中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)電動(dòng)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(dāng)前電池散熱的要求。浸沒式液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組和動(dòng)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?yàn)槠錄]有過多的項(xiàng)目案例可供參考，所以對(duì)于很多公司在開始階段就會(huì)感覺對(duì)于一個(gè)全新的技術(shù)設(shè)計(jì)，就會(huì)無從下手，尤其是其中有三個(gè)后期驗(yàn)證問題比較多的三個(gè)方面，本文大概從冷卻介質(zhì)選擇，流場(chǎng)設(shè)計(jì)，安全可靠性這三個(gè)點(diǎn)，著重介紹一下可能出現(xiàn)的坑以及如何規(guī)避，做一個(gè)拋磚引玉，希望有機(jī)會(huì)可以進(jìn)一步和從事相關(guān)設(shè)計(jì)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(jì)，冷卻介質(zhì)的選擇幾乎決定了方案設(shè)計(jì)成功與否及后期可靠性的最為重要的一個(gè)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(xué)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(jì)初期，可以重點(diǎn)關(guān)注下面幾個(gè)參數(shù)：
1）粘度：粘度作為流體對(duì)流換熱最為重要的參數(shù)之一，直接影響后期整個(gè)流場(chǎng)的設(shè)計(jì)和冷卻效果，包括對(duì)于設(shè)備的可靠性，也會(huì)造成直接的影響，在流程設(shè)計(jì)的時(shí)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(duì)于系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)就會(huì)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(jì)不當(dāng)，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(gè)點(diǎn)也極易被設(shè)計(jì)者所忽視，我們?cè)?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(gè)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(gè)也是介質(zhì)選擇的重中之重，電池包內(nèi)各種材料多達(dá)40種，這里面還有很多的膠，塑料，聚氨酯材料，這些基本上對(duì)于有機(jī)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(duì)于介質(zhì)與材料兼容性，這個(gè)是不容妥協(xié)的，需要經(jīng)過完整的驗(yàn)證，而對(duì)于目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的336小時(shí)@80℃，筆者認(rèn)為這個(gè)驗(yàn)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(dāng)于驗(yàn)證時(shí)間加速一倍，那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)基本上等同于不到1年的實(shí)際使用效果，如果我們考慮整個(gè)硬件的使用壽命是10到15年的話，這個(gè)材料兼容性測(cè)試我個(gè)人認(rèn)為還要設(shè)計(jì)的更為嚴(yán)苛，這個(gè)可以和冷卻液提供廠家共同溝通。
3）化學(xué)安全性：這個(gè)也是一個(gè)非常容易被忽視的一個(gè)點(diǎn)，幾乎沒有被硬件設(shè)計(jì)者和介質(zhì)提供方考慮進(jìn)來，我們想，在浸沒的場(chǎng)景下，我們把所有的材料浸泡在絕緣介質(zhì)內(nèi)，那這也會(huì)有可能導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，其中就有可能產(chǎn)生有害氣體，這對(duì)于環(huán)境和人員都有可能造成傷害，所以，對(duì)于浸沒式這個(gè)設(shè)計(jì)，介質(zhì)與材料浸沒后的有害氣體也需要被考慮進(jìn)來，我認(rèn)為這可能比介質(zhì)本身的手口毒性測(cè)試還重要。
4）介質(zhì)老化性能：在我們做項(xiàng)目初期，我們所有的關(guān)注點(diǎn)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(jī)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(píng)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(hù)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(chǔ)能電池工作溫度波動(dòng)區(qū)間相對(duì)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(dòng)，以國(guó)內(nèi)已經(jīng)量產(chǎn)的一款儲(chǔ)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(duì)于后期的維護(hù)也非常重要，以國(guó)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(dá)到7-8%，是的，你沒聽錯(cuò)，一年介質(zhì)損耗這么多，那么我們后期的維護(hù)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(diǎn)：其實(shí)這是目前硬件設(shè)計(jì)做介質(zhì)選擇的時(shí)候，設(shè)計(jì)者認(rèn)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(gè)參數(shù)的設(shè)定，我們是走了一個(gè)錯(cuò)誤的方向，而忽視了本身硬件實(shí)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(huì)擊穿嗎？如果3.5kV都不會(huì)，為什么我們要求介質(zhì)的擊穿電壓是60kV，另外我們儲(chǔ)能系統(tǒng)的最高電壓是多少V？在什么場(chǎng)景下會(huì)出現(xiàn)60kV的場(chǎng)景？
