华北电力大学储能科学与工程教研室主任，太阳能转化与储能技术研究所副所长巨星

很荣幸来到这里给大家做一个关于这个储能电池的管理问题的这样一个报告。我是巨星，华北电力大学，那么现在在这个国家储能技术产教融合平台，主要做这个储能安全方面的这种研究工作。那么今天下午汇报主要从这三个方面做一个这种介绍，一个是关于我们这个储能电池的热管理的这个研究的背景和概况。另一个是我们现在正在这个做的一些关于储能电池的主被动协同的这样一些热问题的研究。第三个重点是关于国家储能技术产教融合平台的一些建设和关于这个电池安全方面的工作情况。我们知道像风电太阳能，那么受到间歇式和间歇性和随机性的这种影响，那么需要大规模的去发展储能技术，特别是由于这个太阳能和风电的这种间歇性，实际上对电网来说带来一个很大问题，就是它的这个调峰资源会严重不足。

我们知道这个按照国家的规划，到2030年这个风电太阳能的这个装机比例要占到40%左右，那么到2050年左右的时候要占到70%左右，那么也就意味着到这个2030年前，那么大概这个风光这种波动性大概是现在的这个3~4倍。那么在这么大的这种波动性下，那么我们需要非常多的，那么常规上说我们可能是需要这个传统的这种电源中，我们可能需要的是15%左右的灵活电源。但是如果到这种风光大规模应用的这种场景下，应该说这个灵活性电源的这个需求是非常强烈的。

(资料图片仅供参考)

我们国家十四五规划给出来的这个要求是24%，要占这个总电源的24%是灵活性的这种电源。但实际上从这个各个这个尤其是高比例的可再生能源的这些国家来看，西欧的情况，美国的情况来看，那么有可能24%从长期来看它应该也是严重不足的。那么在这种情况下，也就意味着就像刚才这个刘老师提到，我们国家发改委提出这个在20、30年前要建设这个3,000万千瓦的这个新型储能，但是这个2025年前建3,000万千瓦的，那么2030年前可能是1亿千瓦的这种新型储能，但是从十四五的规划来看就是这种调峰资源的规划来看，这个缺口还是非常大。那么大概缺口应该是我们又看了一下，大概情况在这个6,000万千瓦到这个一两亿左右，那么这个缺口依靠我们常规的不管是火电灵活性改造，还是我们的抽蓄，还是我们的燃气的这个电厂，那么应该说都不能满足，从这个目前的规划情况看，都不能满足这个调峰资源的需求。那么这个调峰资源只能依靠新型储能技术大规模的应用。

在新型储能中，那么最重要的毫无疑问的就是我们所说的这个锂离子电池的储能技术。那么从这个目前装机的规模看，抽蓄大概在总的盘子中，储能盘子中的装机占比在90%左右，那么在这种新型储能的这个盘子中，电化学储能锂离子电池的这种储能装机又占比将近百分之90左右。可以说在这个2030年前，应该说绝大部分的新建的储能可能都是以除抽蓄之外新建的新型储能，那么都是以电化学，尤其是锂离子的这种电池为主。

锂离子电池在应用中可能涉及到最核心的两个问题那么一个是怎么样尽可能的去提高它的能量密度。这个工作已经做了很多年，另一个核心的问题，就是怎么样去提高使用的安全性。电池在内外部各种机缘的影响下，它会受到一些这种超出安全技术承受能力的这样一些机缘的影响。

电池可能遭遇这种电滥用、热滥用还有机械滥用的这样一些极端条件，那么他会突然发生这种热失控的问题。这些事故一般都是一种内外因素的这种互相的这种作用或者氧化。那么电池储能应该说是一个非常系统性的这样一个问题。

从安全的角度来说，当然我们现在的解决方案，一种角度可能重点是这个从电池本身的这种本质性的安全出发，那么本质安全可能它包含电池的这种材料，电池的这种设计，那么怎么样在电池本体上我们提出一种更安全的更可靠的这样一种电池。那么像现在大家比较关注的这种半固态、准固态可能就是一个重要的发展趋势，或者是全固态的电池就是一个重要的趋势。目前看这个可能全固态电池需要一段时间去发展。

