储能科学与技术, 2022, 11(1): 107-118 doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0381

储能系统与工程

集装箱储能系统热管理系统的现状及发展

朱信龙,1, 王均毅2, 潘加爽2, 康传智2, 邹燚涛1, 杨凯杰1, 施红,2

1.南京航空航天大学航空学院，江苏 南京 210000

2.江苏科技大学能源与动力学院，江苏 镇江 212000

Present situation and development of thermal management system for battery energy storage system

ZHU Xinlong,1, WANG Junyi2, PAN Jiashuang2, KANG Chuanzhi2, ZOU Yitao1, YANG Kaijie1, SHI Hong,2

1.School of Aeronautics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210000, Jiangsu, China

2.School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212000, Jiangsu, China

收稿日期: 2021-07-26   修回日期: 2021-10-10  

基金资助: 飞行器环境控制与生命保障工信部重点实验室开放课题项目.  KLAECLS-E-202001

Received: 2021-07-26   Revised: 2021-10-10  

作者简介 About authors

朱信龙（1997—），男，硕士研究生，研究方向为人机与环境工程，E-mail：2496593640@qq.com E-mail：2496593640@qq.com。

施红，副教授，研究方向为高效换热及密闭空间环境控制，E-mail：shihong@nuaa.edu.cn。 E-mail：shihong@nuaa.edu.cn。

摘要

集装箱储能系统因其安装运输方便、建设周期短和环境适应能力强的优点而具有广泛的发展前景。然而随着整体能量密度的不断提高和制造成本的降低，以热失控为特征的储能系统电池安全事故频发，严重威胁着用电安全和相关人员的生命安全。因此，以防止集装箱储能系统热失控为核心的研究成为近几年储能系统研究领域的热点。本文从储能电池安全角度出发，对目前集装箱储能系统热失控机理及研究现状进行综述，阐述了储能电池的冷却方式(空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却)以及热失控的抑制措施，总结了最新研究成果。具体地阐明了温度和湿度对电池的影响，全面总结了提高集装箱储能系统安全性及可靠性的方法，合理展望了现今储能系统热管理技术的发展方向，以期促进储能系统安全管理方法与策略的开发，进而提高储能电池系统的安全性。

关键词： 储能系统 ; 集装箱 ; 电池 ; 热失控 ; 热管理

Abstract

Battery energy storage system has broad development prospects due to its advantages of convenient installation and transportation, short construction cycle, and strong environmental adaptability. However, battery safety accidents of energy storage systems characterized by thermal runaways occur frequently, which seriously threatens power consumption and life safeties of relevant personnel with the continuous improvement of overall energy density and the reduction of manufacturing costs. Therefore, the research on preventing thermal runaway of battery energy storage systems has recently become a hot spot in the field of the energy storage system. From the perspective of energy storage battery safety, the mechanism and research status of thermal runaway of container energy storage system are summarized; the cooling methods of the energy storage battery (air cooling, liquid cooling, phase change material cooling, and heat pipe cooling) and the suppression measures of thermal runaway are introduced, and the latest research results are reviewed. This paper expounds on the influence of temperature and humidity on batteries, comprehensively outlines the methods to improve the safety and reliability of container energy storage systems, and projects the development direction of thermal management technology. This paper aims to promote the development of safety management methods and strategies of the energy storage system and then improve the energy storage system's safety.

Keywords： energy storage system ; container ; battery ; thermal runaway ; thermal management

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本文引用格式

朱信龙, 王均毅, 潘加爽, 康传智, 邹燚涛, 杨凯杰, 施红. 集装箱储能系统热管理系统的现状及发展[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(1): 107-118

ZHU Xinlong. Present situation and development of thermal management system for battery energy storage system[J]. Energy Storage Science and Technology, 2022, 11(1): 107-118

我国正处于工业高速发展的时期，各行业都离不开电力的支持，工业生产和居民生活的用电需求量快速升高，从而造成电力消耗的昼夜峰谷差日益增大，负荷曲线峰谷越来越大。集装箱储能系统为解决电力消耗的峰谷差异所导致的电力系统供需不平衡问题提供了新路径，其在电力系统发电、传输、分配以及使用过程中，发挥充电和供电的重要枢纽作用，对电力系统的建设和运行产生了积极影响。

