吳憨子：一篇入門(mén)儲(chǔ)能溫控用溫度傳感器

一、

儲(chǔ)能溫控歷史機(jī)遇

溫控提高電池安全性，解決儲(chǔ)能后顧之憂

新型電力系統(tǒng)中，我們可以從供給側(cè)和需求側(cè)兩個(gè)角度來(lái)看待：

1.供給側(cè)：新能源正在逐漸成為電力系統(tǒng)的主要裝機(jī)和電量來(lái)源。

2.需求側(cè)：終端能源消費(fèi)已高度電氣化，越來(lái)越多的“產(chǎn)消者”涌現(xiàn)。

3.從整個(gè)系統(tǒng)的角度來(lái)看，電力系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理也發(fā)生了深刻的變化。新能源發(fā)電具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)自身出力來(lái)適應(yīng)用戶需求的變化。因此，傳統(tǒng)的“源隨荷動(dòng)”模式已經(jīng)不再適用于新型電力系統(tǒng)。我們必須采取儲(chǔ)能等措施，通過(guò)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)之間的協(xié)調(diào)互動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電力供需動(dòng)態(tài)平衡。這是新型電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵所在。

全球電化學(xué)儲(chǔ)能高速增長(zhǎng)

2021 年全球累計(jì)裝機(jī)量為 24.4GW，為 2017 年的 8.4 倍；2021 年全球新增裝機(jī)量為10.2GW/yoy+117%，高增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)仍在持續(xù)。

鋰電池安全性、容量衰減受溫度影響較大。

鋰電池最佳溫度區(qū)間為 10-35℃，過(guò)度的高低溫均會(huì)對(duì)鋰電池壽命、安全性產(chǎn)生影響。持續(xù)的高溫環(huán)境下，鋰電池內(nèi)部的 SEI 膜首先分解，隨后負(fù)極材料與電解液產(chǎn)生反應(yīng)、隔膜熔融，最終正極材料及電解液發(fā)生分解。

電池的這些變化會(huì)導(dǎo)致鋰離子通道發(fā)生閉塞，引起正負(fù)極直接接觸、短路，從而放出大量熱。此外，這些材料分解的過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生大量氣體和熱量，電池內(nèi)部壓力迅速增加，從而發(fā)生如電池鼓包、破裂、泄壓閥破裂、鋁箔熔化等熱失控現(xiàn)象。熱失控一旦發(fā)生，電池內(nèi)部溫差可達(dá) 520 ℃，對(duì)安全性帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

高溫會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加、活性材料和有效鋰離子流失，進(jìn)而降低電池容量。而在低溫環(huán)境下，電池負(fù)極會(huì)析鋰形成鋰枝晶，嚴(yán)重時(shí)刺穿 SEI 膜，影響安全性。低溫會(huì)導(dǎo)致電解液凝固，阻抗增加，進(jìn)而降低電池容量，磷酸鐵鋰電池容量保持率在 0 ℃下為 60%-70%，在?20 ℃時(shí)降低至 20%-40%。（根據(jù)《鋰離子電池低溫特性研究進(jìn)展）

除溫度外，電池間溫差亦會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生影響。電池使用過(guò)程中，負(fù)荷變化會(huì)引起電流波動(dòng)起伏，進(jìn)而引起電池組生熱不均勻。電池組往復(fù)使用后，各單體電池的老化程度會(huì)有所不同，導(dǎo)致木桶效應(yīng)。為達(dá)到電池一致性要求，單體電池溫差需小于 5℃。

溫控保障鋰電在最佳溫度區(qū)間工作，降低電池間溫差，重要性凸顯。通過(guò)應(yīng)用溫控系統(tǒng)，儲(chǔ)能電池可在 10-35℃最佳溫度區(qū)間工作，且電芯間溫差可控制在 5℃以內(nèi)，可最大程度避免熱失控、容量衰減。

相較電動(dòng)汽車(chē)，儲(chǔ)能系統(tǒng)由更多電池單體連結(jié)而成，故發(fā)生熱失控概率更高，對(duì)安全防護(hù)提出更高要求。根據(jù)清華大學(xué)車(chē)輛與運(yùn)載學(xué)院，電池?zé)崾Ц怕蕿?1-（1-P）n，P 為單體電池?zé)崾Ц怕?，n 為電池?cái)?shù)量。

