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摘 要 隨著鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，大規(guī)模鋰離子電池儲能電站從示范逐漸走向商業(yè)化應(yīng)用。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計是提升儲能系統(tǒng)集成綜合性能的關(guān)鍵技術(shù)，通過溫度的控制不僅可以有效延長儲能電池壽命、提升放電容量等，而且可以確保電站安全運行。電池作為大型電化學(xué)儲能電站的載體，熱安全問題的解決刻不容緩。本文對比了風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻和熱管冷卻4種散熱技術(shù)的溫降、溫度均一性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)成熟度等，液冷散熱系統(tǒng)在大容量鋰離子電池儲能系統(tǒng)中更具優(yōu)勢。液冷散熱系統(tǒng)設(shè)計包括冷卻劑通道、冷板形狀、冷卻液等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計，并可通過與其他散熱方式進(jìn)行復(fù)合優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的電熱性能；通過控制目標(biāo)、控制算法的優(yōu)化，可實現(xiàn)電池模塊溫度的智能化、精準(zhǔn)化控制，并提高熱管理系統(tǒng)效率。液冷散熱技術(shù)仍需從系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計、控制策略優(yōu)化、應(yīng)用需求進(jìn)行多角度優(yōu)化，從而既能實現(xiàn)溫度控制的效果，又能滿足經(jīng)濟(jì)高效的應(yīng)用目標(biāo)。
關(guān)鍵詞 液冷；熱管理；參數(shù)優(yōu)化；散熱性能；策略優(yōu)化
隨著新型電力系統(tǒng)構(gòu)建和能源低碳轉(zhuǎn)型，儲能技術(shù)作為一種重要的新型電力系統(tǒng)手段，能夠靈活調(diào)節(jié)資源，可發(fā)揮不同時間尺度的電力電量平衡作用，支撐大規(guī)模新能源并網(wǎng)，緩解局部電網(wǎng)供需不平衡。根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)不完全統(tǒng)計，截至2023年底，中國已投運電力儲能項目累計發(fā)電86.5 GW，新型儲能同比增長了18.2%，其中鋰電由2022年的94%提升至97.3%，占主要地位。鋰離子電池因其能量密度高、壽命長等優(yōu)點，得到新型儲能電站大量應(yīng)用。在極端環(huán)境下，鋰離子電池會受到影響，溫度過低時，電池的可用容量減小，并會出現(xiàn)鋰枝晶；溫度過高時，電池內(nèi)部的熱量快速聚集，會引發(fā)熱失控。以10 MWh的鋰離子儲能電站為例，若采用單體容量280 Ah的磷酸鐵鋰電池，則電站中單體電池數(shù)量高達(dá)數(shù)萬個。龐大的電池數(shù)量對儲能電站性能以及安全性管理提出了巨大挑戰(zhàn)。
近些年來，全球電池儲能電站起火事件屢有發(fā)生。通過調(diào)研分析，主要起火原因歸納見表1。根據(jù)事故分析來看，內(nèi)部短路是造成火災(zāi)的主要原因。發(fā)生內(nèi)短路后有三個階段：第一階段是發(fā)生極為緩慢的自放電，溫度無明顯變化；第二階段是電壓下降很快，溫度發(fā)生明顯上升；第三階段是熱失控的出現(xiàn)。采取合理高效的鋰離子電池?zé)峁芾聿呗圆粌H可避免熱失控的發(fā)生，而且可提升電站中電池溫度分布均勻性，有利于延長電池運行壽命。
表1 儲能電站起火事件原因分析
為防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生，科研人員已開展多類型散熱技術(shù)研究。圖1從溫度一致性、溫降、散熱效率、系統(tǒng)簡單程度等方面對比了各類散熱技術(shù)的應(yīng)用效果。對于不同散熱方式進(jìn)行賦分，滿分5分，越接近5分表明散熱技術(shù)性能越好。
圖1 不同散熱技術(shù)效果對比
風(fēng)冷和液冷是電化學(xué)儲能電站主流的熱管理方式。相對風(fēng)冷而言，液冷系統(tǒng)較復(fù)雜，主要包括制冷劑系統(tǒng)和防凍液系統(tǒng)，與電池模塊有直接接觸和間接接觸兩種方式，里面含水冷板、水冷管、水冷系統(tǒng)、換熱風(fēng)機(jī)等。液體比熱容和熱導(dǎo)率比空氣高，更適合應(yīng)用于高功率的儲能系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、新能源汽車等。在大規(guī)模儲能系統(tǒng)中，液冷技術(shù)更有利于提升系統(tǒng)一致性和集成度。
1 單一/復(fù)合液冷散熱系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵因素
液冷散熱系統(tǒng)主要由冷卻液、散熱器組成，影響液冷系統(tǒng)的主要因素有：冷板形狀、冷卻液溫度、冷卻液介質(zhì)、冷卻液通道等。目前的研究主要聚焦在上述因素的優(yōu)化及液冷與其他方式的復(fù)合設(shè)計上。