集装箱储能系统以其高集成度、可移动性和高环境适应性等优势让世界各国对此十分重视，根据国际能源机构2020年的数据，全球储能电池系统容量从2017年到2018年翻了一番，达到8 GW∙h，集装箱储能系统产业迎来了蓬勃发展的时代。此外，各国也纷纷出台储能技术发展的相关政策和法规。美国国会先后在2009年5月通过《2009可再生与绿色能源存储技术法案》和2010年7月通过《2010可再生与绿色能源存储技术法案》[1]；2013年，德国出台并实施了《支持分布式光伏储能新政》；2014年，日本经济产业省投入约为9830万美元的预算，为装设锂电池的家庭和商户提供66%的费用补贴。2019年，中国国家电网就建设枢纽型、平台型、共享型企业的问题，提出以智能电网为基础构建能源流、业务流和数据流的能源互联网[2]；2020年，教育部、国家发展改革委、国家能源局发布《储能技术专业学科发展行动计划(2020—2024年)》。各国密集发布的各项政策均立足储能技术产业发展的重大需求，破解发展中储能技术所涉及的各专业技术领域的共性和瓶颈技术，快速推动着储能产业和能源高质量发展[3]。

随着集装箱储能系统向着规模化、集约化发展，其安全性要求也不断提高。但在过去的几年中，集装箱储能系统发生火灾事件屡见不鲜。韩国在政府调查2017—2018年间的23起集装箱储能系统火灾事件中发现，起火的一个重要原因是电池保护系统存在缺陷，尤其当电池运行存在故障时，会导致电池热管理系统失效。运行故障可能是电气故障、过度充电和颗粒或水蒸气污染，起先是一个电池电解液的分解和蒸气压的升高，导致单体电池热失效，随后传播到储能电池模块中的其他电池，但最终均以整体热失控进行表现。随着集装箱储能系统容量越来越高，电池密集程度也越来越高，单一的热管理技术已经不能满足日益增长的高热流密度要求。其次，储能电池本身的“不一致性”和“短板效应”制约了电池批量化热处理技术的发展，以个性化热处理为代表的精细化热管理技术成为亟待解决的重要内容。本文在调研大量国内外文献的基础上，对集装箱储能系统热管理技术的最新成果进行分析、归纳及总结。着重研究集装箱储能系统热分析及热控制中的关键技术，旨在全面准确地反映这一领域的发展趋势。

1 集装箱储能电池的温度和湿度特性

锂电池是集装箱储能系统的核心部件，在对集装箱储能系统进行探讨分析热管理之前，有必要开展锂电池对温度和湿度特性的适应性研究。目前，研究人员对锂电池的环境适应特性进行了大量的研究，主要有以下4个方面。

1.1　温度对锂电池容量和寿命的影响

研究表明，锂电池的容量和寿命随着温度的变化会产生较大的改变，其主要原因是由于温度变化会导致电池的内阻、电压的改变[4-6]。Zhao等[7]研究发现温度每升高1 ℃，电池寿命则减少约60 d。Feng等[8]发现高温环境会使电池容量降低，并指出降低的主要原因是高温导致电池内阻增加、活性材料和有效锂离子流失。至于内阻增加的原因，有研究认为这是由于高温条件下，正极中的金属离子会发生溶解并进入电解液，进而穿过隔膜在负极沉积，从而导致负极的内阻变大[9-12]。与高温环境类似，低温环境也会导致锂电池容量降低，如磷酸铁锂电池的容量保持率在0 ℃下为60%～70%，而在-20 ℃时则降低到20%～40%，这主要是由于电解质在低温条件下传输性能发生显著降低[13]。

1.2　温度对锂电池热稳定性的影响

温度对锂电池稳定性影响主要表现在高温会使电池的内部材料会发生分解反应。Spotnit等[14]和Dahn等[15]研究发现，持续的高温环境下，锂电池内部的SEI膜首先分解，随后负极材料会与电解液产生反应、隔膜熔融，最后正极材料和电解液发生分解。其中SEI膜的分解温度区间一般在80～120 ℃。电池的这些变化会导致锂离子通道发生闭塞，引起正负极直接接触、短路，从而放出大量热。此外，这些材料分解的过程中还会产生大量气体和热量，电池内部压力迅速增加，从而发生如电池鼓包、破裂、泄压阀破裂、铝箔熔化等热失控现象。热失控一旦发生，电池内部温差可达520 ℃[16]。显然，这将对电池使用的安全性带来重大危害。此外，当电池长时间处于极端低温工况下，会使得电池负极析锂，形成锂枝晶，严重时会刺穿SEI膜，导致电池无法工作。

