採用溫度感測器進行儲能溫度控制

溫度控制套件 (NTC, PT100, PT1000, DS18B20儲能感測器) 是儲能安全經濟運作的重要保障. 在電池儲能應用中, 溫度感測器主要負責感知電池的溫度變化. 當電池溫度達到一定閾值時, BMS會自動終止電池的充放電操作.
據不完全統計, 有 50 全球儲能電站火災爆炸事故 10 年從 2011 到 2021. 他們之中, 有 30 在韓國, 3 在中國, 2 在美國, 1 在日本, 和 1 在比利時. 據中國能源報道, 這 “4.16” 北京大紅門儲能電站事故 2021 造成的 3 死亡人數, 1 受傷, 以及直接損失 16.6081 萬元.

部分儲能安全事故原因分析

溫度感測器用於能量存儲

用於電池儲能溫度控制的溫度感測器

儲能電池和NTC溫度感測器

造成儲能電站事故的主要原因是: 鋰電池本身及管理系統的缺陷, 鋰電池內部熱失控, 充放電時散熱不良.
國家能源局發布 “14電力安全生產五年規劃”, 專注電化學儲能安全運作技術提升. 這 “新能源儲能專案管理規範 (臨時) (徵求意見稿)” 強調安全原則，提出全生命週期安全管理要求. . 建議原則上, 不再新建大型動力電池梯級利用儲能項目，避免發展高安全問題.

儲能安全事件狀態分佈

1.1 溫控套件作為熱管理執行器，確保儲能係統的安全

Thermal management is an important means to ensure the safe operation of energy storage systems:

從兩個角度提高儲能運作安全性:

①提高電池本身的安全性能，降低刺穿機率, 短路等不良狀況, 主要依靠電池企業的技術提升.

②Improve the stability of the battery during operation through thermal management, 使電池在充電過程中保持在安全工作參數範圍內, 放電, 和靜態, 並避免進入熱失控狀態. 主要依靠BMS來監控鋰電池的狀態, 並依靠溫控設備控制鋰電池的恆溫恆濕.

電化學儲能係統結構示意圖

② BMS監測儲能電池的溫度變化，是儲能係統熱管理的決策者.
③ 溫度控制是儲能係統熱管理的執行者, 使儲能電池的溫度和濕度保持在適當的狀態.

溫控感知器系統實現BMS熱管理策略, 採集溫度數據，透過控制加熱來調節儲能係統的溫濕度, 冷卻等設備依照一定的邏輯, 使電池處於安全且有效率的運作狀態.

鋰電池最佳溫度範圍為10-35℃, 且溫控技術要求突出;

儲能電池工作溫度範圍及電池失控;

溫濕度控制影響鋰電池的綜合性能，關係到儲能整個生命週期的經濟效益

溫濕度控制不當會導致鋰電池容量失效, 壽命縮短, 和性能下降, 從而降低儲能整個生命週期的經濟效益.

電池工作溫差

濕度對鋰電池的主要影響:
環境濕度過高會加劇電池內部反應, 造成電池鼓包、外殼破裂, 最終降低電解液的熱穩定性. 熱失控臨界時間 100% 濕度是 7.2% 早於下面的 50% 濕度. 濕度在一定範圍內會加劇電池熱失控過程.
溫度對鋰電池主要有三大影響:
1) 容量及壽命: 如果溫度過高或過低, 電極材料會被損壞, 導致金屬離子溶解, 鋰電池的容量衰減得越快, 且循環壽命越短. 若電池的工作環境溫度升高15°, 電池壽命將縮短 50%.
2) 熱失控風險: 如果鋰電池充放電產生的熱量無法及時散發, 會導致鋰電池內部溫度過高, 容易造成SEI膜分解、放熱等問題, 電解質吸熱蒸發, 和隔膜熔化. 會導致正負極之間短路, 電池故障, 嚴重時甚至會出現燃燒、爆炸等安全問題. 同時, 單體電池熱失控極易引發連鎖反應，導致儲能係統熱失控.
3) 低溫特性: 當氣溫較低時, 鋰電池電荷轉移不良，充電效能下降. 至少, 鋰會在負極析出並積累, 降低電池的容量和熱安全性, 在最壞的情況下, 隔膜會被刺穿造成短路. 低溫也會嚴重縮短電池壽命. 鋰電池在-40℃時的循環壽命不到25℃時的一半.
鋰電池放電倍率越大，工作時間越長, 它們產生的熱量越多;
電池產熱由焦耳熱和反應熱組成, 兩者皆受環境溫度影響, 工作時間, 和充電和放電倍率.