1.1 單一液冷散熱系統(tǒng)
1.1.1 冷卻劑通道
（1）液冷通道
液冷通道是液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(battery thermal management system，BTMS)的重要組成部分，通過液冷通道實現(xiàn)電池與外界的熱量交換降低電池組溫度。通過對液冷通道的改進(jìn)，可以提高傳熱效率、降低能耗。微通道因其強(qiáng)有效的傳熱特性、小尺寸設(shè)計以及精準(zhǔn)的溫控能力，成為當(dāng)前研究熱點之一。Zhao等]提出了一種基于微通道嵌入的圓形液冷BTMS，仿真發(fā)現(xiàn)在5C高倍率放電下，最高溫度仍可以保持在40 ℃以內(nèi)。微通道設(shè)計主要涉及對幾何尺寸以及不同流向優(yōu)化，An等提出在電池兩側(cè)均勻布置微通道，仿真發(fā)現(xiàn)沿著電池厚度方向會比沿著長度方向的溫度梯度大很多，單側(cè)冷卻能夠有效控制系統(tǒng)最大溫差小于3 ℃，同時降低成本。Lan等為了探究電池溫度變化情況，設(shè)計了5種不同流向的微通道，見圖2。仿真結(jié)果表明：第一種方案下電池最高溫度以及溫差最小。
圖2 采用不同流向設(shè)計的微通道(藍(lán)色箭頭代表流入，橙色箭頭代表流出)
（2）液冷通道數(shù)
在液冷系統(tǒng)中，通道數(shù)對系統(tǒng)液冷性能至關(guān)重要。液冷通道數(shù)是決定冷卻液流量的關(guān)鍵因素，考慮到系統(tǒng)溫度以及能耗等多方面因素，較多研究報道了液冷通道數(shù)對散熱性能的影響規(guī)律。Mao等提出了微通道液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，通過仿真研究發(fā)現(xiàn)通道數(shù)對最高溫度的影響呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。Liu等為改善溫度均一性，提出了通道數(shù)參數(shù)對電池溫度的影響，采用四因素水平正交實驗進(jìn)行仿真。通道數(shù)從10增加到16時，仿真結(jié)果表明：通道數(shù)為15時，20 Ah袋式鋰離子電池最高溫度和溫差分別下降了1.12 ℃和1.64 ℃。更有學(xué)者在冷板形狀和通道數(shù)上進(jìn)一步優(yōu)化，找出更適宜的通道數(shù)。Zhang等探究了通道數(shù)對直道和斜道冷板性能影響，提出在直槽冷板的基礎(chǔ)上設(shè)計斜槽。仿真結(jié)果表明：通道數(shù)為奇數(shù)時，壓力損失較小，更有利于散熱。
（3）冷卻通道長寬比
在液冷系統(tǒng)中，冷卻通道長寬比直接影響熱交換性能的關(guān)鍵參數(shù)。一般而言，較大的長寬比會提供更多的表面積，從而增強(qiáng)熱交換的能力，但與此同時系統(tǒng)阻力以及能耗會隨之增加。Ding等對不同通道長寬比的液冷系統(tǒng)進(jìn)行研究，考慮6種長寬比：1∶1、3∶1、5∶1、7∶1、9∶1、20∶1。在3C和5C放電速率下進(jìn)行仿真模擬。結(jié)果表明：隨著長寬比的增大，溫度曲線呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。Rehman等在通道轉(zhuǎn)彎處布置不同形狀散熱片，仿真發(fā)現(xiàn)通道長寬比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，液冷系統(tǒng)的傳熱效率提升了24%。
1.1.2 冷板形狀
液冷板形狀的不同，會改變冷卻液在流道中流過的面積、冷卻液流速以及冷卻液分配，從而影響散熱效果。直通道冷卻板雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其冷卻效果常常未能如人所愿，因此許多學(xué)者關(guān)注于研究其他形狀的冷卻板，提出了一系列新型的冷卻板設(shè)計，用于改善散熱效果。目前，冷板形狀主要包括直行、波形、蛇形以及斜翅片形，波形冷板與圓柱形電池貼合度高，有一定的接觸角，能夠確保電池的散熱。蛇形冷板有經(jīng)濟(jì)性好、流動損失小的優(yōu)點，但存在壓力損失大、功率高的問題。與傳統(tǒng)的直行冷板相比，斜翅片形冷板可以增大傳熱系數(shù)，從而提高傳熱的能力。
（1）波形冷板
波形冷板是一種波浪形結(jié)構(gòu)的散熱板，其形狀與U形接近，波浪結(jié)構(gòu)能夠有效增加空氣與冷板的接觸，從而提高冷卻能力。Li等為驗證波形冷板冷卻能力優(yōu)于直行冷板，進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：在5C高放電倍率下，波形通道設(shè)計會比傳統(tǒng)直道設(shè)計的最高溫度和溫差分別降低12.8 ℃和5.3 ℃。也有學(xué)者開展了這項研究，Dong等設(shè)計了波形來增強(qiáng)熱交換。仿真結(jié)果表明：該設(shè)計與傳統(tǒng)直道設(shè)計相比，最高溫度和溫差會降低6.8%和41%。為進(jìn)一步改善波形冷板的冷卻效果，Cao等建立三維數(shù)值模型，采用波形液冷通道，曲率與鋰電池相匹配。仿真結(jié)果表明：在流量為36 L/min的2C放電倍率下，最高溫度和溫差分別為39 ℃和11 ℃，在維持電池溫度方面表現(xiàn)出色。
（2）蛇形冷板
