储能细分赛道—热管理系统- 大数跨境

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储能细分赛道—热管理系统

材荟智造

2023-07-27

导读：行业背景2021 年 4 月，北京国轩福威斯储能电站发生火灾爆炸，经调查，起火原因是 LFP 电池发生内短路

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行业背景

2021 年 4 月，北京国轩福威斯储能电站发生火灾爆炸，经调查，起火原因是 LFP 电池发生内短路，引发电池热失控起火。同年 7 月，搭载特斯拉 Megapack 储能系统的澳大利亚“维多利亚大电池”项目在测试过程中因冷却系统泄露，引发电池仓起火。频繁出现的起火事件凸显出热管理已成为保障储能电站安全运行必不可少的重要组件。

温度对电化学储能系统中的锂电池容量、功率和安全性等性能都有很大的影响。与动力电池系统相比，储能系统聚集的电池数目更多，电池容量和功率也更大。大量的电池紧密排列在一个空间内，运行工况复杂多变，时而高倍率，时而低倍率，容易造成产热不均匀、温度分布不均匀、电池间温差较大等问题。而这些问题可能会导致部分电池的充放电性能、容量和寿命等下降，从而影响整个储能系统的性能，严重时会引发热失控，造成安全事故。

容量衰减：高温下活性锂离子电池损失，导致磷酸铁锂电池的容量衰减，使得电池储能系统的实际运行容量快速衰减；
热失控：在电池的充放电过程中，一部分化学能（放电）或电能（充电）会转变成热能，若热能无法及时散出、在电池内部积聚形成高温，可能会导致正负极发生短路，引起燃烧、爆炸等安全问题。一个电池热失控，可能引发连锁效应，造成重大事故；
低温特性：低温下电解质的传输性能、锂的扩散速度、电极和电解质界面处的电荷转移速度均会显著下降，锂电池在低温下循环可能会导致锂在负极析出、积聚，形成锂枝晶，轻则造成不可逆的容量损失、降低电池的容量和热安全性，重则刺破隔膜造成短路；

在储能系统中，温控的要求包括：控制单体电池的表面温湿度：保持最佳工作温湿度，1）温度+15°C-+35°C；2）相对湿度在5%-95%之间且无冷凝水；避免电池系统中产生局部热点：电池间的温差不超过5°C，避免产生局部热点。

温控技术

目前，大容量锂电池储能系统可采用的温控技术主要包括四种，分别适用于产热率、环境温度不同的应用场景：

风冷：以空气为介质进行热交换。主要特点为结构简单、成本低，但散热速度和效率较低，适用于电池产热率不高的储能项目；
液冷：以液体为介质进行热交换。主要特点为散热速度和效率更高，但结构更复杂、成本更高，同时需考虑冷却介质泄露的风险；
热管冷却（尚处于实验室阶段）：依靠管内冷却介质发生相变来实现换热。主要特点为散热速度和效率高于液冷，冷却介质泄露风险更低，但成本更高；
相变冷却（尚处于实验室阶段）：通过相变材料吸收热量，并结合风冷/液冷系统等导出热量。主要特点是结构紧凑、接触热阻低、冷却效果好，吸收的热量需要依靠液冷系统、风冷系统等导出，但相变材料占空间，成本高。

风冷

在功率密度较小的集装箱储能系统和通信基站储能系统中主要采用风冷技术。主要由室内机（包括压缩机、蒸发器、膨胀阀等）和室外机（冷凝器等）构成，室内机与室外机一一对应。压缩机抽取压缩室内热量，形成高温高压气体送入室外的冷凝器中，气体通过向外放热液化，液体回到蒸发器中向室内吸热蒸发，后回到压缩机，完成一次制冷循环。

优点：结构简单、易维护、安装成本低。
缺点：空气的比热容低，导热系数也很低，因此冷却效率较差，适用于发热功率小的中小型设备温控。

以集装箱式锂电池储能系统为例，该系统由标准集装箱、锂离子电池系统、电池管理系统、储能变流器、空调和风道、配电柜、七氟丙烷灭火装置等组成。

风冷的核心是空调和风道。空调制冷，风道交换热量。在储能项目的应用中，由于不同集装箱的电池能量密度、摆放位置、容量大小等有所不同，因此需要运用风道对集装箱内空气流向进行定制化设计。

