西安交大徐俊：电池储能系统热管理和安全管控

蓝狮平台网讯：3月10-13日，由工业和信息化部节能与综合利用司指导，中国化学与物理电源行业协会主办并联合500余家机构共同支持的第十四届中国国际储能大会暨展览会（简称“CIES”）在杭州国际博览中心召开。

  CIES大会以“共建储能生态链，共创储能新发展”为主题，针对储能产业面临的机遇与挑战等重点、热点、难点问题展开充分探讨，分享可持续发展政策机制、资本市场、国际市场、成本疏导、智能化系统集成技术、供应链体系、商业模式、技术标准、示范项目应用案例、新产品以及解决方案的普及和深化应用。

  来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的2011余家产业链供应链企业， 53417位线上注册嘉宾将参加本届CIES大会，储能网视频号线上直播11万人参与观看与交流。其中300余家企业集中展示了储能产品，涵盖系统集成、电芯、PCS、BMS、集装箱、消防、检测认证、飞轮储能、液流电池、熔盐储热、压缩空气储能等新型储能全产业链。

  3月11日下午，西安交通大学教授、数字能源研究院院长、储能逆变器研究院院长徐俊在储能温控系统与安全专场分享了主题报告，报告题目《电池储能系统热管理和安全管控》。以下为报告主要内容：

  徐俊：谢谢大家。今天我们在会场也看到了很多展览，现在储能的产品已经有很多热管理和安全管控的措施。我们在高校里面做一些基础的研究工作，希望通过这次报告能够给大家带来一定的启发。由于时间关系部分细节内容不做展开，如果大家感兴趣，会后可以再进一步深入地交流。

  报告的题目是电池储能系统的热管理和安全管控。储能电池现在已经在各行各业得到广泛应用，我们在展会现场也可以看到各种各样的储能产品。国内外有大量的政策来支撑电池产业的发展，针对实际的应用场景，我们电池系统还存在很多问题。各种应用场景也对电池提出了安全性、密度、寿命等多样的要求。针对这些要求，这里面非常关键的，也就是我们这个报告所主要来讲的热问题。热可以分为热的安全性问题、可靠性问题和均衡性问题。

  安全性问题是大家首先要关注的，阻碍电池储能发展很大一部分原因就是大家对它的安全性不能很好地信任。再一个是可靠性，电池能使用多久，会不会在使用一段时间以后发生一定的故障或者是热失控等问题。最后是热均衡性，热不均衡的话电池的衰退也会不均衡，最终会造成整个电池系统特性大幅快速衰退。

  针对这些问题我们这个报告从结构、模型、控制、故障诊断几个方面进行说明。

  第一部分是电池的热管理结构。电池热管理的结构大致分成以下几类。第一类是空气冷却，这是前几年或者前几十年常用的形式。第二类是液体冷却，现在大部分产品都已经采用了液冷的方式。第三类是PCM冷却和热管冷却，PCM是相变材料冷却，可以利用相变材料在相变的过程中吸热和放热，保证一定的温度。第四类是热管冷却，现在的笔记本等消费类电子产品中已经在用了，在大储能上面用得比较少。当然还有一些复合型的结构。总体来说目前的主流方向还是液体冷却，液体冷却还有很多不同的形式，主流的是液冷冷板的形式。最近几年浸没式冷却方式逐渐多起来。这几个方面我们在很早之前就开展了相关研究。我们在八年前做了一些针对圆柱电池模块化冷却系统，该系统可以将冷却和结构整合在一起形成互用，具有非常好的冷却的效果，整个可扩展性也非常好。

  这是我们在五年前提出的浸没式多流道的冷却系统，可以达到最大3C甚至更大的倍率，充放电的时候最大温度可以控制在3摄氏度内，温差控制在2摄氏度，成组效率大于90%，也就是它的热管理的附件在里面占的分量会低于10%。

  针对多流道冷却系统做更进一步的说明：该系统的基础是浸没式冷却。这两天我在展位也看到了浸没式冷却的系统，目前大部分系统只是把电池泡在里面。但是，电池泡在里面还会有很多问题，我们还应追求电池的成组效率，用更少的冷却液 、更小的附件质量，可以达到更好的效果。在这样的要求下，我们对它进行优化。优化之前系统是如左图展示的无流道系统，可观察图中流线的情况。如果没有进行任何约束，浸没式冷却液只会一部分流过电池表面，所以效果非常差。在此基础上我们进行流道分割，虽然也是浸没式，但却分割了流道。有图对应的是我们多流道结构的结果。该结构简单，所需要增加成本也非常低。基于这个我们进行结构参数优化，最后我们跟现有的系统进行比较。现有的系统包括管道式、平板式。现在常用的产品比这个要求更低，就是底板上有这样一个冷板，电池之间没有冷板，对应的冷却效果会差一些。我们按照最好的冷却效果进行对比。对比项包括最大温度、温差和成组效率。右边两张图，对应设计优化的多流道系统，它比现有的系统最大温度能降低几度，温差也可以控制在一度以内，实现非常好的成组效率。