文獻(xiàn)報道蛇形冷板可以大大改善冷卻液流量分布不均勻的問題，從而提升電池組內(nèi)溫度均勻性。Jarrett等以乙二醇水溶液作為冷卻劑并通過內(nèi)部通道形狀優(yōu)化提升了冷卻效率。仿真結(jié)果表明：冷卻液流量和形狀通過優(yōu)化設(shè)計可達(dá)到最佳冷卻效果，溫度下降約15%。Deng等研究電動汽車用液態(tài)水作為冷卻劑，設(shè)計蛇形結(jié)構(gòu)冷板。仿真結(jié)果表明：冷板形狀和通道流動方向可通過合理設(shè)計使得最高溫度僅為40.796 ℃。E等設(shè)計了一種具有可變特性的蛇形冷板，定義了通道寬度lw和通道彎曲半徑ri兩個變量。仿真結(jié)果表明：若lw與ri之比大，熱阻以及壓力損失小，冷卻效果最佳。
（3）斜翅片形冷板
研究表明，斜翅片形冷板可有效改善冷卻液流動狀況，并能通過參數(shù)優(yōu)化提升冷卻性能。Jin等針對電池表面溫度過高的問題，提出對斜翅片角度和寬度進(jìn)行優(yōu)化。實驗結(jié)果表明：優(yōu)化后的斜翅片形冷板可將電池表面溫度控制在50 ℃以下。Fu等為改善溫度不均一性，提出對斜翅片鰭角(15°、30°、45°)和鰭長(8 mm、10 mm、12 mm)進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鰭角為30°和鰭長為8 mm的斜翅片溫差以及壓力損失最小，有效改善了溫度分布不均勻。Xia等為了進(jìn)一步增強(qiáng)散熱，提出了增加斜翅片、冷卻劑提高熱導(dǎo)率和增大電池與冷板的接觸面積等方法。仿真和實驗結(jié)果表明：優(yōu)化后電池組的最高溫度和溫度差分別降低了1 ℃和2 ℃，能夠有效起到制冷作用。Aldosry等采用斜翅片和不同類型的冷卻劑來達(dá)到強(qiáng)化換熱的效果。實驗結(jié)果表明：斜翅片和冷卻液的優(yōu)化設(shè)計可達(dá)到最佳散熱效果，電池表面溫度保持在50 ℃以內(nèi)。
針對液冷板的形狀及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，表2總結(jié)了典型液冷板的性能特點。
表2 典型冷板性能特點
1.1.3 冷卻液
冷卻液在液冷系統(tǒng)中扮演著重要角色，既是熱量傳遞的介質(zhì)[35]，也是實現(xiàn)電池組溫度控制的重要因素。目前，研究較多的冷卻液包括水、乙二醇水溶液、礦物油。此外，還有一些新型冷卻液正在研究開發(fā)，如1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、氫氟醚和納米流體冷卻液。
（1）R134a
R134a為無色透明液體，有淡乙醚氣味，沸點影響其相變過程，而熱導(dǎo)率直接決定傳熱速率。Al-Zareer等采用R134a為電池組冷卻劑，構(gòu)建全浸沒的電池組模型。結(jié)果表明：在5C放電速率下，電池最高溫度和最大溫差分別保持在40 ℃和7 ℃。Wang等為改善電池組溫度的均勻性，提出用R134a 作為冷卻劑，建立電池組模型。仿真結(jié)果表明：在2C放電速率下，電池組溫度均勻性保持在5 K之內(nèi)。Wang等提出了一種基于R134a制冷劑的BTMS，用于改善座艙熱并滿足低溫時加熱電池要求，同時也要滿足電池散熱要求。仿真結(jié)果表明：電池最大溫差5.2 ℃，可以很好維持電池內(nèi)部的溫度均勻性。
（2）氫氟醚
氫氟醚是一種無色、易揮發(fā)的液體，因其能快速揮發(fā)，吸收周圍環(huán)境熱量，從而起到降溫的作用。Tan等提出在快充電池組用氫氟醚作為冷卻劑。實驗發(fā)現(xiàn)：采用多層和交叉流動時，最大溫差降低了18.1%。Hirnao等提出將鋰電池串聯(lián)形成電池組直接浸入氫氟醚液體中。實驗結(jié)果表明：在20C高倍率放電速率下，電池溫度可以很好地維持在35 ℃左右。An等將電池通過銅件串聯(lián)起來形成電池組，冷板中以氫氟醚作為冷卻液。實驗結(jié)果表明：氫氟醚作為冷卻劑的系統(tǒng)具有很好的冷卻效果，電池組最高溫度和最大溫差分別可以維持在40 ℃和4 ℃。
（3）納米流體
納米流體最早由美國Argonne實驗室的Choi等率先提出，納米流體中的顆粒尺寸較小，便于流動，從而有效提高了熱傳導(dǎo)性能。Mondal等提出了一種含有Al2O3或CuO納米顆粒膠體懸浮液的納米流體冷卻劑。仿真結(jié)果表明：納米流體的熱導(dǎo)率優(yōu)異提高了冷卻性能，納米流體的熱導(dǎo)率約為水的55倍。Huo等為了優(yōu)化圓形電池冷卻系統(tǒng)的散熱性能，采用Al2O3-水納米流體作為冷卻劑。仿真結(jié)果表明：體積分?jǐn)?shù)為0.04的冷卻劑會比純水作為冷卻劑的系統(tǒng)平均溫度降低7%。
表3列出了R134a、氫氟醚以及Al2O3納米流體3種冷卻液的物質(zhì)參數(shù)及冷卻性能，可以看出Al2O3顆粒納米流體熱導(dǎo)率很高，但適用溫度范圍很窄。
表3 3種冷卻液性能分析
1.1.4 典型冷卻系統(tǒng)設(shè)計
表4通過對電池類型、冷板形狀以及冷卻液進(jìn)行對比，對不同形狀的電池進(jìn)行實驗和研究，可以發(fā)現(xiàn)針對不同形狀的電池，設(shè)計出具有針對性的通道形狀并選擇適合的冷卻液是非常重要的。通過優(yōu)化通道形狀和冷卻液類型，可以有效地改善電池溫度控制，提高電池的性能并延長壽命。對于液冷系統(tǒng)冷卻性能的提升，可調(diào)整冷板形狀內(nèi)部尺寸因素(長寬、半徑、角度等)，也可通過調(diào)整外部因素來降低充放電倍率和提高冷卻液流量等。文獻(xiàn)[45-47]表明：在熱管理設(shè)計中，不僅應(yīng)考慮溫度控制的效果，還應(yīng)充分考慮熱管理系統(tǒng)的綜合能耗。優(yōu)化電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時，應(yīng)衡量降低電池溫度和由于溫控帶來的能耗成本之間的關(guān)系。
