銀隆新能源Brad Hanauer:熱管理在大規模鋰離子電池系統中的重要性探討
4月2-4日,儲能國際峰會暨展覽會(ESIE)”是在國家能源局科技裝備司指導下,在中關村管委會、中國能源研究會支持下,由中關村儲能產業技術聯盟(CNESA)打造的儲能產業專業品牌會展。集中展示儲能全產業鏈的領頭企業的先進技術、產品與項目,是儲能企業提供與政策制定者、規劃者、電網管理者、世界大型電力公司面對面交流的機會,是專業觀眾、參會代表和展商溝通交流,實現儲能技術商業化的重要平臺。
銀隆新能源國際儲能研究院院長Brad Hanauer在主題論壇上做演講。以下是演講詳情:
首先向大家介紹一下熱管理在大規模鋰離子電池系統中的重要性,這是我們的一個產品,而且也是逐步發展市場上急需的產品,所以有些時候被人們所忽視。我想熱管理也是我們未來加以重視一點,首先介紹一下altalrnano,有助于了解電池起作用的過程。
接下來介紹一下熱管理所面臨的挑戰,熱的路線圖以及熱的產生,以及熱轉移的一些特征,另外對于熱管理的系統設計,首先介紹一下altalrnano,altalrnano事實上德國一個州,我們生產在中國的邯鄲,從一個礦產起家的。在2005年進行鋰電子的開發,后來銀隆獲取大部分的股份,2008年我們已經私有化,現在百分之百屬于銀隆集團。
在altalrnano,我們主要投資并且生產高性能的納米鋰電池材料,提供高性能的電池系統以及科技,同時我們提供可再生的電網,包括工業、交通商業解決方案。比如說在這里看到一些儲能的系統,這也是我們在全世界的儲能系統。總的來說,我們也是受頻次監管一個產品,在并網過程中有很多的項目,我們在PGM,在美國有三個系統,在不同的島上,在夏威夷的島上,當然也有一些挑戰。另外我們在丹麥有我們的系統,另外在中國江北也有我們并網的項目。
altalrnano我們這個ALT關鍵技術是什么呢?首先最重要是安全,我們有一個非常長的循環和上面的周期,可以說是2.5萬+的周期。同時可以看到電網級別的這樣一個層面上,我們是3-6倍,比普通的鋰電池實現深度的充放電。
另外我們的運營溫度的范圍是零下40度或者到65度,我們強調低溫的充放能力,我們比其它的鋰電池有優勢的,因為在低溫下其它鋰電池是有問題的。但是我們技術充電的速度跟耗電的速度可以基本上一致。另外我們可以實現接近超電容器性能表現,然后在10秒鐘能夠上升到是5C,另外就是壽命,壽命可以在20年以上,然后生命周期的退化是小于2%。另外的話,我要談一下這個電池系統它的功能,也就是說在儲能系統設計的時候的話,都要哪些方面。我非常喜歡這個概念的話,就是一個叫能量緩沖系統,就是說,首先來說這個儲電儲盡可能的電,我們也需要把電能移進移出,我們需要功率,意味著產生熱。因此的話,我們就需要一個能量緩沖的系統,而且它系一個更加有用的一種范式,我們要理解能量和功率之間的平衡,針對不同的應用。
當我們在設計的時候,我們要強調熱管理,我相信如果在這個市場上現貨的價值,想產生能夠給你回報的市場,你就必須強調能量的進出,不光是儲能,還要強調能量進出的問題。所以說我堅信最有效的設計,要有最高的所謂能量的通量。這樣的話,你強調管理,才能從這里面獲得更大的價值。
這是一個路線圖,也是非常重要的一點,大家要關注這一點。第三點,不是跟電池系統有關系的,但是的話,沒有它也不完整。第一個關鍵點,要知道產生多少熱,要想做到這一點的話,我們要做非常好的特點的分析。包括由于壽命的老化帶來一些效應,還有我們要做工作周期做分析。另外的話,它會對電池內部的話帶來什么樣的熱的變化,包括在充電的狀態當中,還有順便熱的特點,要把這個放在工作周期里面,要了解熱的表現是什么樣的?一旦我們了解這方面,了解了電池系統內部熱的變化,我們要做高效率的設計,來保證整個電池系統都有安全的問。我們就要設計一個并行的電路來進行熱排斥,而且的話,我們要采用FEA跟CFD的工具,有多少熱會產生的話,我們要了解在靜態狀態時候,熱會產生多少,同時的話,我們也要了解在充電的時候,它的電池的內部阻抗是什么樣的,還有要分析電池的內部阻抗跟溫度之間的關系,另外我們也要了解電池的開放線路它的電壓跟SOC之間的關系。我們要了解電池內部阻抗跟OCV變化,由于壽命的變化的情況。同時的話要做工作周期的分析,以及所需功率跟時間之間的關系,以及帶來的電池SOC的結果,電壓、電流等等。
