中国储能网讯：

摘要：全球能源消耗不断增加，电化学新型储能系统在平衡能源供应与需求中起到关键作用。随着新型储能系统规模的扩大，系统运行造成的温度问题极大地影响了系统的性能和安全使用，而合理的热管理方案与系统控制策略能良好地保持储能系统运作的稳定性与安全性。从储能系统热管理需求出发，对主流使用热管理方案的特点及应用进行分析，总结了各种方案的未来发展趋势，重点介绍了储能系统温度控制策略，并对储能热管理技术的未来研究方向给出了建议与展望。

关键词：电池储能；热管理系统；储能系统；电池安全

为应对不断增加的能源需求与环境保护的挑战，我国提出了“双碳”战略目标，加速了清洁能源的规模化发展，推动能源结构向绿色低碳方向深度转型。随着可再生能源的快速增长，储能系统正成为平衡能源供应与需求、促进可再生能源融入电网的关键技术。储能技术包括机械储能、电化学储能和电磁储能等[1]。在多元化储能技术中，电化学储能具有能量转换效率高、响应速度快和模块化等显著优势，已成为现代电力系统重点发展的储能解决方案。电能以电化学方式存储在电池中，在低需求时段储存多余的能量，并在高峰期释放能量。电池储能系统可以通过优化配置、调度和控制，提高能效、促进管理便利性与使用灵活性。其中，锂离子电池储能系统因在相同体积下能存储更多的能量，且具备寿命长、质量轻和适应性强的优势，在电能存储中占据重要地位。在电池类型中，磷酸铁锂电池因具有较好的安全性和良好的综合性能，成为电化学储能系统的首选。锂离子储能电池系统主要由电池系统、变流器、能量管理系统等组成，如图1所示[2]。电池模块是锂离子电池储能系统中的核心组件，通过电化学反应储存来自电网或可再生能源系统的多余电能，并在电力需求高峰或系统负荷不平衡时，及时释放储存的电能以供使用，从而保证电网的稳定性和供电的可靠性。因此，锂电池的技术进步也推动了储能系统的设计优化和商业模式的发展。

图1 锂离子电池储能系统[2]

然而，随着储能系统的快速发展，储能电池的体积热流密度越来越大，其安全性引起了极大的关注，如何有效地解决电池模组内热流分布均衡性与热安全性问题，直接关系到储能电站长期运行的可靠性[3]。锂离子电池的最佳工作温度区间为20~35 ℃，且单体电池间温差不宜大于5 ℃[4]。储能系统运行温度过低时，锂离子电池将面临电化学反应动力学迟缓和锂离子传输受阻的问题，同时会引起负极析锂现象，导致电池容量和循环寿命受损。当温度超出电池的耐受温度时, 短路、高温会触发电池内部材料链式副反应而产生热-温循环，最后导致热失控发生。因此，为了确保储能电池具有安全稳定的运行环境，研发合理且高效的热管理系统尤为关键。

1 储能系统热管理方案

电池储能系统朝着高功率密度、长循环寿命方向不断发展，但由此产生的热需求剧增。在电池簇高密度排列场景和暴露的工作环境下，储能系统的热管理面临着加热、散热双向热力学调控的严峻挑战。现有的储能系统热管理很多是电动汽车衍生的温控方案，难以适配大规模储能系统复杂的运行环境[5]。因此，探索高效的热管理方案成为提升电池储能系统安全性、稳定性和使用寿命的迫切需求。

1.1 散热方案

储能系统热管理技术主要有风冷、液冷和相变材料冷却的方案，各方案的优缺点如表1所示。风冷和液冷是电化学储能电站中常用的热管理技术[6]。相变材料冷却受限于高设计成本和能效衰减问题，工程化验证不足，目前主要处于研究阶段，未商业化推广[7]。

表1 热管理方案的优缺点比较

1.1.1风冷

风冷方案是以空气为冷却介质，通过强制或自然空气流动带走电池产生的热量，从而降低电池的温度，避免电池在工作过程中发生过热。其中自然风冷依赖空气温差驱动被动散热，散热效果差。而强制风冷则通过风机主动增强气流交换效率，其核心结构由风扇、风道及空调组成，具有结构紧凑、可靠性高、安全性好等特点[8]。风冷技术广泛应用于储能系统的热管理，是经济性优先场景下的主流选择。

在风冷式技术发展中，散热风道的优化和设计是提升热管理系统散热效率的重点。白亚平等[9]利用由空调和风道组成的储能系统的热管理系统，针对额定容量为500 kWh的集装箱式锂电池储能系统，对风道结构进行了重点研究，其设计涵盖了与空调连接的软风道、主风道及多个风道出口，以确保气流均匀分布，设计的风道如图2所示。实验结果显示，储能系统在额定功率下运行，电池的工作温度能够保持在17.5和32.6 ℃之间，且温差不超过5 ℃。康芳明等[10]针对大容量储能电池的热管理需求，通过多维度参数优化研究了风道结构对散热的影响，验证了该结构在10 m/s风速下可实现1.55 ℃的温差控制。杨金亮等[11]也验证了增加风道可以提升集装箱式储能系统在制热和制冷模式下的热交换效率。