表4 不同變量對溫度的影響
1.2 復(fù)合液冷散熱系統(tǒng)
單一散熱方式都有各自的優(yōu)缺點，如風(fēng)冷容易受外界環(huán)境的影響，換熱能力差；液冷能耗較高，可能出現(xiàn)泄漏的問題。通過不同散熱系統(tǒng)的復(fù)合，可發(fā)揮單一散熱方式的優(yōu)勢，改善冷卻效果。目前，復(fù)合液冷系統(tǒng)主要形式有：液冷與相變材料(PCM)復(fù)合、液冷與熱管復(fù)合和液冷與風(fēng)冷復(fù)合。
1.2.1 風(fēng)冷與液冷結(jié)合
風(fēng)冷與液冷相結(jié)合的散熱系統(tǒng)不僅可以根據(jù)動態(tài)工況進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，而且能夠更好適應(yīng)不同溫度和工況下的熱管理需求。Wang等提出了一種強(qiáng)制將空氣與液冷板相結(jié)合的冷卻方法，與冷板散熱相比，電池組最高溫度和溫差分別降低了3.45 K、3.88 K。Yang等針對圓形鋰離子電池溫度沿冷卻液流動方向升高的問題，提出了一種液冷與風(fēng)冷相結(jié)合的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。通過增加冷板和通道數(shù)量提升冷卻性能，與此同時，根據(jù)電池模塊溫度控制風(fēng)扇，從而實現(xiàn)風(fēng)冷與液冷相結(jié)合。仿真結(jié)果表明：采用風(fēng)冷與液冷相結(jié)合的混合系統(tǒng)，最高溫度降低至304.98 K，最大溫差可以控制在5 K以內(nèi)。Li等針對電池模組散熱和溫度不均勻，提出了多通道并聯(lián)液冷和風(fēng)冷結(jié)合的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。建立風(fēng)冷與液冷模型，空氣流過電池間隙的同時，水作為液冷板中的制冷劑有效散熱，從而改善冷卻效果。仿真結(jié)果表明：電池組的最高溫度可以控制在45 ℃以內(nèi)，溫差控制在2 ℃以內(nèi)。
1.2.2 相變材料與液冷結(jié)合
液冷與相變材料結(jié)合的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，可以解決電池組在高強(qiáng)度充放電工況下的散熱問題。相變材料高強(qiáng)度運行時，冷卻性能不滿足要求，往往通過與液冷相結(jié)合的方式來解決散熱問題。為了阻止熱失控傳播，Zhang等提出了一種基于PCM和液冷結(jié)合的BTMS。在發(fā)生熱失控的情況下，PCM起到熱緩沖作用，通過液冷系統(tǒng)散熱，避免了熱失控的傳播。仿真結(jié)果表明：PCM與液冷結(jié)合的混合系統(tǒng)可以解決由PCM熱導(dǎo)率升高而引起的熱失控傳播的問題，電池最高溫度為93.3 ℃，相比單一液冷系統(tǒng)，溫度下降63.5 ℃?？紤]到相變材料具有很強(qiáng)的蓄熱能力，以及液冷優(yōu)良的冷卻效果，有學(xué)者提出將相變材料與液冷相結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用于電動汽車。Rao等提出將PCM與微通道相結(jié)合的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。仿真結(jié)果表明：僅有PCM冷卻時預(yù)測最高溫度為335.4 K，但該混合系統(tǒng)的預(yù)測最高溫度為320.6 K。由于圓柱形電池表面彎曲且應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時所需數(shù)量較多，因此有學(xué)者提出蜂窩狀電池，在散熱時相變材料可以很好地包裹電池組，輔之液冷能夠?qū)㈦姵亟M溫度維持在合適的范圍內(nèi)。Yang等提出了一種液冷微通道和PCM集成的六邊形蜂窩狀BTMS，建立六邊形蜂窩狀的電池組模型。仿真結(jié)果表明：與矩形冷板相比，該混合系統(tǒng)最高溫度和溫差分別下降0.36 K、2.3 K。
1.2.3 熱管與液冷結(jié)合
基于熱管傳熱效率高以及重量較輕的特性，逐漸將其引入電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，有學(xué)者提出熱管與液冷相結(jié)合的方法。He等采用正交設(shè)計和模糊灰色關(guān)聯(lián)分析作為評價方法，建立液冷模型。仿真結(jié)果表明：鋁板的覆蓋角度對系統(tǒng)冷卻效果的影響最大，而對熱管的覆蓋角度影響最小，最高溫度和溫差分別為37.58 ℃、3.67 ℃。為了提高電池模塊溫度均勻性，Tang等建立了方形電池單體模型。仿真結(jié)果表明：與單向流動相比，該混合系統(tǒng)最高溫度和溫差分別降低了8.7%、13.5%。在液冷與熱管相結(jié)合散熱時，有學(xué)者對冷卻劑通道進(jìn)行優(yōu)化，Li等用LiFePO4電池為實驗對象，實驗與仿真結(jié)果吻合較好。通過正交實驗設(shè)計，優(yōu)化通道高度、通道長度和通道彎曲的管徑來提高冷卻性能。結(jié)果表明：與原設(shè)計相比，電池最高溫度和溫差分別降低了6.95%、11.08%。