另外一個(gè)就是關(guān)于閃點(diǎn)，因?yàn)殚W點(diǎn)與粘度是相反的關(guān)系，這個(gè)在下一個(gè)章節(jié)會(huì)介紹到，目前浸沒式冷卻的流場(chǎng)設(shè)計(jì)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(huì)因?yàn)檎扯鹊膯栴}對(duì)于流場(chǎng)的設(shè)計(jì)帶來非常大的挑戰(zhàn)，對(duì)于閃點(diǎn)，業(yè)內(nèi)一直有一個(gè)誤區(qū)就是閃點(diǎn)就是介質(zhì)的燃燒溫度，其實(shí)不是的，下面是一個(gè)以200度閃點(diǎn)為例的介質(zhì)在火燒和電擊穿下的表現(xiàn)，其實(shí)對(duì)于而關(guān)于閃點(diǎn)與電池?zé)崾Э氐年P(guān)系，我們也做了相關(guān)的研究，但是因?yàn)楸Ｃ艿脑?，不方便在這里分享，歡迎感興趣的讀者聯(lián)系我，我們單獨(dú)溝通。
最后，關(guān)于冷卻介質(zhì)的分類及選擇，在本公眾號(hào)的其它文章“浸沒式冷卻液的主要類型及性能特點(diǎn)”里有詳細(xì)的介紹，感興趣可以具體了解一下。
二、流道布局設(shè)計(jì)
作為浸沒式設(shè)計(jì)，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(gè)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(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等手段不斷優(yōu)化流道布局，以達(dá)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(jìn)行，耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源。
流阻與流量的平衡流道的設(shè)計(jì)需要在降低流動(dòng)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(huì)導(dǎo)致流阻增大，增加泵送功率；而流道過寬或過于簡(jiǎn)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(chǎng)景對(duì)流量和流阻的要求不同，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，流道中的局部阻力、進(jìn)出口的壓力損失等因素也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，增加了設(shè)計(jì)的難度。
設(shè)計(jì)流道布局時(shí)，要確保冷卻介質(zhì)能夠均勻地流經(jīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的各個(gè)部位，避免出現(xiàn)局部過熱的情況。可以采用多通道、分布式的流道設(shè)計(jì)，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(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析不同流道布局下的溫度分布情況，選擇最佳的設(shè)計(jì)方案。
流道的形狀和尺寸應(yīng)盡量減小流動(dòng)阻力，以降低冷卻系統(tǒng)的能耗。采用流線型的流道設(shè)計(jì)，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(jì)應(yīng)考慮到后期的維護(hù)和檢修需求，方便對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)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(dú)流道的設(shè)計(jì)來優(yōu)化液體的流動(dòng)
三、進(jìn)出口設(shè)計(jì)
在浸沒式冷卻設(shè)計(jì)中，進(jìn)出口是比較容易被忽視的一個(gè)地方，包括接插件接口，因?yàn)檫@些地方原本并不是針對(duì)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(duì)于浸沒式，流場(chǎng)的設(shè)計(jì)是最為難的部分，所以，要特別的考慮進(jìn)出口的布置，而且需要打破傳統(tǒng)的單進(jìn)單出的思路，可以采用多進(jìn)多出的方案，甚至可以考慮單獨(dú)設(shè)計(jì)流道，可以在關(guān)鍵部位噴油這種方式更能保障流場(chǎng)的一致性，下圖給了一些流道布置的思路，合理設(shè)計(jì)進(jìn)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(gè)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(duì)進(jìn)出口的流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整，以保證冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
密封性能：進(jìn)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(jìn)行嚴(yán)格的密封測(cè)試。定期檢查進(jìn)出口的密封情況，及時(shí)更換損壞的密封件。
不同的進(jìn)出口布置及流道設(shè)計(jì)對(duì)于液體流動(dòng)有非常大的影響
