锂离子电池储能系统浸没液冷的技术经济性分析

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0203

储能科学与技术 ›› 2025, Vol. 14 ›› Issue (9): 3622-3635.doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0203

锂离子电池储能系统浸没液冷的技术经济性分析

林季锦¹(), 刘倩¹, 曲涛², 李京鲲², 黄东永², 朱晓庆¹, 巨星¹()

^1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，新型储能技术北京实验室，北京 102206
^2.嘉实多(上海)管理有限公司，上海 201206

收稿日期:2025-02-28 修回日期:2025-04-07 出版日期:2025-09-28 发布日期:2025-09-05
通讯作者: 巨星 E-mail:120242202501@ncepu.edu.cn;scottju@ncepu.edu.cn
作者简介:林季锦（2002—），男，硕士研究生，研究方向为储能系统经济性，热管理仿真，E-mail：120242202501@ncepu.edu.cn；
基金资助:
国家自然科学基金项目(52476196);BP嘉实多研究项目

Technical and economic analysis of liquid immersion cooling for lithium-ion battery energy storage system

Jijin LIN¹(), Qian LIU¹, Tao QU², Jingkun LI², Dongyong HUANG², Xiaoqing ZHU¹, Xing JU¹()

^1.Beijing Laboratory of New Energy Storage Technology, School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China
^2.Castrol (Shanghai) Management Ltd, Shanghai 201206, China

Received:2025-02-28 Revised:2025-04-07 Online:2025-09-28 Published:2025-09-05
Contact: Xing JU E-mail:120242202501@ncepu.edu.cn;scottju@ncepu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

浸没储能系统因传热能力强、电池一致性佳等优势，逐渐受到关注。然而，对浸没式液冷的经济性，目前比较研究工作仍较为匮乏。本工作基于浸没储能系统的特点开展经济性分析研究。首先，对浸没储能系统技术对比分析，讨论储能系统方案中整包浸没、整簇浸没、储能柜以及储能集装箱的主要特点、系统结构和组成部件等。随后，基于浸没储能系统的总体结构和主要部件的成本，结合储能系统发热量计算模型和经济性分析模型，计算评估了4种组合下浸没储能系统的经济性。最后，本工作考虑浸没热管理下电池寿命变化分析了对储能系统经济性的影响，并计算了浸没储能系统的浸没液成本和结构对经济性的影响。结果表明在一定条件下，浸没储能系统的投资回收期、净现值和内部收益率等经济性指标均位于合理区间。以整包浸没的电池集装箱系统为例，其静态投资回收期为4.65年，动态投资回收期为5.81年，净现值为434.09万元，内部收益率为18.14%，浸没储能系统在经济性上可具备一定优势。

关键词: 锂离子电池储能, 浸没液冷, 经济性分析, 电池寿命

Abstract:

Liquid immersion cooling battery energy storage systems (BESS) have garnered significant attention owing to their superior heat transfer performance and high battery consistency. However, comprehensive studies on their economic feasibility remain scarce. This paper presents a technical and economic analysis of immersion-cooled BESS. The study begins with a technical comparison, detailing key features, system configurations, and components of pack immersion, cluster immersion, BESS cabinets, and BESS containers. Subsequently, based on the overall system structures, main component costs, heat generation calculation models, and economic evaluation frameworks, the economic performance of four immersion energy storage configurations is assessed. Furthermore, the impact of battery lifespan extension under immersion thermal management on overall system economics is examined, alongside an analysis of the influence of immersion fluid costs and structural parameters. The results indicate that, under certain conditions, economic metrics such as payback time (PBT), net present value (NPV), and internal rate of return (IRR) for immersion-cooled systems fall within a favorable range. For example, the pack-immersed battery container system exhibits a static PBT of 4.65 years, a dynamic PBT of 5.81 years, an NPV of CNY 4.3409 million, and an IRR of 18.14%, underscoring the economic advantages of immersion-cooled BESS.

Key words: lithium-ion battery energy storage, immersion cooling, economic analysis, battery lifespan

中图分类号:

TM 91

林季锦, 刘倩, 曲涛, 李京鲲, 黄东永, 朱晓庆, 巨星. 锂离子电池储能系统浸没液冷的技术经济性分析[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(9): 3622-3635.

Jijin LIN, Qian LIU, Tao QU, Jingkun LI, Dongyong HUANG, Xiaoqing ZHU, Xing JU. Technical and economic analysis of liquid immersion cooling for lithium-ion battery energy storage system[J]. Energy Storage Science and Technology, 2025, 14(9): 3622-3635.

图/表 26

图1

图2

表1

表2

储能系统总热量计算模型与计算结果[11-13]"

项目	符号	计算公式	数值
电池集装箱的发热功率	P₁	P₁=I²R	43200 W
电池集装箱的温升热量	Q_x	Q=cm∆t	91584 kJ
电池集装箱的冷却功率	P_2x	P₂=k(p₁-Q/t₂)	39624 W
当量天空温度	t_s	t_s=0.0552(t_e+273)¹⁵-273	24 ℃
太阳辐射当量温度	t_sol,eq	t_sol,eq=ρI_H/α_e	48.35 ℃
辐射换热系数	α_er	$α e r = ε × 5.67 × t e + 273 100 4 - t s + 273 100 4 t e - t s$	5.0
天空辐射当量温度	t_sky,eq	t_sky,eq=α_er(t_e-t_s)(1-C_HH-C_MM)/α_e	7.85 ℃
天空辐射修正系数	ε	ε=1+(t_sky,eq-t_sol,eq)/(t_i-t_e)	7.75
辐射净输入热量	P_net	P_net=εK_TS∆t₂	5900 W
电池集装箱总发热量	P	P=P_2x+P_net	48826 W