總的來說，可以概括為以下幾個要點。
①風(fēng)冷是復(fù)合系統(tǒng)的重要組成部分，因其技術(shù)成熟度高、工程造價低、難度小，得到了廣泛應(yīng)用。
②液冷可更好地滿足大型儲能電站的溫度均勻性要求，也可有效解決高倍率放電問題，也是特定場景中復(fù)合系統(tǒng)的優(yōu)選技術(shù)。
③相變材料針對特殊場景可作為輔助系統(tǒng)使用，但目前尚未工程化，存在長期使用后材料性能可能出現(xiàn)下滑以及成本較高等未知因素。
④熱管對特殊場景效果顯著，但存在尺寸及重量限制以及成本較高等因素，目前尚未工程化。
2 熱管理控制策略
熱管理系統(tǒng)是保證儲能電站安全運行的關(guān)鍵，而熱管理策略是熱管理系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，同時熱管理策略的實現(xiàn)目標(biāo)就是對溫度的有效控制。儲能熱管理系統(tǒng)包括硬件和軟件，硬件是實現(xiàn)溫度控制的執(zhí)行者，包括溫度傳感器和散熱器等。軟件即控制策略，是通過集成算法等，實現(xiàn)對溫度的動態(tài)監(jiān)測。當(dāng)前，熱管理控制策略主要研究方向為控制目標(biāo)、控制策略算法等。
2.1 控制目標(biāo)
電池?zé)峁芾砜刂仆ㄟ^算法以及硬件之間的配合，將電池組的溫度維持在理想工作范圍內(nèi)，降低電池組內(nèi)部溫度的不均勻性，延長電池壽命。目前，熱管理系統(tǒng)的控制目標(biāo)主要有四類：一是電池健康狀態(tài)(SOH)，二是電池組間溫度差異，三是能耗，四是重量。
Xie等采用由MPC(模型預(yù)測控制)控制器、車輛速度預(yù)測器(VSP)、電池目標(biāo)溫度自適應(yīng)器(SABTT)和BTMS性能模型組成的BTMS智能控制策略。實驗結(jié)果表明：電池實際溫度與目標(biāo)溫度最大差值僅為0.66 ℃，平均溫差為1.03 ℃，能耗降了14.1%。這表明BTMS智能控制策略不僅有很好的溫控能力，還有更長的壽命(延長約0.010%)。此外，F(xiàn)an等采用SOH、電池間溫差以及系統(tǒng)能耗的權(quán)重系數(shù)法，提出動態(tài)規(guī)劃與遺傳算法相結(jié)合的控制策略，其中系統(tǒng)能耗是以風(fēng)量和制冷功率為指標(biāo)的。實驗結(jié)果表明：電池SOH衰減率減小到3.7%、電池間容量一致性提高了23.3%，溫差降低了20.2%，單次行駛周期能耗節(jié)約了24%。Guo等考慮模塊高冷卻率和輕量化，將最高溫度、溫差和系統(tǒng)重量作為優(yōu)化目標(biāo)，通過非支配排序遺傳算法執(zhí)行多重優(yōu)化函數(shù)。仿真結(jié)果表明：在3C放電速率下，最高溫度和溫差可以控制在36 ℃和0.65 ℃，系統(tǒng)重量減輕10.25%。
2.2 控制策略算法
諸多的控制策略算法可分為單一控制算法和復(fù)合控制算法。在這些算法的優(yōu)化上，主要針對電池溫度以及算法優(yōu)化時間開展研究。邏輯門限值適用于簡單的開關(guān)控制，比例-積分-微分(PID)算法適用于經(jīng)典的反饋控制，MPC算法適用于需要考慮未來預(yù)測和約束條件的系統(tǒng)，智能控制算法則適用于復(fù)雜的非線性和不確定性系統(tǒng)。
2.2.1 單一控制算法
單一控制策略指只采用一種算法來進(jìn)行溫度控制，最常見的有邏輯門限值、PID算法、MPC算法以及智能控制算法。
（1）邏輯門限值
邏輯門限值是輸入的信號，通過邏輯運算，根據(jù)結(jié)果輸出信號。Wang等提出使用簡單的開關(guān)控制應(yīng)用于高溫電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。通過熱電偶參考溫度與預(yù)設(shè)溫度差值的上下限，控制器調(diào)整閥門的開關(guān)，從而實現(xiàn)電池組的冷卻。實驗表明：這種方式可以使得系統(tǒng)能耗降低83%~92%，缺點在于會使電池邊緣的最高溫度上升1 ℃。
（2）PID
PID是由比例、積分和微分組成的算法，具有操作簡單且適用面廣泛等優(yōu)點。PID可實現(xiàn)誤差自動調(diào)節(jié)，一旦有偏差出現(xiàn)，則比例調(diào)節(jié)起作用,用來減少偏差；誤差出現(xiàn)，積分調(diào)節(jié)一直進(jìn)行到無誤差為止；微分調(diào)節(jié)是可以預(yù)見偏差變化情況的，提前在偏差出現(xiàn)前消除，有學(xué)者將其用于電池管理系統(tǒng)溫度控制算法中。Cen等提出了一種PID控制環(huán)路算法來控制電池模塊的實時熱行為。實驗配置包括空調(diào)和BTMS系統(tǒng)，兩個電子膨脹閥(EEV)由驅(qū)動板驅(qū)動。系統(tǒng)通過PID算法調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度實現(xiàn)BTMS的溫度控制，該算法通過采集當(dāng)前數(shù)據(jù)是否需要調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：PID控制方法可使不同倍率下電池組實時溫差較小。
（3）MPC