图1为锂电池工作的各种温度区间。综合考虑锂电池的高效性和安全性，目前普遍认为锂电池可承受的温度区间分别为-40～60 ℃，过低的温度会导致电解液凝固，阻抗增加，过高的温度则会导致电池的容量、寿命以及安全性将大大降低。最佳温度区间为10～35 ℃[17]。

图1

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图1   锂电池工作的各种温度区间

Fig. 1   Distribution of energy storage batteriesinside container


1.3　电池模组的温度均一性要求

电池在实际的使用过程中，由于负荷的变化会引起电流的波动起伏，电流的波动会引起电池组生热不均匀的现象。在电池组往复使用过程后，各单体电池的老化程度不同，易产生电池的过充和过放，造成电池性能下降的情况，甚至会产生安全问题。此外，单体电池间的不均匀性会导致整个电池组在工作时产生木桶短板效应，即电池组的性能由性能最差的单体电池所决定。Dickinson等[18]的研究表明模块间的温度梯度减少了整体电池组的容量和寿命，建议保持电池组内各单体电池之间的温度均匀性。因此，锂电池在使用过程中不仅要给单体电池足够的舒适性，还要保证电池模组中各单体电池均一性，才能提高电池组的整体寿命，一般要求各单体电池之间的温差不超过5 ℃[17]。

1.4　湿度对电池性能的影响

目前已有相关标准对电池生产和储存过程中的环境温湿度提出了相应的规范和要求。然而，学者对不同湿度环境导致电池热失控机制的研究相对甚少。有研究表明，随着环境湿度的增加，会加剧电池内部反应，导致电池鼓包和外壳破裂，最后降低电解液的热稳定性。张培红等[19]研究表明，环境湿度增高，电池达到热失控临界温度的时间逐渐缩短。环境湿度为100%工况下的临界时间比50%湿度下的临界时间提前了7.2%，说明湿度在一定范围内加剧了电池热失控的进程。聂磊等[20]指出水分过量会引起电池内电解液分解出氢氟酸，其会腐蚀金属零件导致漏液。同时，氢氟酸会破坏SEI膜，使锂离子发生不可逆转的化学反应，降低电池的能量。因此在电池热管理方案设计时，湿度控制不应忽视，尤其当储能电池系统在高温高湿环境下工作时应尤为注意。

2 储能电池系统的热管理方法

2.1　储能电池系统的结构及运行机制

图2为典型的锂电池储能系统。锂电池是储能系统的基本组成部分，安装在一个模块中。该模块通常有通风和排气口，解决冷却和封装体过压的问题。每个模块配备有电气保护(保险丝)和传感器，用于监测电压和温度。通常8～12个模块被放置于垂直的机架中，并与电池管理系统和接线盒相连。机架安装在储能箱体中，安装有电池管理系统、采暖通风空调系统以及火灾探测和抑制系统。

图2

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图2   锂电池储能系统

Fig. 2   Lithium-ion battery container storage system


如图2所示，储能箱体中电池紧密排列，在进行充电及放电时，系统内部的电池会产生大量的热量，由于电池排列间隙较小，导致电池所产生的热量很难快速排出，电池组之间会出现热量聚集、运行温差较大等现象。长此以往，会引起电池间内阻及容量的严重不一致，严重影响电池组的性能及寿命，进而造成安全隐患。因此充分认识锂电池的热释放特点是进行热管理的基础。