图2   风道设计模型[9]

上述研究显著提升了空气冷却效率，但受限于储能系统的空间，储能散热面临气流场分布不均匀和阻力特性大的问题，因此，研究者们开始探索增设导流板以及风道进出口位置优化来改善散热效果。Xu等[12]使用Soildworks建立储能系统，如图3所示。在集装箱的入口附近增加了导流板，能够阻挡进气道气流，改变电池舱内气流场分布，使空气在整个电池舱内流动，从而提升电池模块的散热效果。仿真结果显示，增加导流板后，储能集装箱内温度分布更加均匀，相比优化前，平均温度、最高温度和温差分别降低了4.57、4.3和3.65 ℃。

图3锂离子电池储能舱模型[12]

图4  储能系统散热方案[13]

该解决方案可以增强特定几何配置中的气流分布，但是缺乏通用性。Lin等[13]发现储能系统在架构和形状上与数据中心相似，均为堆叠在存储机架中的可扩展单元集群，于是提出了布局重构的广义解决方案，如图4所示。图中蓝色和红色部分分别代表冷空气供应和热空气回风口，图4(a)为原始方案，采用天花板送风和地板回流；图4(b)为地板送风和天花板回风；图4(c)为风道送风和天花板回风。实验分析表明，修改后的布局，图4(b)中温差下降到了3.5 ℃，制冷系数从8.5增加到了34.8；图4(c)中平均温度下降到24.2 ℃，最大温差下降到7.7 ℃。Yan等[14]针对紧凑型电池储能系统，建立了四种冷却空气进出口方案，实验结果也表明，将进出风口配置在机柜的同一侧热管理性能更好。

以上研究主要集中在储能散热系统的整体结构优化设计，缺乏对电池箱体内部的热性能考虑。Zhang等[15]研究了储能系统中电池模块内部电池单体之间的距离对散热的影响，结果显示，对于系统的冷却能力和电池的布置而言，存在一个最优的电池间距以达到最佳的冷却效果，电池间距太小或者太大都会降低热管理系统能力。徐鑫甜等[16]创新性地引入电池盒侧壁开孔调控策略，实现了电池堆内部温度场与流场的协同优化，显著提升电池箱和电池架的均温性，电池温差分别降低28.2%和43.6%。李明飞等[17]针对储能系统电池单体多、内部结构复杂，提出了电池模块的多孔介质模化方法简化系统的热管理数值分析，兼顾了电池舱与电池模块跨尺度热流场耦合的相互作用，研究目标为1 MW集装箱式电池储能装置，如图5所示。实验发现，电池模块的温度均匀性受电池模块内部空气流量分布和电池舱流场、温度场共同影响。

图5 电池舱内部空气流向示意图[17]

风冷散热作为储能系统热管理的主流方案之一，凭借其结构简单、部署灵活、维护成本低等优势，在中低功率应用场景中表现出良好的适用性；但该方式受限于空气介质的低比热容，存在散热效率较低、温度均匀性差及受环境因素的影响大等技术难点。因此，目前锂电池储能风冷方案的研究集中在散热风道的设计优化、导流板增设、进出风口的布局以及电池箱热性能优化等方面，以提高风冷方案的热管理能效。但对于高功率、高能量密度且结构复杂的大规模电池储能系统而言，风冷难以满足系统散热需求，影响系统的安全性和使用寿命。未来发展应当聚焦于多冷却方式的耦合，保留风冷经济性优势的同时，探索与其他散热方式的混合热管理方案，以满足不断增长的电池储能需求。

1.1.2液冷

低效的热管理方式是制约储能系统功率密度和充放电倍率的重要因素。风冷的低导热性限制了其在较高环境温度下的使用，可能存在散热能力不足的情况[18-19]。相比之下，液冷技术由于冷却介质的高导热性和较大的比热容，具有更高的冷却效率[20]。液冷技术可分为直接接触式液体冷却和间接接触式液体冷却[21]。间接冷却是指冷却液和电池之间通过管道或冷却板进行热交换，而直接液冷是指冷却液与电池直接接触进行热交换。

1.1.2.1间接液冷

间接液冷系统主要由散热器、水泵、冷却液和相关阀门管路系统组成。冷却液在水泵驱动下经液冷管道流入液冷板，吸收或者释放热量对电池进行温度控制，随后流至热交换器，通过强制对流或者相变与外部环境进行热交换。加热和散热通常共用一循环回路，通过阀门切换实现模式转换。