MPC通過建立動態(tài)系統(tǒng)模型進(jìn)行預(yù)測，將預(yù)測結(jié)果與參考軌跡進(jìn)行對比，利用優(yōu)化算法求解最優(yōu)控制序列。為解決電動汽車中延長電池壽命和能耗最小的優(yōu)化問題，Zhang等提出了分層MPC方法用于延長電池壽命以及減少能耗。分層MPC是通過上層的速度規(guī)劃器優(yōu)化速度軌跡，然后傳遞給下層的熱管理控制器，從而實現(xiàn)最佳的能量管理。仿真結(jié)果表明：分層MPC的策略可以使電池壽命延長了29.15%，同時使能耗降低了3.38%。針對BTMS系統(tǒng)熱電模型高度的非線性和時變的特點，Zhu等提出了一種基于有限集模型的預(yù)測控制策略(finite set model predictive control，F(xiàn)SMPC)來減少冷卻/加熱能耗。FSMPC策略可通過預(yù)測模型，來預(yù)測電池溫度和荷電狀態(tài)，利用函數(shù)來評判相關(guān)性能，選擇出優(yōu)化后的組合，使電池溫度在合理范圍內(nèi)，并減少能源的消耗。實驗表明：與傳統(tǒng)的BTMS方法相比，提出的FSMPC的BTMS可以節(jié)約30%以上的電能且電池溫度性能不會下降。Guo等為提高能源利用效率，提出MPC控制策略。MPC在預(yù)測區(qū)間尋找最低能耗，使溫度維持在目標(biāo)溫度附近，降低冷卻液溫度等，從而實現(xiàn)能量損失降低。實驗結(jié)果表明：與傳統(tǒng)開關(guān)策略相比，MPC控制策略加熱能耗降低20.95%，總能耗降低2.84%。
（4）智能控制
①深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)。深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)是深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的結(jié)合，借助了深度學(xué)習(xí)解決建模問題，同時也利用了強(qiáng)化學(xué)習(xí)定義問題和優(yōu)化目標(biāo)，可處理復(fù)雜時序交互特點問題。在BTMS中，解決電池組急劇升溫問題是保證電池安全的關(guān)鍵。Cheng等用COMSOL軟件模擬出1600組數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練，以溫差、最高溫度以及平均溫度作為目標(biāo)，通過深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)(DRL)算法、遺傳算法以及多目標(biāo)優(yōu)化算法將優(yōu)化后結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明：DRL優(yōu)化后的溫差降低了1.3%、最高溫度降低了0.2%以及平均溫度降低了0.3%。為緩解電動汽車中能量管理問題，Huang等提出了基于DRL的算法。通過門控循環(huán)單元(GRU)提取出車輛的特征，從而提出雙深度Q網(wǎng)絡(luò)(DQN)算法。在城市工況(FTP-75)、高速工況(HWFET)和激烈駕駛工況(US06)三種工況下進(jìn)行比較。結(jié)果表明：在暴力駕駛時DQN會比模糊控制算法降低能耗18.8%。
②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。為防止熱失控現(xiàn)象發(fā)生，需要維持適當(dāng)?shù)臏囟确秶?。然而，電池溫度受到?nèi)外部因素的影響，因此難以準(zhǔn)確估計。Wang等提出將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于溫度估計，電池上下表面的泡沫鋁用于散熱，對比了BP-NN(反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))、RBF-NN(徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))和Elman-NN(Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)) 3種常用的解決非線性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將3種方法設(shè)置了相同的訓(xùn)練參數(shù)進(jìn)行樣本工況以及未知工況的性能測試。仿真結(jié)果表明：Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很好的適應(yīng)性且訓(xùn)練時間大幅縮短。為解決高倍率以及電流工況下電池發(fā)熱量高的問題，Chen等提出了基于液冷的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸模型，從最高溫度、溫度標(biāo)準(zhǔn)差以及能耗3個方面進(jìn)行對比分析，利用回歸模型預(yù)測，從預(yù)測數(shù)據(jù)中選擇出最優(yōu)的充電方式，大大提高了充電效率同時減少了能耗。
表5給出了單一控制策略在電池管理系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)缺點。在實際工程應(yīng)用中，我們可以根據(jù)單一控制策略的特性進(jìn)行合理選擇，以優(yōu)化系統(tǒng)的散熱效果和穩(wěn)定性。
表5 單一控制策略優(yōu)缺點
