行比較?，F(xiàn)有的系統(tǒng)包括管道式、平板式?，F(xiàn)在常用的產(chǎn)品比這個要求更低，就是底板上有這樣一個冷板，電池之間沒有冷板，對應(yīng)的冷卻效果會差一些。我們按照最好的冷卻效果進行對比。對比項包括最大溫度、溫差和成組效率。右邊兩張圖，對應(yīng)設(shè)計優(yōu)化的多流道系統(tǒng)，它比現(xiàn)有的系統(tǒng)最大溫度能降低幾度，溫差也可以控制在一度以內(nèi)，實現(xiàn)非常好的成組效率。
第二部分是電池?zé)崮Ｐ?。熱模型常見的有很多模型，在此不做一一展開。我們提出了電熱耦合的模型。在生熱部分把等效電路模型的電阻分布到需要產(chǎn)熱的部分，形成分布式的等效電阻模型。熱阻部分形成了右邊所示的熱阻圖。最后我們得到了一個三熱源等效熱阻模型。
我們進行模型驗證，首先是穩(wěn)態(tài)驗證，左邊是熱成像儀情況，中間是實時計算的情況，這個溫差可以控制在一兩度以內(nèi)，能夠很好地保證使用。我們用不同動態(tài)工況進行驗證，這效果誤差在1.5度以內(nèi)。用不一樣電池與外部的接觸材料進行魯棒性測試，即改變外部條件來觀測效果如何。這是實際驗證效果，包括不同的流速、溫度、擬合度也會非常高，精度也可以達到我們所需要的要求。
前面這部分是針對單體的情況，而在實際應(yīng)用中不可能只看單體，我們要去做成電池模組，我們儲能里面要做成集裝箱的形式，需要進一步去拓展，把單體的模型拓展到模組，最后拓展到包或者箱。我們形成了這樣全溫度分布的模型，這個模型里面涉及了多物理場，包括電場、熱力場和流場，右邊是對應(yīng)的模型。對應(yīng)的溫度分布圖就是左下角所示的圖，這個圖大家可以看到跟我們仿真出來的溫度云圖比較相近，這個相當(dāng)于類似于得到有限元的溫度場，而我們的運算可以達到實時運算，運算時間在秒級的效果。
這是對應(yīng)多物理場耦合模型，這里不詳細講述，值得一提的是右圖，我們電池是級聯(lián)的，入口的溫度會有一個流動增加的情況。
最后對我們單體模組到PACK整個系統(tǒng)進行驗證，包括了單體級、模組級的驗證，溫差都可以達到比較好的效果，這是整個電池包PACK級的，最后效果也是很不錯。
最后跟有限元仿真的模型進行對比，左上角上面對應(yīng)的是有限元仿真出來的模型，下面對應(yīng)的是我們提出的模型實時計算出來的，我們的模型和有限元仿真模型誤差只在0.4攝氏度以內(nèi)，效果很好。前面說了很多誤差，我們在建有限元仿真模型的時候也會有相應(yīng)的誤差，我們可以跟有限元仿真模型具有很好的可比性，但是我們的運算時間、運算量更小。
這是我們實際搭的小實驗平臺，左邊是三個模組做成是小電池包，右邊是對應(yīng)的模型，左邊是實時測出來的，右邊是實時計算出來的，能夠?qū)崟r計算，誤差很小。
第三部分是管理系統(tǒng)的控制。實際的產(chǎn)品應(yīng)用中控制還是比較簡單的，最常用的PID控制，簡單地就是一個比例的控制。我們學(xué)校里面總是想去做一些研究，看能不能優(yōu)化提升一下?；诖宋覀兲岢隽司毣芾淼目刂啤槭裁唇芯毣?？我們在前面拿到了電池包整包的溫度分布情況，這是實時可以得到，可以將流量和入口溫度進行更精確的控制，基于此，我們還要去做一些產(chǎn)熱預(yù)測，包括工況識別產(chǎn)熱預(yù)測，形成模型預(yù)測的控制方案，最后可以達到很好的溫度控制效果。跟現(xiàn)有的PID等規(guī)則比較，可以很快地把溫度穩(wěn)定在我們需要的范圍內(nèi)，更重要的一點是溫差可以很小，同時它所需要損耗的能量，也就是熱管理所需要的耗能能夠減少50%以上。
我們還有一些電池低溫自加熱，對于儲能用處不是很大，像電動汽車、電動摩托車等等這樣的系統(tǒng)來說，在低溫下電池的特性，什么時候去充電提出了很多的要求，我們也提出了多種方法，包括混合式的自加熱的方法。我們同時還有一個重構(gòu)電路的自加熱方法，它的加熱速率都可以達到6秒每攝氏度水平，等兩三分鐘左右電池可以加熱到我們所需要的溫度范圍內(nèi)。
第四部分是電池的故障診斷。這部分的研究其實有很多，我們主要講的是熱故障診斷。熱故障相當(dāng)于我們只用電池?zé)岬男畔磉M行診斷，電池?zé)崾菚鬟f的，熱到一定程度以后變成熱失控，我們利用TA、TB、TC的溫度點，基于我們所建立的模型可以去做故障診斷，相當(dāng)于把發(fā)生故障的電池識別出來。通過我們的方法，PACK里面不管哪一個電池單體發(fā)生故障，都可以很好地去識別，而且可以定位是哪一個電池單體發(fā)生的故障。
最后簡單介紹一下我們團隊。今天我們的報告主題是熱管理，除此以外，我們團隊還在做電池管理各方面的研究，從電池生產(chǎn)出來到電池拆解，中間這一段我們都有在做，包括電池的模型基礎(chǔ)研究、狀態(tài)估計、故障診斷、熱管理、復(fù)合儲能、均衡重構(gòu)、電池不一致性的電均衡和熱均衡、BMS電池管理的硬件等等。
這是我個人的介紹，我們在這個領(lǐng)域里面也是做了有十幾年的工作，我們交大在整個儲能領(lǐng)域也是有很多的研究。
我所在的團隊是教育部創(chuàng)新團隊，我們整個團隊里面老師有20多個人，碩博士研究生有200多人。我自己名下的小團隊有1個博士后，博士生有14人，碩士生和博士生加起來有三四十人的團隊。歡迎大家交流。
以上就是這次匯報的主要內(nèi)容，非常感謝，謝謝大家。