左邊: 電池放熱功率, 20℃時放熱量與時間關係曲線; 正確的: 電池放熱功率, 1C時放熱與時間關係曲線

① 隨著充放電倍率的增加, 電池放熱量顯著增加. 20℃時, 1C 速率下的發熱率增加 530.5% 與0.3C相比;

②與電池的工作時間有關. 產生的熱量越多, 可能產生的熱量越多;

③環境溫度升高會增加電池對流散熱的難度.

模組實測 1 循環電池電芯溫升變化圖

儲能係統大容量、高倍率成發展趨勢, 且溫度控制的需求正在擴大
儲能已從備用轉向主用, 積極參與調頻調峰. 大容量、高速率已成為發展趨勢, 導致電池發熱增加.

儲能由備用轉主要使用

共享儲能電站技術方案示意圖

二. 液冷技術在儲能溫度控制的應用
滲透率可望持續提升

儲能溫控技術主要是風冷和液冷, 熱管和相變正在研究中.

現在, 以風冷和液冷為主, 熱管冷卻和相變冷卻正處於研究階段.

不同溫控技術路徑的效果表現

風冷: 以空氣為冷卻介質，利用對流熱交換來降低電池溫度的冷卻方法. 然而, 由於空氣的比熱容和導熱係數較低, 更適合電力相對較小的通訊基地台和小型儲能係統.

液冷: 利用液體對流傳熱來傳遞電池產生的熱量. 由於液體的比熱容和導熱係數比空氣高, 更適合高功率儲能係統, 資料中心, 新能源汽車, ETC.

熱管冷卻: 熱管冷卻依靠封閉殼體內工作流體的相變來實現熱交換, 分為冷端風冷和冷端液冷. (目前正處於研究階段, 本文暫時不討論)

相變冷卻: 相變冷卻是利用相變材料吸收能量的冷卻方法. (目前正處於研究階段, 本文暫不討論。)

液冷與其他溫控技術對比

風冷技術: 強制風冷技術成熟, 而風道設計是關鍵.

液冷技術: 液冷散熱性能更好, 而客製化的流道設計是難點.

液冷系統組成:
主要由冷媒循環系統組成, 冷卻劑循環系統 (電子水泵, 水冷管, 水箱, 電池冷板組) 和一個控制系統. 主要部件是電池液冷板.
常用的有兩種模式:
一種是直接接觸將電池模組浸入液體中; 另一種是間接接觸式，在電池之間設置液冷板. 液冷需要使用電子幫浦等輔助設備. 與風冷相比, 液體傳熱係數高，可用於大容量電池的冷卻. 不受海拔、氣壓影響，適應範圍更廣, 但液冷方式由於設備昂貴，成本較高. 對於電池系統, 直接接觸浸沒液冷有洩漏風險. 現在, 主要解決方案是間接接觸式電池液冷板液冷.

水冷系統結構示意圖
液冷管路佈置
液冷具有更高的比熱容和導熱係數
CATL液冷箱原理圖及效能參數

液冷散熱效果極佳, 更高的空間利用率, 降低能源消耗, 以及更廣泛的應用範圍.
① 優良的冷卻效果: 液體的導熱係數為 3 空氣的幾倍, 它帶走了超過 1000 相同體積空氣的熱量的倍. 風冷一般可以將電芯溫差控制在5-10℃以內, 而液冷則可控在5℃以內. 更好的設計可以將冷卻液進水管和回水管的溫差控制在2℃以內.
② 空間利用率較高: 液冷無需預留散熱通道, 大大減少了儲能係統的佔地面積;
③ 降低能耗: 溫度控制約佔 35% 能源消耗, 除IT設備外能耗最高的設備. 與傳統風冷技術相比, 液冷系統可節省約 30% 到 50% 電力消耗. 採用液冷技術的資料中心機房整體能源效率將會提升 30%.
④ 應用範圍更廣: 液冷更適應惡劣環境，更能配合風能、太陽能發電, 例如海邊的高鹽地, 沙漠, ETC.
⑤ 液冷提高電池壽命: 液冷技術, 電池壽命可以透過以下方式延長 10%.