空调输出的气流经风道出口以一定的速度向下流出后，在电池模块前端面板风扇的作用下，从电池模块后端面板进风口进入电池模块内部，流经电池单体表面对电池单体降温，然后由风扇抽出。电池模组后端面板开孔，便于空调输出的气流进入模组内部；前端面板设计轴流风扇，用于将气流抽出，促进气流在电池模组内部的流动。气流进入电池模块内部后流经电池单体表面，与电池单体进行冷热交换后由风扇排出，完成对电池单体的冷却。

空调控制由空调自身逻辑控制来实现，根据集装箱内部不同温度条件可分为制热模式和制冷模式，制热模式实现对电池低温下的控制和保护，制冷模式实现对电池温升的有效控制。电池模块风扇由电池管理系统控制，且每一个电池模块的风扇可独立控制运行。

液冷

液冷方案在保证储能系统安全、散热效率等方面综合优势显著。液冷方案采用水、乙醇、硅油等冷却液，通过液冷板上均匀分布的导流槽和电芯间接接触进行散热。根据液体与热源接触方式不同，液冷可以分为直接/间接接触型液冷。主要由室内机（包括压缩机、蒸发器、膨胀阀等）和室外机（冷却塔等）构成，一般室外机只有一台，分散热源流入冷却塔中进行集中散热。直接接触型为冷却液与电池直接接触进行换热；间接接触型为冷却液在冷却管/板中流动，与电池间接接触换热。

优点：液体的比热容、导热系数高于气体，靠近热源，因此冷却效率更高、耗能更低。
缺点：成本高、工况复杂、冷却塔占地大、存在漏液风险。

与相同容量的集装箱风冷方案相比，液冷系统不需要设计风道，占地面积节约 50%以上，更适合未来百 MW 级以上的大型储能电站；由于减少了风扇等机械部件的使用，故障率更低；液冷噪声低，节省系统自耗电，环境友好。

当前直接接触型液冷的应用仍不成熟（出于对漏液风险的考虑），液冷在储能的应用上以间接接触型为主，因此在实际应用中需要对间接接触的流道数量、流量、流速等进行定制化设计。通过提高流道数量、冷却剂流速、冷板厚度，可以有效降低平均温度和让温度分布更为均匀，但相应的投资成本也会随着增加。

液冷系统的核心为冷水机和液冷板。其中冷水机包括压缩机、冷凝器、节流器、蒸发器和水泵等部件，冷水机生产商包括英维克、同飞股份等；液冷板是将上游的铜和铝等原材料进行加工成相应的板材，液冷板的生产工艺分为钎焊、吹胀、压铸、冲压、搅拌摩擦焊等，液冷板生产商包括银轮股份、三花智控、飞荣达、科创新源等。

热管冷却

由管壳、管芯及工质组成，分为蒸发段、绝热段和冷凝段。热管的蒸发段受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体在沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。由于毛细力造成的虹吸作用这一特点，使热管可在非重力方向传热。

优点：导热效率更高，温度控制可做到等温、恒温，冷却介质。
缺点：尚处于实验室阶段，技术不成熟。

相变冷却

相变材料分为无机和有机相变材料，其中无机相变材料主要有石墨、熔融盐、结晶水等，有机相变材料例主要有石蜡、醋酸等。温度不变的情况下改变物质状态并且提供潜热物质，转变物理性质来吸收或释放大量潜热，达到降温的目的；此外，相变材料冷却与其它冷却方式（如风冷、液冷等）耦合形成的散热系统亦有使用。