對(duì)于動(dòng)力/儲(chǔ)能電池，P 約為 10-7，假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)單車(chē)含100 節(jié)電池，儲(chǔ)能電站含 100000 節(jié)，則根據(jù)公式，二者發(fā)生熱失控概率分別為 10-5、10-2，儲(chǔ)能電站發(fā)生熱失控概率達(dá) 1/100 量級(jí)，對(duì)熱管理提出更高要求。

高倍率、長(zhǎng)時(shí)間充放電增大放熱量，溫控重要性愈發(fā)顯著。電化學(xué)儲(chǔ)能包括能量型與倍率型儲(chǔ)能，前者需滿足長(zhǎng)時(shí)間放電需求，主要應(yīng)用于能量時(shí)移；后者則需具備瞬時(shí)高功率輸出能力，主要用于電力系統(tǒng)調(diào)頻。

現(xiàn)階段，風(fēng)光發(fā)電占比不斷提升，電力系統(tǒng)對(duì)調(diào)峰、調(diào)頻均有更高需求。因此，能量型儲(chǔ)能愈發(fā)長(zhǎng)時(shí)化，倍率型儲(chǔ)能需具備更高功率。在相同溫度下，儲(chǔ)能功率越高、放電時(shí)間越久，其儲(chǔ)能系統(tǒng)放熱量越高。因此，在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能、高倍率儲(chǔ)能應(yīng)用增多的背景下，儲(chǔ)能溫控重要性愈發(fā)顯著。

風(fēng)冷主導(dǎo)存量市場(chǎng)，液冷加速滲透

儲(chǔ)能溫控主要包括風(fēng)冷、液冷、熱管冷卻、相變冷卻等技術(shù)。其中，風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、壽命長(zhǎng)、成本低、易于實(shí)現(xiàn)，是目前國(guó)內(nèi)主流技術(shù)路徑。液冷系統(tǒng)散熱效率高、散熱速度快，在高倍率、高容量場(chǎng)景下優(yōu)勢(shì)凸顯，故全球儲(chǔ)能系統(tǒng)正呈現(xiàn)液冷加速滲透，取代風(fēng)冷的趨勢(shì)。相變冷卻與熱管冷卻目前實(shí)際應(yīng)用較少，尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，故本文主討論風(fēng)冷、液冷技術(shù)趨勢(shì)。

20℃條件下放熱量與放電功率的關(guān)系

1C倍率下放熱量與放電時(shí)間的關(guān)系

綜合來(lái)看，良好的溫度控制可有效減緩電池容量衰減、防止電池?zé)崾Э?，?duì)電化學(xué)儲(chǔ)能當(dāng)前兩個(gè)最大的痛點(diǎn)，即度電成本與安全性，均有積極作用，重要性凸顯。未來(lái)，高容量、高倍率儲(chǔ)能應(yīng)用增多，將對(duì)溫控提出更高要求，其應(yīng)用必要性將愈發(fā)突出。

儲(chǔ)能溫控技術(shù)分類

溫控技術(shù)對(duì)比

液冷能耗低、電池壽命長(zhǎng)，具更低 LCOE，正加速滲透。為達(dá)到相同電池平均溫度，風(fēng)冷需比液冷高 2-3 倍能耗，而相同功耗下電池包的最高溫度，風(fēng)冷比液冷要高 3-5 攝氏度。（根據(jù)埃泰斯新能源實(shí)驗(yàn)）

此外，根據(jù)陽(yáng)光電源，其液冷系統(tǒng)可更好地控制電池間溫差，從而解決電池一致性問(wèn)題，其液冷儲(chǔ)能可將系統(tǒng)壽命延長(zhǎng) 2 年以上。綜合說(shuō)，液冷具有更高的散熱效率與散熱速度，并且可以更好的控制電池間溫差，因此，其能耗更低、系統(tǒng)壽命更長(zhǎng)，從而協(xié)助儲(chǔ)能系統(tǒng)降低全生命周期成本。