另一方面，这个电池的安全就要从外部去着手。那么外部其实电池来说主要是一个这个这个像我们现在电池的这种处理，大部分是基于这种传统的火灾安全这种处理方式。那么所以这个电池事故应该说也是频频发生。

从这个大规模的储能项目到目前为止大概有40多起这样的安全事故。那么去年也发生很多，甚至包括这个韩国的这个整体的断网事故，那么都是这个一些很严重的这种情况。

电池安全事故从它的这个发展来看，其实虽然它的因素非常多，包括这种电池本体的这种问题，外部机缘的问题，运行环境长期老化的这种问题，还有管理系统这些问题，但是从事故的发生或发展来看，最终它核心的指向其实是热问题。那么从不管是电池的过充过放过流还是内短路等等，那么最终他都会指向一个过热问题，那么这个过热问题如果解决的好，那么也就是说这个电池从外部来说，我们就能够很好的控制住这个电池，那么它实现一个这种外部的这种安全，对电池来说这个热失控问题是内部发生这种剧烈的这种连锁反应，引发电池温升速率急剧变化的行为。

那么也包括电池的这种起火冒烟，在这个过程中，那么热失控的这种各种参数都会发生一些这种显著的变化，包括有这个我们的温度，包括有电压等等这样一些参数都会发生一些显著的变化。那么对于这个热失控的不同阶段来说，实际上它存在一个我们说热失控存在一个这种温度的这样一个抑制的温度，我们把它叫做这个不可逆的这种温度。

在初期阶段它可能温升比较缓慢，那么到这个不可逆阶段的时候，他就这个反应就无法控制，最后会演化成一个严重的安全事故。因此我们这个电池的热管理或者热安全性的防护，实际上它核心的问题实际上是一个对热怎么样去处理的问题。从常规来讲我们就是一个散热问题，怎么样把电池的这个热量尽可能带走。

从这个温度较低，比方从控温的角度来说，它又是一个可能也存在一个保温的问题，但是这个对于储能电池一般来说相对来说这个不是用严峻，这个对于动力电池来说相对来说非常重要，因为我们知道冬季的这个循环路会变短，而且这个低温下的这个充放电会导致这种电池的这种锂离子的产生，有可能会导致这个短路或者失控的问题。但是对储能来说，这个问题相对来说并不是那么严重，那么当然它也包括这个低温加热的这部分。那么还有一个重要的问题就是我们怎么样去阻断热失控，甚至到这个热蔓延的这个过程。

怎么样在这个不规划温度之前去解决这个，但它的温度降下来，或者我们能够在这个电池发生这种严重的热失控的时候，能够抑制住它的温升速率，或者抑制住它的这个最高温度，这样子把这个事故控制在一个合理的这样一个范围内，不会比方说一块电池的这种问题不会影响到整个模组的这种安全，那么少量的电池它是必然要出现问题的，因为电池是一个庞大的系统，它里面可能有几千块几万块甚至上百万块电池，那么这么大规模的系统，从系统工程角度来讲这个，就算电池的可靠性是七八个9，那么它也是一定要出问题了，所以怎么样控制事故的这种最后发生的这种可控程度就是一个最关键的问题。那么在我们这个储能安全领域这个从热的角度去处理的话，在这个2015年以前大家可能更多的是去做这个引用一些传统的这种方式。那么比方说在这个电池的这个集装箱内，我们去用这个空调风道，用风扇去散热。那么在这个灭火的这种角度，安全安全的角度，我们采用了一些传统的灭火消防的系统。比方说现在大家用的这种七氟丙烷等等，那么在这个电池的这种运行诊断之上了15年之前，重点还是一个监测，那么诊断的功能应该说还是比较少，而且这些监测诊断功能功能更多的针对这种电池电池簇。那么到这个16年到25年之间，应该说这个发展趋势这个也看到了这个电池的这种整体的这种冷却来说，更多的厂商开始集中于间接液冷系统，那么间接液冷系统在这个温控上有更好的这种均匀度一致性，而且换热能力也更强。