  第二部分是电池热模型。热模型常见的有很多模型，在此不做一一展开。我们提出了电热耦合的模型。在生热部分把等效电路模型的电阻分布到需要产热的部分，形成分布式的等效电阻模型。热阻部分形成了右边所示的热阻图。最后我们得到了一个三热源等效热阻模型。

  我们进行模型验证，首先是稳态验证，左边是热成像仪情况，中间是实时计算的情况，这个温差可以控制在一两度以内，能够很好地保证使用。我们用不同动态工况进行验证，这效果误差在1.5度以内。用不一样电池与外部的接触材料进行鲁棒性测试，即改变外部条件来观测效果如何。这是实际验证效果，包括不同的流速、温度、拟合度也会非常高，精度也可以达到我们所需要的要求。

  前面这部分是针对单体的情况，而在实际应用中不可能只看单体，我们要去做成电池模组，我们储能里面要做成集装箱的形式，需要进一步去拓展，把单体的模型拓展到模组，最后拓展到包或者箱。我们形成了这样全温度分布的模型，这个模型里面涉及了多物理场，包括电场、热力场和流场，右边是对应的模型。对应的温度分布图就是左下角所示的图，这个图大家可以看到跟我们仿真出来的温度云图比较相近，这个相当于类似于得到有限元的温度场，而我们的运算可以达到实时运算，运算时间在秒级的效果。

  这是对应多物理场耦合模型，这里不详细讲述，值得一提的是右图，我们电池是级联的，入口的温度会有一个流动增加的情况。

  最后对我们单体模组到PACK整个系统进行验证，包括了单体级、模组级的验证，温差都可以达到比较好的效果，这是整个电池包PACK级的，最后效果也是很不错。

  最后跟有限元仿真的模型进行对比，左上角上面对应的是有限元仿真出来的模型，下面对应的是我们提出的模型实时计算出来的，我们的模型和有限元仿真模型误差只在0.4摄氏度以内，效果很好。前面说了很多误差，我们在建有限元仿真模型的时候也会有相应的误差，我们可以跟有限元仿真模型具有很好的可比性，但是我们的运算时间、运算量更小。

  这是我们实际搭的小实验平台，左边是三个模组做成是小电池包，右边是对应的模型，左边是实时测出来的，右边是实时计算出来的，能够实时计算，误差很小。

  第三部分是管理系统的控制。实际的产品应用中控制还是比较简单的，最常用的PID控制，简单地就是一个比例的控制。我们学校里面总是想去做一些研究，看能不能优化提升一下。基于此我们提出了精细化管理的控制。为什么叫精细化呢？我们在前面拿到了电池包整包的温度分布情况，这是实时可以得到，可以将流量和入口温度进行更精确的控制，基于此，我们还要去做一些产热预测，包括工况识别产热预测，形成模型预测的控制方案，最后可以达到很好的温度控制效果。跟现有的PID等规则比较，可以很快地把温度稳定在我们需要的范围内，更重要的一点是温差可以很小，同时它所需要损耗的能量，也就是热管理所需要的耗能能够减少50%以上。

  我们还有一些电池低温自加热，对于储能用处不是很大，像电动汽车、电动摩托车等等这样的系统来说，在低温下电池的特性，什么时候去充电提出了很多的要求，我们也提出了多种方法，包括混合式的自加热的方法。我们同时还有一个重构电路的自加热方法，它的加热速率都可以达到6秒每摄氏度水平，等两三分钟左右电池可以加热到我们所需要的温度范围内。

  第四部分是电池的故障诊断。这部分的研究其实有很多，我们主要讲的是热故障诊断。热故障相当于我们只用电池热的信息来进行诊断，电池热是会传递的，热到一定程度以后变成热失控，我们利用TA、TB、TC的温度点，基于我们所建立的模型可以去做故障诊断，相当于把发生故障的电池识别出来。通过我们的方法，PACK里面不管哪一个电池单体发生故障，都可以很好地去识别，而且可以定位是哪一个电池单体发生的故障。

  最后简单介绍一下我们团队。今天我们的报告主题是热管理，除此以外，我们团队还在做电池管理各方面的研究，从电池生产出来到电池拆解，中间这一段我们都有在做，包括电池的模型基础研究、状态估计、故障诊断、热管理、复合储能、均衡重构、电池不一致性的电均衡和热均衡、BMS电池管理的硬件等等。

  这是我个人的介绍，我们在这个领域里面也是做了有十几年的工作，我们交大在整个储能领域也是有很多的研究。

  我所在的团队是教育部创新团队，我们整个团队里面老师有20多个人，硕博士研究生有200多人。我自己名下的小团队有1个博士后，博士生有14人，硕士生和博士生加起来有三四十人的团队。欢迎大家交流。

  以上就是这次汇报的主要内容，非常感谢，谢谢大家。

【责任编辑：孟瑾】