2.2　锂电池的生热模型

在进行电池散热特性研究时，需要对电池的热流密度进行计算。Bernardi等[21]提出了电池产热的简化计算模型，基于电池的外部电路特性即可完成电池产热的计算。该模型认为锂电池的混合热速率和相变热速率相对于可逆热和不可逆热对总量来说量级很小，因此可忽略这两种产热。在简化的计算公式中，主要由两部分组成，第1部分为工作电压与开路电压差值，第2部分为熵变系数随温度的影响，如式(1)所示。

qv=IVbU0-U+T∂U0∂T=1VbI2Rb+IT∂U0∂T

式中，U0为开路电压；U为工作电压；I为电池的充/放电电流，放电为正，充电为负；∂U0/∂T为熵热系数，有研究表明，熵热系数对电池产热及温度变化有重要影响，而且电池熵热系数的值与电池的负荷有关，受温度影响不大；Rb为电池内阻；Vb为电池体积。由于电池的内部结构比较复杂，而且很多参数会随着工作条件的变化而改变，为了降低仿真难度，一般来说对电池假设如下[22]：①电池内部材料的物理性质始终相同；②相同材料在相同方向上具有相同的热导率；③忽略内部辐射换热。

2.3　储能系统热管理技术国内外研究现状

对集装箱式储能系统进行热管理的目标是为电池模块提供一个舒适的环境温度。对电池的热管理系统结构须满足结构紧凑、安全性高以及普适性强等特点，此外还需考虑经济性要求，即对储能系统内部余热的利用，满足对环境友好、节约资源等环境条件。现阶段，关于电池的热管理技术主要包括热性能预测及热管理方案设计。

能够准确预测温度动态的电池热模型对于热管理系统至关重要。1985年，Bernardi等[21]提出了第1个电池热模型。Newman等[23-24]通过将电池内部产生的热量分为不可逆和可逆热量来简化Bernard模型，并使其可用于实际应用。从那时起，热模型被广泛应用于各种研究。目前，热模型可分为3种，即基于电阻的热模型、电热模型和电化学热模型。由于结构简单和计算成本低，基于电阻的热模型受到广泛欢迎[25]。电阻受电池温度、电荷状态和电流等多种因素的影响[26-27]。然而，目前一些研究将电阻视为常数[28]，也有假设它仅与电荷状态或温度有关[29-30]，这使得电阻的建模具有不确定性并产生了对热量的预测误差。电热模型将电模型和热模型结合在一起[31]，并使用开路电压和端电压来计算电池内部产生的热量。虽然该模型比第1种热模型揭示了更多的信息，但开路电压校准困难、费力且容易出错。这是因为开路电压与电荷状态、温度和熵变等诸多因素有关。此外，电热模型结构复杂，计算成本高，使其难以使用。电化学热模型可以通过模拟电池内部的电化学反应来探究热量产生的机制[32-34]。该模型理论精度最高，能反映电化学参数的演变，但在3种热模型中结构最复杂，计算成本最大。此外，建模所需的电化学参数很多，其中一些很难获得。因此，该模型主要用于理论研究[35]，目前不适用于电池组的实际热设计。

Neubauer等[36-37]基于集总参数法分析了储能电池系统的热行为。在研究过程中采用了主动式空调冷却的方法并考虑了不同气候带的天气数据。研究结果表明太阳辐射对储能系统内部的电池会产生极大的影响，尤其当热管理设计不充分时，会导致电池的退化。为了解决这些问题，国家可再生能源实验室(NREL)开发了电池寿命分析和仿真工具(BLAST)套件。这套工具具有电池电化学和热性能模型，可应用于对电池响应进行长期预测，从而可以对各种不同的电池使用策略进行定量比较。电池箱体及电池的热模型见式(2)

McdTcdt=kacTa-Tc+kbcTb-Tc+kscTs-Tc+qrad+qhvac

式中，Mc为集装箱获得的热量；Tc为集装箱温度；t为时间；右边的第1项为环境空气和电池箱体的换热量，kac为环境与集装箱之间的换热系数，Ta为环境温度；第2项为电池与电池箱体的换热量，kbc为电池与集装箱之间的换热系数，Tb为电池温度；第3项为地面与电池箱体的换热量，ksc为地面与集装箱之间的换热系数，Ts为地面温度；第4项qrad为天空对电池箱体的辐射换热；第5项qhvac为暖通空调系统对电池箱体的传热量。