2.2.2 復(fù)合控制算法
（1）PID與智能控制結(jié)合
為解決傳統(tǒng)的PID控制算法魯棒性差問題，提出復(fù)合控制策略。復(fù)合控制策略指采用兩種及以上的單一策略相結(jié)合的方法，例如PID與模糊算法相結(jié)合、PID與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合等。馬彥等提出了一種基于模糊PID算法的電池組液冷策略，電池組實際溫度與目標(biāo)溫度所形成的溫差e和溫差變化率ec作為控制器的輸入，進(jìn)行模糊化、模糊推理、解模糊化等處理，獲得了PID的相關(guān)修正量ΔKp(比例調(diào)節(jié)系數(shù)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度)、ΔKi(積分調(diào)節(jié)系數(shù)，消除殘差)，ΔKd(微分調(diào)節(jié)系數(shù)，改善系統(tǒng)動態(tài)性能)，修正后的PID控制器根據(jù)溫差e的大小求出冷卻液流速，滿足所需的電池組溫度要求。建立模糊控制規(guī)則需要考慮電池組冷卻的特點，確定了表6的模糊規(guī)則表。仿真結(jié)果表明：模糊PID方法在傳統(tǒng)PID基礎(chǔ)上，縮短了冷卻的調(diào)節(jié)時間(采用模糊PID方法可將傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)時間由361 s縮短至215 s)，降低了溫度的不一致性(采用模糊PID方法可將傳統(tǒng)PID溫度偏差由1.24 K降低至0.14 K)，使得系統(tǒng)適應(yīng)初始溫度的變化、抵抗電流擾動的能力提高，具有更好的冷卻效果。Chang等為防止電池組溫度過高，提出模糊PID雙層控制策略。熱電冷卻器可根據(jù)需要改變，為鋰電池提供冷卻或加熱的能力，通過雙層協(xié)調(diào)控制器控制熱電冷卻器，實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)。結(jié)果表明：這種策略可以使電池性能和壽命進(jìn)一步提升，電池內(nèi)部溫度均一性較好，最大溫差僅為1.65 K。Liu等針對電池快速充電溫度控制，提出模糊PID算法。實驗結(jié)果表明：熱失控或處在零下狀態(tài)的電池組到達(dá)25 ℃的時間分別為280 s和185 s。
表6 ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊規(guī)則表
注：NB、NS、ZO、PS、PB為5個模糊子集。
也有學(xué)者將PID與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，Xie等提出了控制思想結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，命名為CNN-LSTM-PID。圖3(a)是CNN-LSTM-PID電池虛擬熱感知框架，將該虛擬傳感器與電池表面溫度預(yù)測相結(jié)合，利用獲取的數(shù)據(jù)對電池性能進(jìn)行研究。CNN-LSTM模擬了在預(yù)定工作條件下電池表面溫度分布及其隨時間變化的機(jī)理，在脫機(jī)PID調(diào)節(jié)模式以及較早時間步長目標(biāo)可用的情況下，根據(jù)目標(biāo)溫度變化的能力對PID參數(shù)進(jìn)行整定。PID控制集成精度提升技術(shù)，如圖3(b)所示。上面為脫機(jī)PID調(diào)節(jié)模式，下面為在線預(yù)測模式。模擬BESS(電池儲能系統(tǒng))內(nèi)部溫度分布時序數(shù)據(jù)的特征，采用卷積長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNM-LSTM)提高數(shù)據(jù)檢測和預(yù)測的能力，具體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖3(c)所示。溫度分布變化軌跡的跟蹤需要配合PID，PID積分在預(yù)測過程中的機(jī)理，如圖3(d)所示。結(jié)合以上特點提出了CNM-LSTM-PID的方法。仿真結(jié)果表明：提出的虛擬傳感器與超參數(shù)調(diào)節(jié)對平均絕對誤差(MAE，從35.52%下降到30.18%)和預(yù)測計算時間(從18.78%下降到14.06%)有很好的調(diào)節(jié)效果，提高了精度和計算效率，加強(qiáng)了熱管理和運行安全。
圖3 (a) BTMS智能控制策略；(b) 傳熱模型；(c) 聯(lián)合仿真方案；(d) PSO解決NLP問題過程
（2）智能控制間結(jié)合
