中國(guó)儲(chǔ)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(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦并聯(lián)合500余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十四屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)暨展覽會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)“CIES”）在杭州國(guó)際博覽中心召開(kāi)。
CIES大會(huì)以“共建儲(chǔ)能生態(tài)鏈，共創(chuàng)儲(chǔ)能新發(fā)展”為主題，針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)等重點(diǎn)、熱點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題展開(kāi)充分探討，分享可持續(xù)發(fā)展政策機(jī)制、資本市場(chǎng)、國(guó)際市場(chǎng)、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(xiàng)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(lái)自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國(guó)內(nèi)外駐華機(jī)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(jī)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(cè)嘉賓將參加本屆CIES大會(huì)，儲(chǔ)能網(wǎng)視頻號(hào)線上直播11萬(wàn)人參與觀看與交流。其中300余家企業(yè)集中展示了儲(chǔ)能產(chǎn)品，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測(cè)認(rèn)證、飛輪儲(chǔ)能、液流電池、熔鹽儲(chǔ)熱、壓縮空氣儲(chǔ)能等新型儲(chǔ)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(zhǎng)、儲(chǔ)能逆變器研究院院長(zhǎng)徐俊在儲(chǔ)能溫控系統(tǒng)與安全專(zhuān)場(chǎng)分享了主題報(bào)告，報(bào)告題目《電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理和安全管控》。以下為報(bào)告主要內(nèi)容：
徐俊：謝謝大家。今天我們?cè)跁?huì)場(chǎng)也看到了很多展覽，現(xiàn)在儲(chǔ)能的產(chǎn)品已經(jīng)有很多熱管理和安全管控的措施。我們?cè)诟咝＠锩孀鲆恍┗A(chǔ)的研究工作，希望通過(guò)這次報(bào)告能夠給大家?guī)?lái)一定的啟發(fā)。由于時(shí)間關(guān)系部分細(xì)節(jié)內(nèi)容不做展開(kāi)，如果大家感興趣，會(huì)后可以再進(jìn)一步深入地交流。
報(bào)告的題目是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理和安全管控。儲(chǔ)能電池現(xiàn)在已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，我們?cè)谡箷?huì)現(xiàn)場(chǎng)也可以看到各種各樣的儲(chǔ)能產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)外有大量的政策來(lái)支撐電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，我們電池系統(tǒng)還存在很多問(wèn)題。各種應(yīng)用場(chǎng)景也對(duì)電池提出了安全性、密度、壽命等多樣的要求。針對(duì)這些要求，這里面非常關(guān)鍵的，也就是我們這個(gè)報(bào)告所主要來(lái)講的熱問(wèn)題。熱可以分為熱的安全性問(wèn)題、可靠性問(wèn)題和均衡性問(wèn)題。
安全性問(wèn)題是大家首先要關(guān)注的，阻礙電池儲(chǔ)能發(fā)展很大一部分原因就是大家對(duì)它的安全性不能很好地信任。再一個(gè)是可靠性，電池能使用多久，會(huì)不會(huì)在使用一段時(shí)間以后發(fā)生一定的故障或者是熱失控等問(wèn)題。最后是熱均衡性，熱不均衡的話電池的衰退也會(huì)不均衡，最終會(huì)造成整個(gè)電池系統(tǒng)特性大幅快速衰退。
針對(duì)這些問(wèn)題我們這個(gè)報(bào)告從結(jié)構(gòu)、模型、控制、故障診斷幾個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)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(lèi)。第一類(lèi)是空氣冷卻，這是前幾年或者前幾十年常用的形式。第二類(lèi)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(lèi)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(guò)程中吸熱和放熱，保證一定的溫度。第四類(lèi)是熱管冷卻，現(xiàn)在的筆記本等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中已經(jīng)在用了，在大儲(chǔ)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(lái)說(shuō)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(méi)式冷卻方式逐漸多起來(lái)。這幾個(gè)方面我們?cè)诤茉缰熬烷_(kāi)展了相關(guān)研究。我們?cè)诎四昵白隽艘恍┽槍?duì)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(gè)可擴(kuò)展性也非常好。
這是我們?cè)谖迥昵疤岢龅慕](méi)式多流道的冷卻系統(tǒng)，可以達(dá)到最大3C甚至更大的倍率，充放電的時(shí)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(huì)低于10%。
針對(duì)多流道冷卻系統(tǒng)做更進(jìn)一步的說(shuō)明：該系統(tǒng)的基礎(chǔ)是浸沒(méi)式冷卻。這兩天我在展位也看到了浸沒(méi)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(huì)有很多問(wèn)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(dá)到更好的效果。在這樣的要求下，我們對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化之前系統(tǒng)是如左圖展示的無(wú)流道系統(tǒng)，可觀察圖中流線的情況。如果沒(méi)有進(jìn)行任何約束，浸沒(méi)式冷卻液只會(huì)一部分流過(guò)電池表面，所以效果非常差。在此基礎(chǔ)上我們進(jìn)行流道分割，雖然也是浸沒(méi)式，但卻分割了流道。有圖對(duì)應(yīng)的是我們多流道結(jié)構(gòu)的結(jié)果。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需要增加成本也非常低。基于這個(gè)我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，最后我們跟現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行比較。現(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(gè)要求更低，就是底板上有這樣一個(gè)冷板，電池之間沒(méi)有冷板，對(duì)應(yīng)的冷卻效果會(huì)差一些。我們按照最好的冷卻效果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比項(xiàng)包括最大溫度、溫差和成組效率。右邊兩張圖，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)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?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)非常好的成組效率。