四、熱管理策略
溫度監(jiān)測(cè)與控制：在儲(chǔ)能系統(tǒng)中設(shè)置溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)部位的溫度變化。根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，調(diào)整冷卻介質(zhì)的流量、流速或溫度，以實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制。建立溫度控制系統(tǒng)，采用自動(dòng)控制算法，如 PID 控制等，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。
熱平衡設(shè)計(jì)：考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的熱負(fù)荷變化，設(shè)計(jì)合理的熱平衡方案。例如，在充電和放電過程中，熱負(fù)荷可能會(huì)有所不同，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整冷卻策略。利用熱交換器等設(shè)備，將儲(chǔ)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(jì)
壓力控制：冷卻系統(tǒng)中的壓力變化可能會(huì)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(duì)冷卻系統(tǒng)的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，確保在安全范圍內(nèi)運(yùn)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(duì)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，以便采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。制定應(yīng)急預(yù)案，在冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠迅速采取有效的措施，保障儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全。
六：密封與防護(hù)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(dòng)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(jìn)行嚴(yán)格的密封測(cè)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(hù)：因?yàn)閮?chǔ)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(hù)不當(dāng)，外部雜質(zhì)可能進(jìn)入流道，影響冷卻效果甚至損壞被冷卻物體。設(shè)計(jì)防護(hù)需要考慮防塵，防潮，防雨，防止鼠害等設(shè)計(jì)有效的防護(hù)措施，如過濾器、密封罩等，同時(shí)要考慮防護(hù)措施對(duì)系統(tǒng)性能和成本的影響。在一些惡劣的環(huán)境中，防護(hù)要求更高，設(shè)計(jì)難度也更大。
最后列舉一些目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)量產(chǎn)的浸沒式儲(chǔ)能市場(chǎng)案例：
南方電網(wǎng)梅州寶湖儲(chǔ)能電站
這是全球首個(gè)浸沒式液冷儲(chǔ)能電站，于 2023 年 3 月 6 日在五華縣河?xùn)|工業(yè)園投入運(yùn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(yùn)行，有效延長(zhǎng)了電池的使用壽命，整體提升了儲(chǔ)能電站的安全性能。按照每天 1.75 次充放測(cè)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(chǔ)能項(xiàng)目
江蘇省內(nèi)首臺(tái)正式投運(yùn)的浸沒式液冷儲(chǔ)能項(xiàng)目，規(guī)模為 120kW/210kWh。該項(xiàng)目采用 “泡澡” 的方式，將儲(chǔ)能電池直接浸沒在冷卻液中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池的直接冷卻降溫，保證了電池在最佳溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。并且該項(xiàng)目還創(chuàng)新推出了基于 openharmony 國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的儲(chǔ)能智慧能源結(jié)算終端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)用電的實(shí)時(shí)監(jiān)控和精確計(jì)算。
浙江紹興嵊州市停車場(chǎng)剡溪小學(xué)光儲(chǔ)充項(xiàng)目
項(xiàng)目包括 500kW/1720kWh 浸沒式液冷儲(chǔ)能系統(tǒng) 2 套、500kW/1720kWh 浸沒式液冷儲(chǔ)能系統(tǒng) 1 套。該項(xiàng)目充分發(fā)揮了能源儲(chǔ)備、削峰填谷的作用，有效改善了嵊州剡溪小學(xué)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(dú)立電池儲(chǔ)能站
這是粵港澳大灣區(qū)最大的新型儲(chǔ)能電站，易事特集團(tuán)承建了其浸沒式艙級(jí)管理液冷儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備集成，儲(chǔ)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(chǔ)能總量的五分之一，是我國(guó)一次性建成的最大電網(wǎng)側(cè)獨(dú)立儲(chǔ)能電站，也是我國(guó)首個(gè) 9 條技術(shù)路線一站集成的鋰電池儲(chǔ)能站。