儲能電池和PT100 PT100溫度感測器

不同溫控技術路徑的效果表現;

液冷在儲能領域的獨特優勢;

熱管, 相變冷卻: 兩者均處於研究階段，尚未應用於電池儲能係統;

熱管冷卻依靠封閉殼體內工作流體的相變來實現熱交換. 相變冷卻是利用相變材料吸收能量的冷卻方法.

相變冷卻計數原理;
熱管散熱原理;
相變儲能自然冷卻系統運作圖

技術狀況: 風冷現階段市場滲透率較高, 液冷產品正在推廣

受益於儲能發展仍處於早期階段, 大多數專案都是小型儲能係統，容量和功率較小. 風冷效率滿足需求, 經濟優勢支撐其較高的市場滲透率.

每 GWh 的空氣冷卻值為 30 百萬, 比液冷系統更經濟

與液冷相比，風冷具有更高的可靠性: ①風冷系統結構簡單，更易於安裝與維護. ②部分液冷系統仍有冷卻液洩漏、故障點多等風險, 而且風冷系統相對來說更可靠.

風冷效率仍有待提高, 且仍有市場空間. 風冷可透過優化風道設計，提高冷氣冷氣效率, 控制方向, 氣流的流速和路徑.

電池組自然對流與強制風冷的溫度分佈;
液冷系統解決方案價值分佈;

CATL等主流企業, 陽光電源, 而比亞迪則開始加大液冷產品的推廣力度.

DS18B20儲能感測器

科技趨勢:

(1) 液冷滲透率提升, 風冷仍然有一席之地

(2) 儲能獲利能力可望改善, 有利於液冷滲透率的提升

與三元電池相比, 磷酸鐵鋰電池成本低，可降低儲能成本: NCM811三元鋰電池的價格成本為 1.0-1.2 元/瓦時, 能量密度170-200Wh/kg; 磷酸鐵鋰電池的價格是 0.5-0.7 元/瓦時, 能量密度為 130-150 瓦時/公斤.

電池價格下降將帶來儲能經濟效益轉折點

儲能係統獲利能力可望改善, 液冷滲透率或將提升: 根據產業預測, 儲能係統的成本預計將下降至 0.84 元/瓦時 2025. 現在, 儲能處於商業化發展初期, 成本敏感度高，液冷技術可靠性有待提高, 所以風冷的普及率比較高; 隨著儲能獲利模式的完善, 成本敏感度降低, 且液冷技術不斷成熟與完善, 可望帶動液冷滲透率提升.

磷酸鋰電池性價比高，更適合做儲能電池

電池技術在儲能領域有著廣泛的應用

(3) 調峰調頻等大規模儲能需求可望增加, 這可能會促進液體冷卻的發展

(4) 液體冷卻解決方案可以提高儲能整個生命週期的經濟效益

新能源站點通常採用平準化電價 (度電成本) 評估經濟效益. 考慮到儲能具有既是電源又是負載的特點, 以平準化電費為核心指標，引進安全性來評估儲能全生命週期的經濟效益. 液冷溫控在儲能領域的實際應用，可充分發揮其技術優勢，實現儲能全生命週期經濟效益的提升.

3. 多重成長軌跡共同推動溫控產業持續成長
(我) 溫控技術同源, 而儲能溫控企業普遍從其他賽道進入

儲能仍處於早期階段, 和儲能溫控企業均從其他賽道進入, 主要是精密溫控公司, 新能源汽車溫控企業, 和工業溫度控制公司.

其他溫控設備與儲能溫控設備要求比較

儲能溫控市場格局存在不確定性, 且發展前景廣闊. 根據BNEF的預測, 世界將投資 $262 未來十年部署345GW/999GWh的儲能係統, 且下游需求旺盛, 帶動溫控需求快速成長. 各企業紛紛佈局溫控儲能，搶佔新增長極.

