工商业储能系统为啥偏爱液冷设计？一文看懂！

3060 · 公众号 · · 2025-02-17 11:29

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液冷设计为何兴起？

在如今的工业和商业领域，大规模电池组的应用越来越广泛，从电动汽车到数据中心，从可再生能源存储到不间断电源系统，它们都扮演着至关重要的角色。然而，随着电池组规模的不断增大以及充放电速率的提升，散热问题成为了制约其性能和安全性的关键因素。传统的风冷散热系统在应对这些挑战时，逐渐显得力不从心。风冷系统，就像是用小风扇给大火炉降温，在大规模电池组高倍率充放电的过程中，其冷却能力实在有限。想象一下，电池组在快速充放电时，就像一个高速运转的机器，会产生大量的热量。而风冷系统依靠空气来散热，空气的比热容和导热率都比较低，就好比用一根细细的水管去输送大量的水，根本满足不了快速散热的需求。这就导致电池组的温度容易过高，不仅会影响电池的性能，还可能引发安全问题。而液冷设计的出现，就像是给大火炉接上了一条粗水管，带来了全新的解决方案。液体具有比空气更高的比热容和导热率，这意味着它能够吸收更多的热量，并且更快地将热量传递出去。就好比同样是搬运货物，液冷这个 “大力士” 能够一次搬运更多，而且速度更快。所以，液冷系统的散热速度比风冷快很多，能够显著降低电池模块的局部最高温度，让电池模块的温度更加均匀，就像给每个电池都配备了一个专属的小空调，保证它们都能在舒适的温度下工作。同时，液冷在噪音控制方面也比风冷更胜一筹，不会像风冷系统那样产生呼呼的噪音，给设备运行提供了更安静的环境。

液冷系统优势显著

（一）散热能力强

液冷系统之所以能在散热领域崭露头角，其强大的散热能力是关键。液体的比热容比空气高得多，就像一个大容量的 “热量储存器”，能够吸收更多的热量。例如，水的比热容大约是空气的 4 倍多，这意味着相同质量的水和空气，在吸收相同热量时，水的温度升高幅度要小得多，能够更有效地带走电池产生的热量。同时，液体的导热率也比空气高，热量在液体中传递的速度更快。就好比在一条高速公路上，热量是车辆，液体是宽阔平坦的主干道，空气则是狭窄崎岖的小路，显然热量在液体中能够更快地 “行驶”，从而实现快速散热。这种高效的散热能力对于大规模电池组至关重要。在高倍率充放电过程中，电池会迅速产生大量热量，如果不能及时散发出去，电池模块的局部温度就会急剧升高。局部高温不仅会影响电池的性能，还可能导致电池寿命缩短，甚至引发安全隐患。而液冷系统能够快速降低局部最高温度，让电池模块的各个部分都能保持在相对均匀的温度范围内。这就好比给一个班级里的每个学生都提供了合适的学习环境，避免了个别学生因为过热而 “学习状态不佳”，从而提升了整个电池模块的温度一致性，保障了电池的稳定运行。

（二）噪音控制佳

在很多应用场景中，噪音问题不容忽视。比如在数据中心，众多设备 24 小时不间断运行，如果噪音过大，不仅会影响工作人员的身心健康，还可能对周围环境造成干扰。传统的风冷系统依靠风扇高速运转来实现空气流动散热，风扇在高速转动时会产生较大的噪音，就像一台嘈杂的发动机，让人不胜其扰。而液冷系统在运行时，由于主要依靠液体的循环来散热，不需要像风冷系统那样使用大量高速运转的风扇，所以噪音明显降低。这就好比从一个喧闹的集市走进了一个安静的图书馆，环境瞬间变得安静舒适。液冷系统的低噪音特性，使得它在对噪音敏感的环境中具有明显优势，为设备的稳定运行提供了一个安静的 “幕后环境”，让工作人员能够在更舒适的环境中工作，也避免了对周围居民或其他设备造成噪音污染。