优点：系统结构简单，空间利用率高，不需额外耗功，电池组温均性较好。
缺点：导热系数低，导热性能差，无法用于电池的高产热工况，尚处于实验室阶段。

后两种技术3-5年内实现规模化应用的可能性不大。

风冷所涉及的冷却结构简单、便于安装、成本较低，但制冷效果低下、无法实现精准控温、需要大面积散热通道。行业目前装机较多的通信基站、小型地面电站等电池能量密度低，充放电速度慢、功率密度相对较低的项目，风冷制冷效率可以满足。液冷通过冷却液对流换热，散热更高效均匀，且可靠性更佳。未来随着新能源电站、离网储能等更大电池容量、更高系统功率密度的储能电站需求起步，储能系统能量密度与发热量更大，对安全性和寿命的要求更高，将推动行业更多转向采用液冷方案。液冷系统可以和电池包高度集成，所需空间小，无需担心灰尘，水汽凝结。但液冷技术的成本相对更高昂，若装机量较大（5MWh 以上），液冷的成本会大大降低。宁德、阳光电源、比亚迪等头部企业已率先切换，龙头示范效应将驱动液冷渗透加速。

技术要求

储能温控的工作对象电池系统、精密空调的工作对象如数据中心、以及工业制冷设备的工作对象如工业机组等，对温控的要求有较高的相似性，具体表现为：

对温度、湿度有高恒定性要求：必须控制设备处在恒温恒湿环境的状态中，以避免设备及内部电子元件烧毁甚至引发火灾。
有在户外工况下正常工作的能力：要求有较好的过滤空气杂质（风冷）、液体杂质（液冷）能力，以防止杂质进入温控系统或设备中。
长时间稳定运行的能力：设备通常需要长时间不间断运行，因此对应要求温控设备有7*24小时不间断稳定运行的能力。
液冷中，要求管路中的冷却液不能泄露：一旦管路中的冷却液发生泄漏，会引发设备进水短路，毁坏设备甚至引发火灾。

除满足基本的性能要求外，还需要：1）通过预制化& 模块化，提高效率、降低成本；2）通过定制化，满足项目的地域环境、建筑结构、温湿度要求等多样性需求。3）搭配智能控制系统，实现状态查询、报警分析、参数设定等远程智能控制功能。

温控市场空间

对21-25年全球市场空间测算的核心假设：

发电侧配储：装机量为14/50/85/147/239GWh，液冷占比为 30%/38%/45%/50%/55%；
电网侧储能：装机量为2/4/12/15/25GWh，液冷占比为 15%/20%/25%/30%/35%；
工商业储能：装机量为2/7/16/30/57GWh，液冷占比为 15%/20%/25%/30%/30%；
户用储能：装机量为4/8/14/32/77GWh，液冷占比为 10%/15%/18%/20%/20%；
通信基站：装机量为10/12/19/21/22GWh，液冷占比为 10%/15%/20%/25%/25%；
装机产量比：90%。
温控系统价值量：21年风冷/液冷价值量分别为3000/9000万元/GWh，在储能系统成本占比约3-9%。

测算结果：1）预计21年全球储能温控市场空间14亿元，其中风冷、液冷分别占比80%/20%；2）预计25年市场空间达到211亿元，其中风冷、液冷分别占比58%/42%；3）21- 25年CAGR达95.9%。

目前风冷方案占比较高，可能主要系通信基站等应用领域推广更快，通信基站中的储能系统功率密度相对较低，对温控设备要求较低，因此大量在数据中心温控领域采用的风冷方案应用到该领域。未来随着新能源电站、离网储能等更大电池容量、更高系统功率密度的需求起来，液冷方案占比将快速提升。

竞争格局

储能热管理行业的参与者根据技术路线来源分为两大类，第一类即风冷技术，大部分是以前空调相关的公司，包括精密温控（如英维克、申菱环境、朗进科技）、汽车空调热管理者（松芝股份、奥特佳、三花智控、银轮股份）；第二类即液冷技术的公司，工业冷却相关者，如同飞股份、高澜股份。

新能源公司能够凭借储能电池与热管理系的一体化设计获得更好的性能，并凭借电池的市场占有率稳定热管理系统市场；温控设备公司有更深厚的技术积累和规模优势，可能在成本和行业标准上取得优势。

储能热管理具有定制化程度高的特点，根据储能系统的应用场景、装机量、自然环境、成本等综合要求，每一个特定的储能项目都具有相对特有的解决方案，如风冷/液冷选择、风道的布置、风量大小和均匀性、清洁度、温度控制范围等，这就需要企业：1）在面对众多客户和不同项目时具有高效的方案制定和落地的能力；2）储能系统对经济性要求高，因此热管理企业必须降低综合成本。