MbdTbdt=kabTa-Tb+kbcTc-Tb+qbtms+Q

式中，Mb为电池获得的热量；Tb为电池温度；t为时间；方程右边第1项为空气对电池的换热量，kab为环境与电池的换热系数，Ta为环境温度；第2项为箱体对电池的换热量，kbc为电池与集装箱之间的换热系数，Tc为集装箱温度；第3项qbtms为电池热管理系统的产热；第4项Q为电池产热。

qrad=εσATsky4-Tc4

式中，qrad为天空对电池箱体的辐射换热；ε为有效发射率；σ为玻尔兹曼常数；A为有效面积；Tsky为天空温度。

Gatta等[38]仿真研究了电池管理系统和热管理系统的功耗。其中，电池的温度变化主要取决于暖通空调系统的对流换热及电池的焦耳发热量。

dTdt=I2t×Rt-G∆TCT

式中，T为电池温度；t为时间；I2(t)×R(t)为电池热量损耗；G∆T为暖通空调系统除去的热功率；∆T为电池的温差；CT为电池的热电容。

对比式(2)、式(5)可知，式(5)忽略了电池箱体对电池的传热以及电池热控制系统产生的热量对电池温度变化的影响。

在热管理方案设计方面，对于集装箱储能系统的冷却主要有以下几种方式：空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却。

空气冷却是以气体为传热介质的一种热管理技术，简称空冷。图3为空气冷却结构。它是将低温介质送入系统内部，介质流过电池表面利用热传导和热对流两种传热方式带走电池产生的热量，从而达到冷却的目的。空气冷却主要分为自然冷却和强制冷却，自然冷却是利用自然风压、空气温差、空气密度差等对电池进行散热处理；强制冷却是通过机械手段对电池进行冷却降温处理，其通常以通风的方式实现冷却。两种冷却方式所涉及的冷却结构简单、便于安装、成本较低，但并不能满足电容量较大的储能系统散热，且进出口的电池组之间的温差偏大，即电池散热不均匀。

图3

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图3   空气冷却结构

Fig. 3   Schematic of air cooling structure


液体冷却是以液体为传热介质的热管理技术，简称液冷。液体冷却结构如图4所示。它利用液体具有较高热容量和换热系数的特性，将低温液体与高温电池进行热量交换，从而达到降温目的。Wang等[39]研究了冷却剂流量对电池冷却的影响，也研究了串联冷却、并联冷却等冷却方式对电池冷却的影响。结果表明，增加流量保持了较低的最高温度和良好的温度均匀性，最高温度为35.74 ℃，温差为4.17 ℃。Lai等[40]发现，当冷却液质量流量大于1×104 kg/s时并在5 C放电速率下，最高温度可保持在40 ℃以内。然而液体冷却系统结构复杂、经济效益低且安装及后续维护技术难度较大，因此对于集装箱储能系统无法广泛应用。

图4

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图4   液体冷却结构

Fig. 4   Schematic of liquid cooling structure


相变材料冷却是利用其本身的相态转换来达到电池散热的目的，图5为相变材料冷却结构。对电池散热效果影响最大的是对相变材料的选择，当所选相变材料的比热容越大、传热系数越高，相同条件下的冷却效果越好，反之冷却效果越差。Verma等[41]研究了癸酸用作相变材料的效果，结果表明，当相变材料层厚度为3 mm时，电池的最高温度为32 ℃。Ping等[42]曾采用相变材料作为鳍片结构，发现在电池最高表面温度51 ℃和3 C放电率下，该系统具有良好的热效率。但是相变材料本身不具备散热能力，需配合其他散热方式加以使用。

图5

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图5   相变材料冷却结构

Fig. 5   Schematic of phase change materialcooling structure


热管冷却是利用介质在热管吸热端的蒸发带走电池热量，热管的放热端通过冷凝的方式将热量发散到外界中去，从而实现冷却电池的目的，热管冷却结构如图6所示。Burban等[43]通过实验研究了一种用于混合动力汽车电子热管理领域的非开放式脉动热管。Rao等[44]在小于30 W的发热率下，使用了能将磷酸铁锂电池温度控制在50 ℃以内的板式热管，并且将电池模块温差维持在5 ℃左右。Tran等[45]考虑并分析了热管和散热片在不同倾角下对锂离子电池蒸发的影响和冷却性能。此冷却方式可任意改变传热面积的大小，适用于较长距离的热量传输。