采用了局部加全局的这样一些降温灭火的方式，那么在监测诊断方面也深入到这个电池组，然后这个就是参数更多，然后智能性也有所提高。那么从未来来看，我觉得这个一个从业管理的角度来看，热管理会更加向散热能力更好更高的一些方式去过渡。从热安全的角度来向我们讲，它会把这个热管理和热安全这两个问题逐渐越来越作为一个统一的整体的去处理。另外这个对于电池的诊断会要更更进一步，要深入到电芯级甚至这个电池内部，那么最终实现一个这种温度均匀，这种分级高效的、高速度、高响应、高精度的这样一个储能的这种安全系统。

下面介绍一下这种电池的这个主被动协同，对于离子电池来说，我们这块重点做的工作其实包含有这三个方面，一个是这个高热量的密度下的这种冷却技术，怎么样在很高的这种热密度超过1000瓦每平方厘米的这样一个密度下实现一个很高的均匀性，大面积的去实现这样一个均匀性。第二个我们重点做的是这个电池的浸没，就是直接液冷的这样一些热管理的技术。第三个我们重点开发是这个在热控方面重点去开发一些被动型的，有时候不需要这个这个这个控制原件，主动去干预的被动型的这样一些热控技术。

这些研究的目的总体上来说是希望能够针对储能系统去研发一套这个分级高效，然后主被动协同的这样一套一体化的这样一个热管理和安全技术。在这方面我们做了一些工作，这些工作包含有这个电池的精确模型的这样一个工作。那么因为精确模型实际上对于电池的不管是对于我们热仿真，还是对于电池的这种SOC、SOH、SOS这种预计预测，或者是对于功率的预测等等，那么都具有非常重要的意义。在这块我们做了一些工作，那么使它的这个单电压的仿真精度这个降低到这个仿真精度在5%以内，最大最小温度这个精度在2℃以内。对于这个有了这个准确的模型之后，然后我们会对这个电池的这种直接液冷技术，也就说这个高热量密度这种冷却技术，我们进行过一些这种研究工作，这些研究工作我们重点是围绕一些新的这种热沉技术，把这个新的热沉技术也是引入到我们这个电池的这种这种管理的这种方向中来，这里面有一个技术是我们最近几年应该说是这个比较火的一种技术，是关于这个歧管微通道(MMC)热沉，那么这种热沉是Harpole在这个1991年针对这个 MEA坦克提出的这个相应的这种技术，那么2010年之后这个我们就开始了针对这种技术的这种研究。

这种技术想在21年的时候也在这个 nature上这个有一篇论文，单向的这种换热的这种能力已经能够达到1723瓦。针对这种技术的这种特征，其实我们开发了一种新的技术，就是一种歧管射流微针翅的这种形态的这种结合，那么它是一种非常间接的高效的这种液冷技术。那么通过这种几层不同的这种结构的这种叠加。我们实现了一个在电池在这种热沉内部的这样一个流动，均匀的这种分配，这种技术可以将我们这个流动分配成一种网格状的结构。在电池内部在这个热沉内部，实际上它是以网格状的状态去流动的，这样就能够提高派流的就流动分配的效果，那么流动分配实现的越好，那么对于换热来说，它的换热能力就能实现的更加好。而且在这种网状的这种流动分配下有一个很大的好处，它打断了这个热的热点区域的这种联系在一起。

因为我们常规那种热沉来说，很多这种它的这个热的区域往往这个集中在某一个部分，而且连在一起，这样造成中这个热区域的热点这个中心温度会更加更加升高。采用这种技术之后，我们把这个热点这个区域切分成也切分成一些这种网格状的结构，那么最后把它的这个中心的最高点温度拉的和周围基本上是差不多，那么取得了一个非常好的这种均匀性的效果。在这里我们也进行了一些这种实验测试的研究，也进行了一些这种对比的研究。