(二) 儲能溫度控制
1. 大規模儲能是儲能發展的關鍵，也是儲能溫控的主賽道.
大規模儲能是儲能規模化發展的關鍵，可望維持較高份額. 以美國和中國為例, 全球兩大市場, 作為例子: ①美國新增營運規模主要為表前大型儲能, 且規模化趨勢明顯. ②我國儲能成長點在供電側和電網側, 主要是調峰調頻.
大規模儲能具有容量大、運作環境複雜的特點, 並且對溫控系統有更高的要求, 預計增加液冷佔比.

美國儲能市場規模從 2021 到 2026
共享儲能計畫在全國各省註冊

2. 工商業儲能仍需溫度控制, 而家庭倉儲的溫度控制需求相對較低
工商業儲能發展由經濟驅動, 並且需要配置溫控系統來解決散熱問題:
高峰電價政策等因素, 高能耗導致電費上漲, 及備用電源需求帶動工商業用戶儲存需求成長. 工商業儲能因頻繁充放電需要依賴溫控散熱, 但發熱量小, 且風冷佔比預計會比較高.
家庭儲存主要用於節省家庭電費. 具有容量小、使用頻率低的特點, 而且溫度控制的需求比較小:
家庭儲能規模通常在30KWh以下, 通常與光伏運營相結合, 主要與 1 充電和 1 放電場景, 散熱要求低，專業溫控系統需求低. Tesla Powerwall系列主要用於電動車，配備完整的液冷系統. 類似於汽車的熱管理系統，可以具有加熱和冷卻功能, 但溫控系統在家庭收納領域的其他產品中並非通用, 而特斯拉新方案擬取消液冷方案.

工業儲能商業模式;

特斯拉家庭儲存解決方案;

3. IDC溫控: “東數據西計算” 為業界增添更多動力, 低PUE促進液冷普及率

中國IDC溫控市場規模及年增速 2016 到 2020.

網路和雲端運算推動IDC規模化發展, 和 “東數據西計算” 增加更強大的力量.
根據工業和資訊化部, 我國資料中心市場規模將達到 248.6 億元人民幣 2021. 二月 2022, 國家發展與改革委員會, 國家能源局等聯合發文同意啟動國家算力樞紐節點建設 8 京津冀等地, 長三角地區, 及粵港澳大灣區, 和計劃 10 國家資料中心集群. 這 “東數據西計算” 專案將進一步加速資料中心發展.
資料中心溫控能耗高, 而溫控節能是降低PUE的關鍵.

風冷仍然是主導技術, 但液冷滲透率正穩定成長. 液體冷卻預計在其整個生命週期中更加經濟, 推動其滲透率持續提升:
①液冷可降低IDC電費成本，提高IDC營運經濟性.
這 10 資料中心集群 “東數據西計算” 將帶動大型、超大型IDC快速發展; 但IDC越大, 能源消耗越大，營運成本就越高. 據華為調查, 對於10MW IDC, 電費佔比超過 60% IDC 在其 10 年生命週期內的整體營運成本. 鄔賀銣院士提出用液冷取代空調冷卻可以節省 30% 與傳統方法相比的電力, 有效降低營運成本. 從整體IDC營運來看, 大型、超大型IDC更適合液冷技術.
②冷卻液國產化促進液冷技術本身經濟效益的提高.
阿里雲開始採用浸沒式液冷技術打造超大型IDC. IDC的PUE值可低至 1.15, 目前正在嘗試將關鍵環節冷卻液更換為國產. 如果研發成功, 浸沒式液冷資料中心成本將大幅降低, 液冷技術商業成熟度將提升, 液冷普及率將提升.

不同PUE資料中心能耗分佈;

我國累計建成投入營運的5G基地台數量 (10,000);

4. 新能源汽車溫度控制: 新能源汽車滲透率持續提升, 而液冷已成為主流.
新能源汽車規模逐步擴大, 且滲透率正在上升.
根據中國汽車工業協會統計, 我國新能源汽車年銷售突破 3.5 百萬 2021, 增加了 113.9% 同比, 並且滲透率增加到 13.4%. 根據蓋世汽車網統計, 純電動乘用車銷量 2021 達到 2.734 百萬, 增幅超過 120% 同比. 我國新能源車產銷售仍呈現高成長態勢.
動力電池受溫度影響較大, 電池溫度控制帶動新能源汽車熱管理價值提升.