图6

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图6   热管冷却结构

Fig. 6   Schematic of heat pipe cooling structure


从目前已有的研究来看，在集装箱储能系统热管理领域，液冷技术、相变换热技术及热管冷却技术由于自身存在着系统复杂、体积庞大、冷却介质易泄漏、价格昂贵等挑战，使其依然停留在实验室研究阶段。空冷技术是目前集装箱储能电池散热的首选方案，下文就国内外相关文献对空冷技术的研究展开讨论。

张子峰等[46]将自然通风与机械通风相结合，在集装箱侧壁设置百叶窗，形成自然通风。同时，建立的风墙与集装箱墙体密封连接，由导风管将空调出风导入到风墙内，风墙靠近电池的一面开有小孔用于出风，形成机械通风，实验结果表明此散热方式使集装箱内温场较为均匀。汤云峰等[47]在集装箱电池的上部与下部设有相对应的通风口，在集装箱顶部安装风扇系统，风扇系统分为强风、正常风和弱风三挡，根据集装箱中的温度进行调节风扇系统风力，节约电能，通风口与风扇系统形成对流散热。李淼林等[48]基于计算流体力学仿真软件建立锂电池风冷散热结构模型，对电池的温度场和流场进行仿真分析，根据仿真结果考虑对进风角度、出风角度、电池间距这3个因素进行修改，从而得到局部最优方案，优化了电池模型的散热效果，得出了优化模型，与初始模型仿真结果相比，优化模型的电池组最高温度降低9.55%，温差下降25.89%。王天波等[49]建立锂离子电池组风冷散热结构，采用计算流体力学数值计算方法，优化了散热结构，结果表明：在进出口面积不变情况下，采用侧向通风散热方式，且进出口形状为圆形时，散热效果最佳。Sun等[50]对不同的冷却通道结构进行建模分析，结果表明“Z型”冷却风道结构可以缩小电池组间的温度差异。Yuan等[51]基于CFD仿真模拟，在电动汽车的热管理系统中加入最优几何结构的冷板以控制电池包温度，并模拟不同结构参数的冷板对电池包冷却的效果，并利用Matlab和Fluent进行联合仿真，得到最优冷板布置结构、入口速度以及温度等参数。梁昌杰等[52]在电池组间隙中加入导流板，通过改变导流板形状、位置等结构参数，研究电池系统内部的温度分布情况，仿真结果得到导流板相对较优的结构参数，进一步提高了电池的输出功率、安全性以及使用寿命。Fan等[53]将8块长方体电池进行不同间距的排列，验证不同电池间距下电池温度的变化，试验结果表明：在其他参数不变情况下，在一定程度上增大电池间距会使最高温度增加，但电池间温度相对均匀。杨凯杰等[54]进一步研究了导流板的尺寸和布置角度对气体流动和传热特性的影响，结果表明合理布置导流板可以使电池表面温度降至60 ℃以下。邹燚涛等[55]设计的“主风道+立管”形式送风方案能够获得均匀性良好的出风效果。Lu等[56]设计了一个顶部有进口和出口的“U型”冷却通道，以获得更好的冷却性能，其最大温差比相应的“Z型”设计低3 ℃。此外，Liu等[57]提出了一个创新的“J型”冷却通道，通过结合“U型”和“Z型”的设计，同时为提高系统温度的均匀性，提出了一种最优控制策略，新型热管理系统的实时控制系统根据电池组热状态的反馈来控制两个出口阀，从而将通道切换成“U型”或“Z型”。

综上所述，对于电池热管理系统的研究主要体现在以下几个方面：①电池的冷却大多采取强制冷却或自然冷却与强制冷却相结合的冷却方式；②热管理系统的进出口位置、尺寸大小、布置形状等因素会对电池的冷却效果产生影响；③根据实际需要，可考虑在热管理系统布置冷板、导流板等几何结构；④电池模块的排列布置也是影响电池散热效率的因素之一。进一步，集装箱储能电池系统热管理系统与动力电池热管理系统在结构上相近，且均采用风冷、液冷和热管等方式进行冷却，将电池温度保持在最佳温度区间并降低电池芯间的温差。然而，集装箱储能电池相对于动力电池来说在布置方式上电池堆砌数量多、密集程度高。在密闭的空间里，其工况和环境更为复杂恶劣，甚至需要不间断地工作。尤其具有可移动性的集装箱储能系统被要求需适应极其恶劣的外部环境，因此集装箱储能系统的储能电池需要具备更高内外部环境适应性。已有的动力电池的研究结果不能完全推广至集装箱储能电池热管理的研究工作中。集装箱储能系统与动力电池系统如图7和图8所示。