第二部分是電池?zé)崮Ｐ?。熱模型常?jiàn)的有很多模型，在此不做一一展開(kāi)。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(gè)三熱源等效熱阻模型。
我們進(jìn)行模型驗(yàn)證，首先是穩(wěn)態(tài)驗(yàn)證，左邊是熱成像儀情況，中間是實(shí)時(shí)計(jì)算的情況，這個(gè)溫差可以控制在一兩度以?xún)?nèi)，能夠很好地保證使用。我們用不同動(dòng)態(tài)工況進(jìn)行驗(yàn)證，這效果誤差在1.5度以?xún)?nèi)。用不一樣電池與外部的接觸材料進(jìn)行魯棒性測(cè)試，即改變外部條件來(lái)觀測(cè)效果如何。這是實(shí)際驗(yàn)證效果，包括不同的流速、溫度、擬合度也會(huì)非常高，精度也可以達(dá)到我們所需要的要求。
前面這部分是針對(duì)單體的情況，而在實(shí)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(chǔ)能里面要做成集裝箱的形式，需要進(jìn)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(gè)模型里面涉及了多物理場(chǎng)，包括電場(chǎng)、熱力場(chǎng)和流場(chǎng)，右邊是對(duì)應(yīng)的模型。對(duì)應(yīng)的溫度分布圖就是左下角所示的圖，這個(gè)圖大家可以看到跟我們仿真出來(lái)的溫度云圖比較相近，這個(gè)相當(dāng)于類(lèi)似于得到有限元的溫度場(chǎng)，而我們的運(yùn)算可以達(dá)到實(shí)時(shí)運(yùn)算，運(yùn)算時(shí)間在秒級(jí)的效果。
這是對(duì)應(yīng)多物理場(chǎng)耦合模型，這里不詳細(xì)講述，值得一提的是右圖，我們電池是級(jí)聯(lián)的，入口的溫度會(huì)有一個(gè)流動(dòng)增加的情況。
最后對(duì)我們單體模組到PACK整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，包括了單體級(jí)、模組級(jí)的驗(yàn)證，溫差都可以達(dá)到比較好的效果，這是整個(gè)電池包PACK級(jí)的，最后效果也是很不錯(cuò)。
最后跟有限元仿真的模型進(jìn)行對(duì)比，左上角上面對(duì)應(yīng)的是有限元仿真出來(lái)的模型，下面對(duì)應(yīng)的是我們提出的模型實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)的，我們的模型和有限元仿真模型誤差只在0.4攝氏度以?xún)?nèi)，效果很好。前面說(shuō)了很多誤差，我們?cè)诮ㄓ邢拊抡婺Ｐ偷臅r(shí)候也會(huì)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(yùn)算時(shí)間、運(yùn)算量更小。
這是我們實(shí)際搭的小實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，左邊是三個(gè)模組做成是小電池包，右邊是對(duì)應(yīng)的模型，左邊是實(shí)時(shí)測(cè)出來(lái)的，右邊是實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)的，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算，誤差很小。
第三部分是管理系統(tǒng)的控制。實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用中控制還是比較簡(jiǎn)單的，最常用的PID控制，簡(jiǎn)單地就是一個(gè)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?xì)化管理的控制。為什么叫精細(xì)化呢？我們?cè)谇懊婺玫搅穗姵匕臏囟确植记闆r，這是實(shí)時(shí)可以得到，可以將流量和入口溫度進(jìn)行更精確的控制，基于此，我們還要去做一些產(chǎn)熱預(yù)測(cè)，包括工況識(shí)別產(chǎn)熱預(yù)測(cè)，形成模型預(yù)測(cè)的控制方案，最后可以達(dá)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(diǎn)是溫差可以很小，同時(shí)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(duì)于儲(chǔ)能用處不是很大，像電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)等等這樣的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在低溫下電池的特性，什么時(shí)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(shí)還有一個(gè)重構(gòu)電路的自加熱方法，它的加熱速率都可以達(dá)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(shí)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?lái)進(jìn)行診斷，電池?zé)崾菚?huì)傳遞的，熱到一定程度以后變成熱失控，我們利用TA、TB、TC的溫度點(diǎn)，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(shí)別出來(lái)。通過(guò)我們的方法，PACK里面不管哪一個(gè)電池單體發(fā)生故障，都可以很好地去識(shí)別，而且可以定位是哪一個(gè)電池單體發(fā)生的故障。
最后簡(jiǎn)單介紹一下我們團(tuán)隊(duì)。今天我們的報(bào)告主題是熱管理，除此以外，我們團(tuán)隊(duì)還在做電池管理各方面的研究，從電池生產(chǎn)出來(lái)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(jì)、故障診斷、熱管理、復(fù)合儲(chǔ)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(gè)人的介紹，我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域里面也是做了有十幾年的工作，我們交大在整個(gè)儲(chǔ)能領(lǐng)域也是有很多的研究。
我所在的團(tuán)隊(duì)是教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)里面老師有20多個(gè)人，碩博士研究生有200多人。我自己名下的小團(tuán)隊(duì)有1個(gè)博士后，博士生有14人，碩士生和博士生加起來(lái)有三四十人的團(tuán)隊(duì)。歡迎大家交流。
以上就是這次匯報(bào)的主要內(nèi)容，非常感謝，謝謝大家。