動力電池組熱量累積容易造成電池內部溫度不均勻, 影響其一致性, 降低充電和放電循環的效率, 影響電池的功率和能量, 並且在嚴重的情況下, 也會導致熱失控, 影響系統的安全性和可靠性.

2014-2021 上半年中國新能源汽車銷售統計及成長;

2015-2020 中國新能源汽車滲透率分析 (單元:%);

液冷已成為新能源汽車主流溫控技術: 特斯拉, 比亞迪等代表企業在熱管理技術上採用了液冷技術, 而液冷也成為動力電池的主要冷卻方式.
車企提高了對電池散熱的要求, 且液冷滲透率持續上升. 據統計, 在 2019, 僅有的 6% 客戶要求動力電池組不能散熱; 在 2020, 比例增加到 14%; 在 2021, 它顯著增加到 86%, 並相應地, 液冷滲透率將持續上升.

國內PACK整合技術迭代 (代表性企業);
CATL客戶散熱需求統計;

四號. 蓄電溫控市場空間測算
預計全球儲能溫控市場規模將達到 9.10 億元人民幣 2025, 其中風冷和液冷佔 46.83% 和 53.17% 分別. 從 2021 到 2025, 全球儲能溫控市場規模年複合成長率將達 103.65%. 其他賽道溫控市場空間測算及結果: 在 2025, IDC等其他相關賽道的溫控市場, 5G基地台和新能源汽車總計將達到 244.591 兆元; 複合年增長率來自 2021 到 2025 將達到 15.19%

全球儲能溫控市場空間測算的核心假設:
全球儲能溫控市場測算 2020 到 2025;
其他賽道溫控市場空間測算 2020 到 2025;

V. 儲能溫控及溫度感測器

1. 溫度 溫度感測器在儲能溫度控制的應用
“溫度感測器用於儲能, 主要應用於家庭及工商業儲能, 通訊儲能, 和電網級箱式儲能. 我們還沒有進入這個行業。” 化工高力告訴溫度感測器研究員, “該業務需求量較小，無法滿足我們的規模要求.

(亞迅盒子儲能CCS-螺絲固定方案)

“我們的YAXUN溫度感測器主要應用於家庭和工商業儲能, 通訊儲能, 和電網級箱式儲能. “我們將在2019年推出儲能CCS電池模組溫度/電壓採集解決方案 2022, 使用家庭/商業儲能CCS, 通信儲能CCS, 和箱式儲能CCS解決相應不同儲能溫度收集問題. CCS (細胞接觸系統), 那是, 線束板集成, 收購整合, 總成或線束隔離板. 儲能CCS, 安裝在電池組上, 形成一組電池模組.

(亞訊家用/商用儲能CCS-FPC解決方案)

“我們的儲能CCS, 透過銅棒和鋁棒, 實現電芯的串並聯, 輸出電流; 收集電池電壓; 收集電池溫度. 我們有螺絲固定解決方案, 雷射焊接解決方案, 超音波焊接解決方案, 和FPC解決方案. 」

(亞訊通訊儲能CCS-雷射焊接解決方案)

2. 溫度感測器在儲能銷售管道中的應用
溫度感測器公司銷售團隊應判斷其產品優勢是否適合電網級儲能客戶. 還要判斷是否有深耕電網及電網級儲能產業的團隊. 如果是這樣, 然後設定一個 “電網產業溫度感測器銷售團隊”. 擴大涉足發電的產品製造商, 傳染, 和分佈. Many products can use temperature sensors. It is also necessary to deeply cultivate the grid-level energy storage industry. 另外, 儲能溫控廠商也是溫度感測器的重要目標客戶!

Multiple forces are competing for the energy storage temperature control market. 目前儲能溫控市場參與者大致分為三類: 資料中心溫控製造商, 工業溫控生產廠商, and automotive thermal management manufacturers.

最後, 需要提醒的是，為電網級儲能提供溫控設備和解決方案的企業也是溫度感測器的客戶!