液冷溫控電池一致性更佳

液冷加速滲透趨勢(shì)明顯

目前，國(guó)內(nèi)主流系統(tǒng)集成商均已推出液冷系統(tǒng)解決方案，印證其日益旺盛的需求。此外，國(guó)內(nèi)部分項(xiàng)目在招標(biāo)時(shí)指定儲(chǔ)能系統(tǒng)需配備液冷溫控，如淮北皖能儲(chǔ)能電站一期、寧夏穆和儲(chǔ)能電站等。

目前，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能以風(fēng)冷為主，而美國(guó)等成熟市場(chǎng)有較高比例液冷應(yīng)用。美國(guó)儲(chǔ)能已形成自發(fā)性需求，利用率高，運(yùn)營(yíng)商更多考慮安全性、全生命周期成本。未來(lái)，隨著全球儲(chǔ)能利用率提升，液冷將加速滲透。

二、

儲(chǔ)能溫控產(chǎn)業(yè)鏈

上游：各種核心部件，包括風(fēng)冷核心部件和液冷核心部件；壓縮機(jī)上市企業(yè)包括四川長(zhǎng)虹、長(zhǎng)虹華意等，換熱器企業(yè)包括三花智控、雙良節(jié)能等，液冷板企業(yè)包括東山精密、盾安環(huán)境等。

中游：風(fēng)冷系統(tǒng)和液冷方案；企業(yè)主要為英維克、申菱環(huán)境、同飛股份、高瀾股份、松芝股份、奧特佳、寧德時(shí)代、海亮股份、龍?jiān)措娏Α|緯鋰能、巨化股份、三花智控、當(dāng)升科技、中鼎股份、安克創(chuàng)新、盾安環(huán)境等。

下游：儲(chǔ)能電池廠商、儲(chǔ)能系統(tǒng)集成廠商。

三、

與溫度傳感器

1、儲(chǔ)能溫控中上游如何用溫度傳感器

溫控設(shè)備提供商：譬如英維克、 申菱環(huán)境、佳力圖、高瀾股份、黑牡丹、網(wǎng)宿科技、 依米康，溫控系統(tǒng)能耗占數(shù)據(jù)中心非 IT 能耗的 80%，溫控系統(tǒng)的能耗是 PUE 是否能降低到合理水平的關(guān)鍵因素之一。

1）散熱制冷：空氣冷卻系統(tǒng)、液體冷卻系統(tǒng)用溫度傳感器。

（特普生-風(fēng)冷溫度傳感器）

（特普生-液冷溫度傳感器）

2）供配電：配電柜用到溫度傳感器、機(jī)器溫控器與溫濕度傳感器。變壓器用到溫度控制器、變壓測(cè)溫傳感器。溫度傳感器在柴油發(fā)電機(jī)組冷卻液系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)中，均有應(yīng)用。

（特普生-配電柜溫度傳感器）

IT及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：

“監(jiān)控交換機(jī)各個(gè)硬件，比如芯片溫度、扣板溫度等，都設(shè)置溫度傳感器，并取最高值就行”。特普生曾老師說(shuō)，“溫度監(jiān)控對(duì)服務(wù)器很重要，應(yīng)對(duì)不同環(huán)境、平衡機(jī)架密度、停電預(yù)防。機(jī)架外/室內(nèi)溫度傳感器，非常適合檢測(cè)不同環(huán)境溫度，提供機(jī)架的特定溫度映射。機(jī)架內(nèi)溫度傳感器，可以獲得CPU、GPU、入口、出口溫度的準(zhǔn)確讀數(shù)?！?/p>

2、儲(chǔ)能溫控下游如何用溫度傳感器

儲(chǔ)能系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)格局未定，電池廠、逆變器廠商、電站廠商均進(jìn)入儲(chǔ)能系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)由電池組、 消防、溫控、PCS、EMS、BMS構(gòu)成。儲(chǔ)能設(shè)備主要由電池組、儲(chǔ)能逆變器( PCS)、能量管理系統(tǒng)( EMS)、電池管理系統(tǒng)( BMS)構(gòu)成。