影响液冷系统的关键因素

（一）液冷通道设计

液冷通道的设计就像是给电池模块搭建了一个 “热量运输网络”，其设计要点直接关系到这个网络的运行效率。通道长宽比、形状和数量，每一个要素都对散热效果有着独特的影响。先来说说通道长宽比，在一定范围内增加它，就好比拓宽了高速公路的车道，能够让热量这个 “车辆” 更快地流通，有效降低锂离子电池组的最高温度，减少温度差。想象一下，一个狭窄的通道就像一条拥堵的小路，热量很难快速通过，容易造成局部温度过高；而拓宽后的通道则能让热量顺畅地流动，让电池组的温度更加均匀。通道的形状和数量也不容忽视。不同的通道形状，就像不同形状的水管，对液体的流动和散热效果有着不同的影响。而增加通道数量，就像是增加了更多的 “热量运输管道”，可以降低最高温度与电池模块之间的温差。但这也不是无限制的，过多的通道会导致能耗增加，就好比开了太多的小风扇，虽然能多吹点风，但也更耗电了。在实际应用中，解决进出水温差是一个重要问题。一种有效的方法是将管道一分为二，并将进水方向设置为相反。这就好比在一个房间里，从两个相反的方向吹进冷风，能让房间里的温度更加均匀。当电池模块中的电池数量较多时，采用平行冷却结构就像是给每个电池都安排了一条专属的 “散热通道”，能够确保每个电池都能得到充分的冷却。研究带有纵向肋的液冷通道时，不同的肋长宽比和数量会对冷却系统的性能产生不同的影响。通过实验对比传热系数、水热性能、质量流量、泵送功率和功耗比等指标，发现方案 4 的效果最佳，这就像在众多的道路设计方案中，找到了最适合热量通行的那一条，证明了这种设计的可行性。而且，随着肋数量的增加，散热效率会提高，就像在高速公路上增加了更多的车道，车辆行驶得更顺畅；而肋长宽比变化带来的改善相对较小。

（二）冷却液流速

冷却液流速在液冷系统中扮演着关键角色，它就像是散热系统的 “油门”，控制着热交换的效率。液冷热管理系统通常使用水、乙二醇或水 - 乙二醇混合物作为冷却介质，改变冷却液的流速，就能实现不同的热交换效率。当流速发生变化时，就像水流的速度改变，对电池模块的温度和温差有着显著的影响。研究表明，在一定范围内，流速的增加能有效提高系统的散热性能。比如，当流速从 0.05m/s 增加到 0.2m/s 时，电池组的最高温度 Tmax 从 49.17℃降低到 47.5℃，最大温差 ΔTmax 从 7.43℃降到 6.41℃ 。这就像是给炎热的房间换上了一个大风量的风扇，室内温度明显下降。然而，当流速继续从 0.2m/s 增加到 0.4m/s 时，温度降低的程度就减小了，这说明流速的增加虽然能提升散热性能，但存在边际效应，就像风扇的风力再大，房间的温度也不会无限制地降低。同时，流速的增加可能会带来一些问题。它虽然能降低电池模块的最高温度，但可能会导致电池单元之间的最大温差增加。这是因为流速增大后，冷却液在入口处带走了更多的热量，使得出口附近的电池得不到有效的散热，就像在一条水流湍急的河流中，上游的水得到了充分的冷却，而下游的水却没有足够的时间散热。为了解决这个问题，研究人员提出了梯度流速策略。这种策略就像是给不同路段的车辆设定不同的限速，根据电池模块不同区域的散热需求，设置不同的流速。将电池周围的管道分为三类，在散热需求大的区域设置更大的流速。实验结果表明，这种梯度流速设计能够在稳态阶段前降低模块的 ΔTmax，并且在平衡电池模块各部分的传热效率方面也起着明显的作用，就像合理规划交通流量，让整个道路系统更加顺畅。

液冷系统的控制策略

在液冷系统中，控制策略就像是一个智能大脑，指挥着整个系统的运行，确保电池始终处于最佳的工作温度状态。基于模糊 PID 算法的控制策略，是目前研究和应用中的一个重要方向。先来了解一下 PID 控制的基本原理，它就像是一个精准的温度调节师。PID 控制器通过对系统的误差信号进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，来调整控制量，以达到期望的控制效果。比例调节就像是给温度调节师配备了一个 “快速调整按钮”，能够根据误差的大小快速做出反应，误差越大，调整的力度就越大；积分调节则像是一个 “耐心的记录员”，它会累积过去的误差，慢慢地消除系统的稳态误差，让温度更加稳定；微分调节则像是一个 “敏锐的观察者”，它根据误差的变化率来预测未来的误差趋势，提前做出调整，让系统的响应更加迅速。然而，传统的 PID 控制在面对复杂的电池热管理系统时，就像是一个只会按固定套路出牌的选手，存在一定的局限性。因为电池组的热模型具有非线性和时变特性，就像一个脾气多变的孩子，温度变化复杂，传统 PID 难以快速适应这些变化。而基于模糊 PID 算法的控制策略，就像是给温度调节师赋予了 “智能大脑”，能够更好地应对这些挑战。它将模糊逻辑推理和 PID 控制相结合，不需要精确的数学模型，就可以在参数变动或系统特性不明确的情况下工作。模糊控制就像是一种用模糊语言来描述的控制规则，比如 “如果温度很高，就加大冷却液的流速”，它能够处理非线性和不确定的控制问题，对控制对象的模型误差和外部扰动具有一定的鲁棒性。在实际应用中，基于模糊 PID 算法的控制策略，首先会通过温度传感器实时监测电池组的实际温度，然后将这个实际温度与设定的目标温度进行比较，得到温度差 e 和温度差变化率 ec 。这两个参数就像是控制策略的 “眼睛”，让它了解电池组的温度状态。接着，控制器会对 e 和 ec 进行模糊化处理，将它们转化为模糊量，就像把具体的温度数值转化为 “温度很高”“温度上升很快” 等模糊概念。然后，根据预先设定好的模糊规则进行模糊推理，就像根据 “如果温度很高，就加大冷却液的流速” 这样的规则来判断应该如何调整。最后，将模糊推理的结果进行解模糊化处理，得到精确的控制量，也就是需要调整的冷却液流速。与传统 PID 冷却策略相比，模糊 PID 冷却策略具有明显的优势。在相同条件下，模糊 PID 冷却策略的调整时间缩短了 11 秒，就像一个短跑选手跑得更快了，能够更快地让电池组的温度达到稳定状态；最大温差降低了 0.14K，就像让每个电池的温度都更接近，提升了电池组的温度一致性。而且，它还增强了系统抵抗电流扰动的能力，就像给系统穿上了一层 “防护衣”，即使遇到电流波动，也能保持稳定的散热效果。这种策略能够根据负载电流随时调整散热能力，避免了散热能力不足导致电池过热，或者能量浪费的情况，就像一个智能的管家，合理地分配资源，让液冷系统的运行更加高效、稳定。液冷系统应用模式