我們在這里面就列出來我們所分析獲得一些數據,我們看到電壓的曲線,當我們在內部阻抗方面,我們看到有充電跟放電的這一個阻抗的情況,就能告訴我們這個溫度變化的情況。整個矩陣都要放在我們計算當中,在這個工作周期分析的話,我們就要了解功率相比時間的變化,我們看到這是非常很小的系統,我們要做600千伏的電壓的分析。這時候會產生熱,我們把功率相比時間來了解電壓還有充電狀態的變化,在左邊我們看到有電壓,這是用藍線表示的,有兩條紅線的,藍線表示電壓的變化,是工作周期變化的情況,我們也需要兩條紅線的狀態的分析。大家可以看到從電壓的角度來講,藍鏈在我們所要求范圍之內,在左邊的話我們看到充電狀態的時候電壓的變化。
通過這樣的分析我們可以看到,這個電池系統看上去在這個方面來說很合適的,熱怎么樣去逃出,我們要看一下熱傳遞的行為,要了解溫度的分布。我們去除這個熱的時候都在發生什么樣的情況,我們要看模塊的水平上的情況,還有穩定狀態下,還有順電狀態下熱的情況,在靜態情況下,我們設計一個模型,做了一個工礦,來了解熱在這個模塊里面。我們做了一個模塊,把它設立起來,讓我們了解來做一些預告分析,預告性的分析,來對模型的結果跟測試的結果做一個比較,這是比較的結果。這樣的話我們有一個工具可以用來探索不同的工礦,而不需要對這個工礦做一個逐個的測試。
我們也做了一些創新,讓大家看一下結果。這是一個叫氣冷的模塊,我們看到它的周邊溫度是41度,我們看一下在整個的工作周期里面,我們模擬是否跟測試的結果是一樣的。而且的話,我們也就這個測試結果做了一個公試,公試的細節不再講了。我們做了同樣的測試,然后想把這個測試的結果放在一個模型里面,形成低線的系統,包括熱阻抗和熱電容做了一個聯系,因此的話我們做了一個公試。在這個公試里面做每一個模塊進行考量。如果做整體溫度的情況,你要有不同的參數,代表模塊的不同地方的參數,讓我們了解什么地方出現更高的溫度,這個模型有效性怎么樣?我們看到預測有12度的溫度的上升,大家看到這個線是曲曲折折的,但是我們預測溫度上升12度。結果溫度上升12.3度,非常重要他們這個曲線的變化,曲折的變化是非常吻合的。這樣的話,我們就對溫度的預測的話就更加有信心了,在這個工作周期里面,這是一個水冷的模塊。
我們看到藍線是我們的預測,紅線是我們實際測試的結果,非常復雜的工作周期里面,我們還是能夠把最高溫度預測出來,不是靜止狀態下,而是順便的工作情況預測出來。
我們怎么做到的?看到工作的周期,可以看到溫度的變化,如何把這個熱去掉,設計點在什么地方?因為熱是一個變量,有高度變化的,我們如何來把它放到設計里面,來建立設計點,一旦我們了解了復雜的工作周期跟溫度的變化,然后我們在計算就是穩態的熱產生,什么樣的形成了最高的溫度,我們就找到設計點做一個熱管理系統,這樣的話,我們就能夠對熱的波動做更好的管理,大家看到這里面的數據考慮到老化的過程帶來的變化。因此熱管理系統的話,要做得非常好,要考慮到整個系統的老化的過程帶來熱的變化,溫度的變化。
這是兩個關鍵點,是希望大家記住的,首先的話我們了解電池的特點,熱是如何釋放出去的,如何進行管理。然后通過工程設計,這里面是一個例子,我們看到單元里面有哪些點,當然這里是共同作用,來實現這個熱的釋放。這里面有一個例子,就是里面放了一些所謂的冷度層,冷度層就是CFEA,讓這個熱有效的釋放。在這個系統里面分了很多層,在這個之間有冷度層,我們來分析,如何來進行管理,保證這個系統里面的溫度有更加平均的分配。作為總結,就是儲能系統只要帶來經濟價值能產生熱,這是我的經驗告訴我的。未來管理熱的話,儲能系統的特點,包括在電池層面上熱的產生,以及局部的熱傳遞的路徑來排斥這些熱。一旦這個電池跟模塊的特點分析做完了以后,我們在系統的層面上做一些熱管理的設計,這方面要特別的關注,這樣的話對熱管理帶來非常好的效果,謝謝大家。

責任編輯:仁德財
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