電池組為最主要的構(gòu)成部分，其主體由電芯構(gòu)成。電池組中涵蓋其他輔助系統(tǒng)包括溫控(散熱)，消防。儲(chǔ)能逆變器為必不可少的重要組成部分，負(fù)責(zé)直流交流轉(zhuǎn)化，是電站并網(wǎng)運(yùn)行的必備條件。EMS、 BMS主要集中于系統(tǒng)軟件層面，由儲(chǔ)能投資商負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)， EMS負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、能量調(diào)度；BMS負(fù)責(zé)電池監(jiān)控、管理，保證充放均勻穩(wěn)定。

“擁有儲(chǔ)能BMS配套、儲(chǔ)能線束加工優(yōu)勢(shì)的我們，為儲(chǔ)能管理，做性價(jià)比高的溫度采集管理方案。方案為BMS提供鋰/氫電池本體、電池冷卻介質(zhì)與BMS控制板的溫度管理，也為儲(chǔ)能CCS集成采集母排提供溫度采集管理，”——溫度傳感器專家特普生曾總告訴溫度床傳感器研究院說(shuō)。

“目前，市場(chǎng)反饋的傳感器失效模式為兩種：防水與耐壓情況不佳。防水是指吸潮后傳感器阻值下降，主要為潮氣影響；耐壓則是傳感器絕緣層被擊穿。為妥善解決傳感器失效模式，特普生傳感器針完全勝任。一是針對(duì)潮氣影響，特普生傳感器在保持耐溫175度的條件下、耐水煮168小時(shí)。打破行業(yè)48小時(shí)極限；二在絕緣度問(wèn)題上，特普生傳感器可長(zhǎng)期耐壓5VDC，遠(yuǎn)高于行業(yè)3500VDC的標(biāo)準(zhǔn)要求。”

1）特普生儲(chǔ)能CCS集成采集母排

（特普生戶儲(chǔ)CCS隔離板）

“我們?yōu)殡姵匕?、電池模組、電池族、儲(chǔ)能箱公司，也為BMS產(chǎn)品，提供定制化的儲(chǔ)能CCS隔離板。譬如支架，可以選擇注塑或吸塑隔離板+線槽；采集組件，可以選擇線束、FPC、PCB或FFC；溫感采集線，可以選擇環(huán)氧頭、OT端子、鎳端子（都含NTC)；鋁巴當(dāng)然是含鋁量達(dá)到99.6%的1060鋁板。連接方式，可以選擇打膠、打螺絲、超聲焊或激光焊”。

儲(chǔ)能CCS隔離板，在鋰離子電池系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)以下主要功能：通過(guò)銅鋁巴實(shí)現(xiàn)電芯的串并聯(lián)，輸出電流。采集電芯電壓。采集電芯溫度。提供均衡和補(bǔ)電通道。

2）BMS系統(tǒng)溫度管理

“用于動(dòng)力電池模組電芯的電壓和溫度采樣，采集數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊匯總、分析再傳輸給給電池管理系統(tǒng)主控制器模塊，主控模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，發(fā)出對(duì)應(yīng)的程序控制和變更指令，做出均衡措施。適用于純電動(dòng)、混合動(dòng)力乘用車(chē)、物流、客車(chē)、特種車(chē)等車(chē)型及48V動(dòng)力系統(tǒng) 。它具有組裝工時(shí)短、小型化、輕量化、薄形化、可撓性、彎折性好等特點(diǎn)?！?/p>

（電池BMS溫度傳感器）

“也有一些客戶需求電池芯內(nèi)溫度采集線束。這時(shí)，NTC溫度傳感器特別適合用于電池內(nèi)芯與芯之間。最小直徑尺寸可以做到0.7mm ，最薄可以做到0.6mm。柔性化，可彎曲，便于安裝?！?/p>