发现我们所提出的这种新的换热的这种方式，应该说有一些显著的优于就是我们所看到的这个包括这个nature论文的这些文章的这些优势，那么在比如说这个最高温度，在这个温度的这种均匀性热阻方面，那么都可以发现这个这种我们采用这种新的这种换热结构，它是显著优于MMC这种热沉的。那么当然对于这种间接冷却，我们也做了一些这种储能结合的研究，把这种相应的技术，比方说我们把mmc的技术应用在了这个电池的这种这种机架上，这是我们测试用的一个机架，那么里面排了大量电池，然后我们把这个相应的mmc的这种冷却技术应用在这个电池架上，发现的这个冷却技术基本上能够实现这个机架中的电池在这个mmc倍率下，我们温度能够控制在这个温差，互相之间的温差能够控制在2℃以内。这是我们对于这个电池的这个间接冷却的一些研究工作。

有了这些间接冷却的这种研究之后，我们也对这个电池的浸没的这种冷却，直接的这种液冷技术开展了这个进一步研究。直接冷却这种方式它的特征是冷却剂会和我们的这个被冷却的这个器件直接接触，那么结构得到了这个很大程度的这种简化，同时这个冷却效果，因为没有这种接触的界面，界面的这种热阻的问题，也这个换热结构也得到简化，那么它的这个冷却效率能够大大提高。

这种技术目前已经成功应用在数据中心的这种服务器，光伏电池，还有一些电子设备的这种领域。那么像是阿里巴巴做的数据中心，那么就采用这种直接液冷的浸没的这种技术。当然目前来说这种直接液冷技术，它的最大的一个问题应用于数据中心的时候，有一个很大的问题是它的成本还是偏高，像是这个阿里巴巴的数据中心，它的这个浸没液的成本大概占到了整个成本的40%左右。

但是我们在这个做了对比之后，发现这种浸没的直接液冷技术如果用于储能，那么它对于冷却液的这个需求应该说并不是特别的高，那么它能够很大程度上降低这个液的用量，它的成本也会能够得到充分的降低。我们认为直接的这种液冷技术，浸没的这种液冷技术，那么它能够同时满足储能电池在散热、均温，还有热失控方面的这样一些技术。它同时这种浸没液冷技术，应该说它可以同时满足散热、均温和热失控方面的这样一个综合的要求，那么还能够提高整个系统的这样一个集成效率，所以我们认为在储能领域它是一个很有应用和发展前景的这样一个热管理技术。

经过冷却，这个其实它采用的这种方式应该说是非常多的，有这种单相的浸没冷却剂，也有这种两相的浸没冷却剂，各自能够实现一些不同的这样一些功能。那么当然这个最关键的一个是这个冷却剂本身的这种研发，另外一个对于这种冷却剂的这种浸没的这种深度，流动的这种方式，流体怎么样去工作，他其实对于浸没冷却来说都是一些非常重要的这样一些研究的这种方向。

浸没冷却它的这种工作模式也非常多，包括有浸没冷却，它因为可以做这种单相的这种完全浸没的，然后不流动流动的，也可以做这种多相的，这种浸液沸腾的或者是蒸发的不同管理。那么所以这种浸没冷却的冷却能力的这种跨度，我们在也做了分析，那么它基本上可以覆盖到储能电池从正常运行一直到储能电池处于热失控的这种状态下，那么他都可以覆盖到他的这种功率需求，所以基于浸没技术应该说是可以完成电池热管理和热安全的一体化的前景。在这方面我们做了一些管理浸没式的这种圆柱形的离子电池，我们将mmpf的这种研究的这种网状流动的这种特征引入到圆柱形锂离子电池，发现这种流动形态能够对在浸没的条件下，能够对圆柱电池实现一个很好的这样一个热控的过程，那么也把这种方式应用在这个方形电池中。

方形电池中我们发现采用这种方式之后，5C倍率下那么它的这个放电结束的温度能够控制在35℃以内，我们也和其他的一些研究做了一些对比那么发现在流量分配，还有在这个低功耗下的这种电池的这种工作上，那么都有一些显著的优势。这方面我们也做了一些这种实验，那么还发现在这种浸没的这种条件下，但是这个温度能够控制的很好，1C放电的倍率电池的实验这个发现这个温度大概比这种常规冷却降低三K左右，那么另外这个最大的温差，整个电池组的最大温差有1.2K，那么降低到了0.4K。那么此外它还有一些这种在电压均衡方面的这个优势，像这种浸没式的这个放电末端电压的这种不均衡性，那么能够得到一个明显的缓解。