文獻(xiàn)[75-80]分別討論了風(fēng)冷與液冷、相變材料與液冷以及熱管與液冷相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)，均提出遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。除了上述結(jié)合方法外，有學(xué)者提出非支配排序遺傳算法-2(NSGA2)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法。Chen等為了改善電池散熱性能，用COMSOL和計算流體力學(xué)(CFD)分別進(jìn)行二維與三維仿真，對比兩者溫度結(jié)果發(fā)現(xiàn)誤差最大為0.2 K。仿真結(jié)果表明：經(jīng)過NSGA2算法優(yōu)化后，最高溫度降低了7.5 K，功耗減少了26%。Zhu等采用了迭代動態(tài)規(guī)劃(IDP)策略，結(jié)合模型預(yù)測控制方法使得實時BTM策略有更好的溫度調(diào)節(jié)能力，其控制流程圖，如圖4所示。算法的預(yù)測范圍為30 s，采樣時間為1 s，仿真電子控制單元(ECU)可在1 s內(nèi)執(zhí)行，實時性顯著提高。實驗結(jié)果表明，所提出的實時BTM策略可以有效降低驅(qū)動周期的冷卻/加熱能耗(14.8%)。Zhou等針對溫度控制及系統(tǒng)響應(yīng)，提出邏輯模糊和強(qiáng)化學(xué)習(xí)相結(jié)合的控制策略。電池運行過程中，實時監(jiān)測冷卻回路中冷卻液溫度和流量，通過策略控制冷卻液流量，從而實現(xiàn)電池溫度的調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明：液冷溫度控制策略得到明顯的改善，與傳統(tǒng)PID相比，溫度降低3 K，響應(yīng)時間快了136 s。
圖4 IDP方法流程圖
（3）MPC與智能控制相結(jié)合
傳統(tǒng)的PID算法不能滿足工業(yè)上非線性、時變等要求，MPC與智能控制算法相結(jié)合的系統(tǒng)應(yīng)運而生。Ma等提出了一種非線性模型預(yù)測(nonlinear model predictive control, NMPC)方法來優(yōu)化電池組的冷卻過程。在AMESIM(advanced modeling environment for simulation of engineering systems)和MATLAB聯(lián)合仿真中，采用PSO求解NLP問題，得到冷卻液速度后，在AMESIM中計算出電池溫度，將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ATLAB。仿真結(jié)果表明：NMPC方法可以保證電池在不同工況下，與目標(biāo)溫度偏差僅有0.5 K，電池組模塊內(nèi)溫度不一致性小于1.2 K。Zhuang等提出模糊模型預(yù)測控制用于散熱和能耗的調(diào)節(jié)，在FSMPC基礎(chǔ)上，等效電路-熱模型采用模糊模型，可以很好控制電池溫度。仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)冷卻方法相比，該方法可以節(jié)能76.4%，同時電池間最大溫差降低0.9 ℃。
表7從控制目標(biāo)、控制算法及控制效果對文獻(xiàn)進(jìn)行了總結(jié)歸納。
表7 控制策略概括總結(jié)
溫度是熱管理系統(tǒng)中控制策略的目標(biāo)，在保證溫度效果的前提下，提高系統(tǒng)的能效，控制策略從算法上進(jìn)行優(yōu)化。單一的控制算法往往不能滿足工程應(yīng)用上的要求，應(yīng)根據(jù)各算法優(yōu)缺點以及應(yīng)用場合進(jìn)行合理的優(yōu)化。例如，針對復(fù)合控制算法，其更多的是對多目標(biāo)問題的優(yōu)化，優(yōu)秀的BTMS系統(tǒng)不僅僅局限于控制溫度的范圍，還需考慮電池壽命、系統(tǒng)能耗、算法的調(diào)節(jié)時間等等。
3 結(jié) 論
隨著鋰離子電池儲能電站的發(fā)展，熱失控現(xiàn)象的頻頻發(fā)生，所以要保障鋰離子電池在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)運行，偏離時要及時控制溫度從而保證電池安全穩(wěn)定運行。本文介紹了4種不同電池散熱技術(shù)性能，對近年來熱管理技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)梳理。本文主要結(jié)論如下。
（1）從溫降、溫差、系統(tǒng)復(fù)雜度、散熱效率等方面進(jìn)行綜合分析，液冷技術(shù)更適合大規(guī)模儲能系統(tǒng)應(yīng)用。
（2）冷板形狀、冷卻液和通道等參數(shù)優(yōu)化對液冷效果有很大的影響，應(yīng)根據(jù)電池形狀以及高倍率充放電等特殊實際工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
（3）液冷控制策略應(yīng)從算法的魯棒性和求解時間方面改進(jìn)，從而實現(xiàn)電池壽命、系統(tǒng)能耗和電池組間溫差等多目標(biāo)優(yōu)化。
對大規(guī)模儲能系統(tǒng)而言，不僅可以對其散熱系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，還可以通過控制策略實現(xiàn)電池組溫度維持在理想工作范圍內(nèi)。在實際應(yīng)用上，需考慮成本、電池組重量、體積等多方面因素，設(shè)計合理低能耗的熱管理系統(tǒng)。單一的散熱方式在工程上往往不能滿足所需的冷卻要求，需與其他散熱方式進(jìn)行復(fù)合，從而利用各自優(yōu)勢實現(xiàn)最佳冷卻性能，且此過程需要平衡散熱性能與能耗之間的關(guān)系。與此同時，還可通過控制策略算法來實現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化，多種散熱技術(shù)復(fù)合的熱管理系統(tǒng)也將是未來發(fā)展的方向之一。