图7

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图7   集装箱储能电池系统

Fig. 7   Battery energy storage system


图8

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图8   动力电池系统

Fig. 8   Power battery system


2.4　储能系统热失控机理及抑制措施

储能系统在进行充电及放电时，系统内部的电池会产生大量的热量。由于储能系统内的单体电池超过5000块，电池排列较为紧密，间隙较小，电池模块的能量密度高，导致电池所产生的热量很难快速排出，在电池组之间会出现热量聚集、运行温差较大等现象。长时间运行会导致电池间内阻及容量的严重不一致，进而导致循环次数降低、热失控甚至火灾爆炸。热管理系统具备全方位的自诊断功能，上电后对电压、温度、存储器、内部通信等部件进行实时检测，同时对电池的过压、欠压、过流、过温以及一致性等电池故障进行判断和报警。当温度探测器感知电池温度升温并达到危险温度时，热管理系统发出警告并通过调节空调功率等来降低电池温度，保障储能系统安全稳定运营；当系统发生火灾时，能够及时探测到这种火灾，并部署主动灭火装置，以最大限度地减少损失。近年来，以集装箱储能系统热特性和热防护方法为目标的热安全性和热可靠性研究已经成为研究的焦点和重点。目前大量的学者主要从实验分析、理论研究和安全预测和预防等方面进行探索，从机理上掌握了储能电池系统热失控的机制及抑制方法，为集装箱储能系统的规模化生产奠定了基础。

引起电池热失控的机理可分为热能传导、电能传导和机械能传导。热能传导：当电池发生热失控时，通过电池正面接触而产生的侧向加热非常剧烈，导致被加热电池内部在厚度方向上温度梯度变大，由于电池前端面温度达到热失控触发温度进而产生热失控扩散。电能传导：在电池模块并联单元中，其他电芯会向发生热失控的电芯放电，导致发生热失控的电芯温度升高更多，同时，靠近已发生热失控单体的电芯将比远端电芯以更大功率放电，导致其温度迅速升高，从而促进热失控的扩散。机械能传导：某一电芯单体发生热失控，可能会对模组机械结构造成影响，或者其发生爆炸造成瞬间大量能量释放，对其周边的电芯也会造成一定程度的机械损伤，而这些机械损伤将增加其周边电芯发生失效的风险，严重时可直接导致其周边电芯发生热失控。

在具体讨论储能电池系统热失控的抑制方法前，首先对电池热失控的探测方式进行分析。

文献[58]研究了电池火灾的探测方式，结果表明，普通热探测器、感烟探测器和感烟热探测器都能探测到电池的着火，但是感烟热探测器的激活速度最快，而热探测器的激活速度最慢。以上研究表明热探测器不适合探测电池火灾，建议使用烟雾探测器。

抑制典型电池热失控有4种基本方法：隔离法、窒息法、冷却法和化学抑制法。水雾、灭火泡沫和粉末[59-64]是重要的灭火剂，它们在电池火灾中的灭火效率越来越受到关注。张青松等[61]发现水雾对电池火灾的抑制能力和冷却效率高于粉末，同时要求水雾喷射时间节点尽可能接近电池第一次破裂的初始时间。添加表面活性剂也可以提高细水雾的灭火性能，表面活性剂还可以帮助吸收甲烷和一氧化碳等可燃气体[62]。李毅等[63]在18650型LiCoO2锂离子电池组上比较了ABC粉、二氧化碳、水成膜泡沫和水雾的灭火效率，发现ABC粉末、二氧化碳和水成膜泡沫能够熄灭电池包装的明火。二氧化碳不是电池火灾的有效灭火剂，因为它不能冷却电池[65]。Halons已被证明能够部分抑制电池火灾[66]，但随着Halons应用的停止，电池的温度继续升高，灭火剂无法进入电池外壳[67]。Wang等[65, 68]引入了一种名叫CF3CF2(CO)CF(CF3)2的净化剂来抑制电池火灾，因为该净化剂对环境友好，在液态或气态下都不导电，且对电池火灾有优异的抑制性能，因此有望成为电池的优异灭火剂。然而，当CF3CF2(CO)CF(CF3)2暴露在极高的温度下时，会形成二次产物氢氟酸，这是一种有毒且具有腐蚀性的气体[66]。因此，找到一种最佳的电池灭火剂需要进一步的研究工作。