表2

表3

表4

表5

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图7

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表14

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参考文献 22

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指标	整包浸没	整簇浸没
热管理单元	电池包	电池簇
初始投资成本	较高	较低
运维成本	较低	较高
密封复杂度	较复杂	较简单
设计复杂度	较简单	较复杂
浸没液用量	较少	较多

符号	含义	数值
P₁	电池集装箱的发热功率	43200 W
C	电池的比热容	1 kJ/(kg·K)
m	电池质量	5.3 kg
∆t₁	电池温升	5 ℃
k	安全系数	1.3
t₂	充放电时间	2h
t_e	室外干球温度	34 ℃
ρ	外表面的太阳辐射吸收系数	0.25
I_H	水平面的太阳辐射照度	967 W/m²
α_e	外部对流换热系数	5 W/(m²·K)
ε	半球发射率	0.8
C_H	低云量修正系数	0.68
H	低云量昼夜平均值	0.13
C_M	中云量修正系数	0.47
M	中云量昼夜平均值	0.27
t_i	室内干球温度	28 ℃
K_T	集装箱的换热系数	2.3461 W/(m²·K)
S	箱体换热面积	67.07 m²
∆t₂	箱体内外温差	30 ℃

浸没储能系统	储能柜(整包浸没)5×1P52S	储能集装箱(整包浸没)11×8×1P52S	储能柜(整簇浸没)1×1P260S	储能集装箱(整簇浸没)11×1P416S
IP68壳体数量	5电池包箱体	88电池包箱体	1电池簇箱体	11电池簇箱体
浸没液体积	350 L	4200 L	500 L	8000 L
冷水机功率	5.7 kW	56 kW	5.7 kW	56 kW
离心泵	小功率	大功率	小功率	大功率
管路	二级分流	三级分流	二级分流	三级分流

项目	整包浸没的储能柜系统	整簇浸没的储能柜系统	整包浸没的储能集装箱系统	整簇浸没的储能集装箱系统
电池模组	12.49	11.99	260.20	241.50
储能逆变器(PCS)	1.86	1.79	38.84	36.04
能量管理系统(EMS)	0.37	0.36	7.77	7.21
变压器	1.12	1.07	23.30	21.63
组装成本	0.56	0.54	11.65	10.81
电缆	0.56	0.54	11.65	10.81
电池管理系统(BMS)	1.68	1.61	34.95	32.44
浸没液(碳氢浸没液)	1.75	2.50	21.00	40.00
热管理回路	1.13	1.03	11.06	9.20
总价	21.51	21.42	420.42	409.64

项目	静态投资回收期SPBT/年	动态投资回收期DPBT/年	净现值NPV/万元	内部收益率IRR/%
整包浸没的储能柜系统	6.14	8.37	10.02	12.13
整簇浸没的储能柜系统	6.09	8.28	10.20	12.26
整包浸没的储能集装箱系统	4.65	5.81	434.09	18.14
整簇浸没的储能集装箱系统	4.47	5.53	457.19	19.04

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Technical and economic analysis of liquid immersion cooling for lithium-ion battery energy storage system

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项目	静态投资回收期SPBT/年	动态投资回收期DPBT/年	净现值NPV/万元	内部收益率IRR/%
考虑空冷下电池寿命	4.65	5.81	434.09	18.14%
考虑浸没液冷下电池寿命	4.61	5.72	484.50	18.54%

高峰电价/(CNY/kWh)	低谷电价/(CNY/kWh)
高峰电价/(CNY/kWh)	0.52	0.55	0.58
1.10	5.04	5.37	5.76
1.16	4.40	4.65	4.93
1.22	3.90	4.09	4.32

储能系统类型	浸没液类型
储能系统类型	氟化液	碳氢浸没液	变压器油	硅油
整包浸没的储能柜系统	>25	6.14	5.57	5.63
整簇浸没的储能柜系统	>25	6.09	5.30	5.38
整包浸没的储能集装箱系统	13.31	4.65	4.41	4.43
整簇浸没的储能集装箱系统	>25	4.47	4.02	4.06

不确定性因素	SAF值	绝对值大小排序
高峰电价	-2.39	1
低谷电价	1.10	3
系统结构成本	1.23	2
浸没液成本	0.02	4

不确定性因素	SAF值	绝对值大小排序
高峰电价	3.54	1
低谷电价	-1.39	3
系统结构成本	-1.59	2
浸没液成本	-0.07	4

类别	名称	价格区间/(元/升)
矿物油	变压器油	10~30
矿物油	其他矿物油	20~50

硅油	5cSt硅油	20~50
	10cSt硅油	20~40
	20cSt硅油	15~30

制冷剂	R134a	60~100

酯类	合成酯类油	30~80
酯类	季戊四醇酯	40~100

合成油	聚α-烯烃(PAO)	50~200
合成油	天然气合成油(GTL)	100~250

氟化液	NOVEC 7100	400~600
	NOVEC 7200	580~700
	NOVEC 7500	800~1200

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