在这个温差的这种控制，整个温度控制方面，那么也具有显著的优势。此外我们也做了一些这种电池的这种被动调节的这种真空器件的这种研究工作，我们重点还是在发展这种相变的基于相变材料的这样一些热调节器和热开关，并且把这些热调节器热开关的这种运行的这种特征去和我们这个浸没去做结合，那么通过这种方式能够实现一个浸没过程的这种自发的调节，那么实现比方说这种低温下我们这种断开换热过程，然后实现保温的这种功能，高温下我们闭合这个换热，那么实现一个很高的这种换热速率，那么也可以把这个除湿热过程做成一种热调节剂的冷气模式或者热压岐管的模式，那么这样最终让这个热的这种控制过程，那么实现被动的自发的这样一个过程。那么在这块我们也做对于这个过冷的相变材料做了一些分析，发现这种过冷材料有可能在这个电池的温控上有一个更好的效果，因为它在低温下它的这个凝固点和这个熔点是不一致的，那么在低温下它能够在更低的温度下才释放自己的这个热能，那么在这个放热过程中它可以去延长我们这个电池的温度受控的这个时间，那么这样就起到一个兼顾散热和保温的效果。

针对这个电池，我们还做了一些这种利用这种相变材料去控制这种冷却液的这种流量，那么怎么样去在这种低温下，那么让冷却液直接不去给电池散热，那么在这种温度较高的条件下，冷却液下行盘管，去这种控制电池的这种高温。那么这种这些研究也发现，那么它无论是相比于我们常规上这种液冷，还是相对于我们这种相变冷却来说，都具有一些这种显著的优势。那么当然这一部分我们也做了很多这种专利性的工作和论文的工作，应该说是目前有了一定的这种积累。

好，最后一个地方我们简短汇报一下这个国家储能技术产教融合平台的建设情况，我们学校的这个储能产教融合平台这个是从今年的年初获批开始建设，但是在这之前我们做了很多铺垫的工作，包括我们建设这个储能科学与工程专业，那么博士点硕士点等等，还建设了一大批储能有关的这种研究中心。这个储能产教融合平台我们包括有这个10个子模块，重点是针对于电热化学的这种储能以及氢能去做相应的这种产教融合和创新技术分析，那么总的经费是4.23亿元，建成之后应该说是一个结合人才培养，学科建设和科学研究为一体的这样一个综合性的开放性平台。在这里面我们有一个重要的建设模块，就是我们的这个储能安全技术，建设安全技术的这样一个模块。

这在这个模块中，我们重点针对的也是储能的热管理，储能的安全防护以及检测监控这三个方面分别建设了相应的实验室，那么开展多个问题的这样一个研究工作。那么我们从学校层面做这样一个协同的，最重要的是我们去开发一个基于外部来说，它是一个这种非常安全的这样一个储能的融合了它的这个软件硬件部分的这样一个主被动协同的安全和热管理和热安全保护一体的这样一个系统。那么在这块我现在也是这个团队的这个负责人，那么我们重点的方向包括有检测预警技术、热管理以及安全防护技术，如果在这方面有这种合作的这种，我们可以在这方面加深探讨。

好，以上就是今天的这个报告的主要内容，感谢各位专家敬请批评指正。

巨老师有一个同学提问，他说如何通过您讲的那个热开关或材料实现非线性导热率的一个调节。

这个其实是一个很有趣的问题，因为我们在这个热控器件里面，常规的有一种叫做热调节器，热调节器的目标就是要让这个导热率的这种调节过程形成一个非线性的过程，在我们目前的研究中是基于浸没去实现的。那么在这个浸没的这种调节上，如果让它实现一个非线性，其实目前我们主要是通过这个液位高度的这种调节去实现的，当然它实现的方法可能还有很多，包括这个这个材料的这种特征，利用材料的特征，本身的特征等等应该也都可以实现。