（電池芯內(nèi)溫度采集線束）

“固定片NTC溫度傳感器主要用于電池PACK模組。它采用單端玻封NTC熱敏電阻，外圍用環(huán)氧樹(shù)脂+外殼封裝，熱敏電阻和導(dǎo)線的焊接點(diǎn)完全密封在樹(shù)脂涂層里面，具有良好的防水性及密封性。環(huán)氧樹(shù)脂封裝溫度傳感器將高精度、高可靠的NTC熱敏電阻與PVC或Teflon導(dǎo)線連接，用絕緣、導(dǎo)熱、防水、防潮材料封裝成所需形狀，便于安裝與遠(yuǎn)距離測(cè)控溫。通過(guò)測(cè)量NTC熱敏電阻的電阻值來(lái)確定相應(yīng)的溫度，從而達(dá)到了檢測(cè)和控制產(chǎn)品溫度的目的”

（電池外圍溫度采集線束）

3）儲(chǔ)能冷卻（風(fēng)冷/液冷）系統(tǒng)溫度管理

“儲(chǔ)能風(fēng)冷或液冷，這些冷卻溫度管理，要采用單端玻璃封裝熱敏電阻，精度高、可靠性好。譬如雙85測(cè)試1000小時(shí)，耐水煮測(cè)試1000小時(shí)。采用特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，正常使用壽命10年以上?！?/p>

（儲(chǔ)能冷卻（風(fēng)冷/液冷）溫度傳感器）

4）儲(chǔ)能消防系統(tǒng)溫度管理

“我們發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能消防系統(tǒng)溫度管理這套傳感器，特別適合用于儲(chǔ)能消防用，最小直徑尺寸可以做到：0.7mm。響應(yīng)速度最快可達(dá)1.5S（液體介質(zhì)）。溫濕度模塊、溫度氣體模塊等，也可以無(wú)線化數(shù)據(jù)傳輸。”

（儲(chǔ)能消防溫度傳感器）

四、

技術(shù)路線

目前，儲(chǔ)能溫控系統(tǒng)的技術(shù)路線可分為四類：

（1）空氣冷卻，以空氣為介質(zhì)，通過(guò)空氣對(duì)流實(shí)現(xiàn)熱交換；

（2）液體冷卻，以液體為冷卻介質(zhì)，既可以通過(guò)液體與電池直接接觸換熱（直接接觸型），也可以通過(guò)冷卻管中液體流動(dòng)換熱（間接接觸型）；

（3）熱管冷卻，利用壓差及多孔材料的毛細(xì)力實(shí)現(xiàn)非重力方向的熱傳導(dǎo)；

（4）相變冷卻，通過(guò)無(wú)機(jī)或有機(jī)相變材料，在溫度不變的情況下通過(guò)物理狀態(tài)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)放熱或吸熱。

儲(chǔ)能溫控市場(chǎng)的參與者可以大致分為三類：

1、傳統(tǒng)工業(yè)溫控企業(yè)，他們憑借在水冷設(shè)備方面的技術(shù)積累，進(jìn)入儲(chǔ)能溫控領(lǐng)域的壁壘較低。這些企業(yè)和儲(chǔ)能溫控技術(shù)有同源性，代表企業(yè)包括同飛股份和高瀾股份。

2、精密溫控企業(yè)，他們?cè)跀?shù)據(jù)中心溫度控制方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。由于集裝箱儲(chǔ)能與數(shù)據(jù)中心溫控具有相似性，這些企業(yè)有望實(shí)現(xiàn)技術(shù)外延，代表企業(yè)有英維克和申菱環(huán)境。

3、汽車(chē)電池?zé)峁芾砥髽I(yè)，他們?cè)阡囯姵販乜丶夹g(shù)和經(jīng)驗(yàn)方面積累較為豐富。代表企業(yè)有松芝股份和奧特佳。

總的來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能溫控市場(chǎng)的參與者大多具有相似的技術(shù)背景。這些企業(yè)進(jìn)入儲(chǔ)能溫控領(lǐng)域的壁壘較低，有望取得先發(fā)優(yōu)勢(shì)，并共同推動(dòng)該行業(yè)的高速發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介

吳憨子：傳感器應(yīng)用營(yíng)銷老師。投資及擔(dān)任森霸傳感、特普生傳感應(yīng)用營(yíng)銷顧問(wèn)，歡迎交流傳感器應(yīng)用與投融資，微信：mckinsin

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審核編輯黃宇