抑制储能电池的热失控在新颁布的标准中也得到了规定。韩国新法规将充电限制在低于90%的满电状态，以防止出现热失控情况。纽约市消防部门对室外电池储能系统的规定要求进行热失控火灾测试评估，同时要求通风装置的位置和方向能够使冲击波和爆炸产生的弹片方向向上并远离人员。同时规定安装消防开关，手动操作净化系统来排出烟雾和气体。

3 储能电池系统的热管理发展趋势

3.1　精准化电池个性送风

由于锂电池具有很高的温度敏感性，一般电池运行的最佳操作温度范围为10～35 ℃。然而，储能系统中的锂电池通常以串并联方式排列在电池模组中，电池间的连接增加了电阻，表现为不均匀的动态负载。因此，电池不仅由于电池在电池模组中的位置不同而产生不均匀的产热率，而且在充电和放电期间工作时由于电阻的存在，温度也不均匀。针对上述问题，单体电池的个性化热处理解决方案将成为储能电池系统热管理方案设计的一个焦点。

3.2　混合热管理技术

风冷技术具有制造成本低、结构简单及可靠性高等优点，是目前最适用的热管理技术之一。然而，其受限于使用的环境及单体电池生热率。当面临环境高温及电池高充放电率时，由于空气的低传热系数使得传统的风冷技术将不能满足储能系统的热管理要求。金属泡沫热交换器、翅片散热器、冷却板等技术在前期的预研过程中均表现出良好的空气换热强化特性。然而，上述方法通常增加了较大的系统的体积和重量。此外，热管技术和液冷技术等新兴的热管理技术已经在已有的电池的热处理方案中具有成功的经验。但轻量化、防漏液、紧凑化依然是上述技术需要突破的瓶颈。将空气冷却、液体冷却、相变换热等传统的热管理技术相结合以弥补单一热管理技术具有的缺陷是未来储能电池系统热管理的重要研究方向。

3.3　电-热-流一体化的环境控制策略

传统的热管理系统均以粗放的、批量化热处理为主，而储能电池实际的工作过程中电池热负荷随着工作特性的变化而变化且同一状态下各电池间的散热量也呈现出较大的不一致性。因此，根据每一个电池模块在不同工况下的热负荷需求来精准地设计电池冷却系统迫在眉睫，解决上述问题的有效途径为电-热-流一体化的模拟仿真技术，即电池的电动力学及流体的流动和传热机制相耦合，从而提出集装箱储能系统一体化的环境控制策略。

4 结语

随着集装箱储能技术向着高容量、紧凑化的方向发展，其热安全和热可靠性研究已经成为储能电池系统研究的焦点和重点。深入了解集装箱储能电池对温度、湿度的适应性，掌握目前已有集装箱储能系统的散热处理方法，突破现有控制方法的局限性，把握热管理发展的趋势，对建立全运行包线条件下的储能电池系统环境控制策略，具有重要的科学意义。本文综述了集装箱储能系统热管理系统的现状及发展前景。

（1）在影响电池的性能方面，总结了温度、湿度对电池容量、寿命和稳定性的影响，表明集装箱内的环境对电池具有较大的影响。

（2）在储能电池系统的热管理方面，介绍了储能电池系统的结构及运行机制，阐述了电池的生热模型，介绍了储能系统热失控机理及抑制措施，重点对国内外的储能系统热管理技术研究现状进行分析与总结，深度总结了空气冷却的发展现状。

（3）在储能电池系统的热管理发展趋势方面，总结了最新的储能电池系统热管理技术，指明了热管理技术的发展方向。

虽然在电池热管理方面已经取得大量的理论和试验成果，但是关于储能电池系统热管理技术的研究还处于不断发展和完善阶段，热失控的安全防护和储能系统的安全管理还面临诸多挑战。

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