在实际应用中，液冷系统展现出了多种灵活且实用的应用模式，每种模式都针对不同类型的电池和应用场景进行了优化，就像为不同身材的人量身定制的衣服，各有其独特之处。（一）管道环绕式管道环绕式液冷模式，就像是给每个电池都缠上了一条 “散热围巾”，特别适用于圆柱形电池。在这种模式下，载有冷却液的管道会环绕并紧密接触模块中的每个电池。想象一下，电池们就像一个个小战士，而管道则是围绕着他们的 “能量输送带”，源源不断地将电池产生的热量带走，从而有效降低电池的温度以及电池间的温差。这种亲密接触的方式，能够让冷却液快速吸收电池的热量，就像用湿布擦拭滚烫的物体，能迅速让物体降温。对于圆柱形电池来说，这种环绕式的设计能够充分发挥其散热优势，因为圆柱形电池的形状特点使得管道可以均匀地分布在其周围，实现全方位的散热，确保每个电池都能在适宜的温度下工作，提升整个电池模块的性能。（二）直接浸没式直接浸没式液冷模式，仿佛是让电池们在 “冷却液泳池” 里泡澡，将电池模组直接浸泡在不导电的冷却液中。这种方式就像给电池提供了一个全方位的 “冷却浴”，能够对电池的所有面进行冷却，极大地有助于提高电池的温度一致性。在超级计算系统的服务器中，这种模式得到了广泛应用。因为服务器中的电子元件密集，产生的热量巨大，直接浸没式液冷能够快速有效地将热量带走，保证服务器的稳定运行。然而，在储能领域，由于存在漏液风险，就像泳池可能会漏水一样，这种模式的应用相对较少。一旦冷却液泄漏，可能会对储能设备造成严重的损害，甚至引发安全问题，所以在选择这种应用模式时，需要格外谨慎，充分考虑其安全性和可靠性。（三）冷却板式冷却板式液冷模式，类似于在电池之间放置了一个个 “小冰箱”，是在电池或者电池模块之间放置冷却板，而冷却板内有精心设计的液体微通道。对于棱柱形电池或者软包电池来说，这种模式非常适用。想象一下，电池们被这些带有微通道的冷却板隔开，当电池产生热量时，热量会迅速传递到冷却板上，然后通过微通道内冷却液的流动被带走。这些微通道就像一条条细小的河流，冷却液在其中流淌，不断地吸收并带走热量。冷却板的存在不仅能够有效地散热，还能起到一定的支撑和保护作用，就像给电池们搭建了一个坚固的 “堡垒”，确保电池在稳定的环境中工作。总结与展望

液冷系统凭借其强大的散热能力和出色的噪音控制优势，在工商业储能系统中展现出了巨大的潜力，成为解决大规模电池组散热问题的关键技术。其独特的设计和运行原理，使得电池模块能够在更稳定、更高效的温度环境下工作，有效提升了电池的性能和寿命。然而，就像任何新兴技术一样，液冷系统也并非完美无缺。较高的能耗、严苛的密封要求以及复杂的系统结构，都是其在实际应用中需要克服的挑战。但随着技术的不断进步和创新，这些问题也在逐步得到解决。展望未来，随着新能源产业的快速发展，工商业储能系统的需求将持续增长，液冷系统作为其关键的散热技术，必将迎来更广阔的应用前景。我们有理由相信，在科研人员的不懈努力下，液冷系统将不断优化升级，为工商业储能领域的发展注入更强大的动力，成为推动能源转型和可持续发展的重要力量。难道液冷系统不会成为未来工商业储能系统散热的主流选择吗？

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