相较于风冷系统，通过流体介质的温度与流量的调节可以更稳定地维持电池工作温度区间，提高储能系统的整体效能。张维江等[22]针对一个储能机柜的电池模块，搭建了物理模型和数学模型，进行风冷方案和液冷方案的对比和优化，如图6所示。风冷方案通过优化储能模块的串并行式，降低了电池单体之间的温差，提高了温度均匀性；液冷系统相比风冷的进口温度更低，且系统能耗仅为43.68 W，远低于风冷方案的272.75 W。帅昌俊[23]以液冷集装箱式储能系统为对象，通过理论建模和工程验证，证明液冷方案可以实现较好的电池温度控制。雷博等[24]在4 C的高倍率工况和储能系统实际AGC调频工况下的研究也表明，液冷方案能够维持系统长时间运行可靠。

图6  风冷和液冷方案[22]

液冷板因其结构简单、冷却效率高，在间接冷却中得到了广泛应用，其结构的差异化设计和放置形式直接影响着电池簇的热均衡性。陈晨等[25]提出了一种多流道强化散热液冷板设计方案，如图7所示。液冷板采用左进右出多分支流道布局，结合后端圆柱状扰流点阵列，改善冷却液的接触面积和流动均匀性。在储能系统长时间高功率的工况下，维持最大温度差在5 ℃内。Xu等[26]针对储能用的大容量方形电池，提出了三种蜂窝状的冷却板，研究表明减少入口处液冷板面积的方案，在冷却效率、系统功耗和传热性能方面均具优势。但是以上依赖经验的液冷板设计在流阻和温度分布方面存在一定的局限性。相较于经验驱动的流道设计，拓扑优化通过数学建模全局优化流道分布，可以更加全面地提升散热系统的效能。Hou等[27]以冷板表面平均温度和流阻功耗为优化目标，构建了拓扑优化数学模型。将拓扑优化液冷板与传统矩形通道冷板对比，显著降低了储能系统的温差和冷却系统的流阻。目前储能系统中的液冷板普遍放置在电池簇底部，在高倍率充放电工况下，热量堆积会造成垂直方向温度差异过大。因此李许一等[28]提出了冷板侧置的方案，如图8所示，将冷板从水平放置改为竖直放置，并增大与电池的接触面积后，显著减少了电池之间的温差。

图7 液冷板示意图[25]

图8 电池簇液冷散热系统结构[28]

尽管液冷结构优化与布置方式已显著提升局部换热效率，但是储能液冷系统的全局热均衡性仍高度依赖于管路网络的协同设计。王瑞清等[29]针对光伏储能电站构建了冷源-集装箱-电池簇-插箱的四级管路结构，实现冷却介质在管路中均匀分配，维持电池在合理的温度范围内。Zhou等[30]基于液冷技术路线，改进了储能电池柜的结构，如图9所示，2只管路并联2个储能变流器，剩余管路分别供应8个电池簇，结果显示与传统风冷相比，该结构使电池温差更小，降低了能耗。

图9  冷却管路示意图[30]

储能系统的间接液冷方案通过冷却液循环与热交换器协同作用，实现了对电池温度的调控。其核心优势在于通过流体介质的高效传热特性稳定电池在适宜温度区间，同时简化了内部风道结构，散热能效和系统的空间利用率实现协同优化。液冷板作为间接液冷的核心部件，研究集中在其结构设计的优化和布置方式上。传统依赖经验的设计模式仍存在一定的局限性，需要通过拓扑优化等数学建模方法实现设计全局性能提升。此外，目前大部分液冷板的优化目标是新能源汽车的动力电池，缺乏对储能系统整体规模级应用、长时间运行和高寿命需求的针对性。在储能系统结构层面，多级管路的构建和优化直接影响着散热效能。然而，液冷方案部件的增多提高了整体结构复杂度，间接液冷传热环节多，电池单体和冷板间的界面热阻已经成为制约散热性能进一步提升的关键阻碍，因此应当开展对浸没式液冷方案的深度研究，为未来储能系统的发展提供更具潜力的热管理方案。

1.1.2.2浸没式液冷

浸没式液冷是储能系统热管理的前沿技术，根据冷却液是否发生相变，可以分为单相浸没式液冷和两相浸没式液冷，原理如图10所示[31]。单相浸没式液冷通过冷却液与电池模组的直接接触传热，传热过程中冷却液始终保持液态，在密封浸没舱内完全包裹电池模组，通过循环水泵驱动形成定向流动，实现热量交换。相较于传统风冷及间接液冷系统，该技术具有优越的导热效能、高储热流密度和温度均衡性。Satyanarayana等[32]对比了自然风冷、强制风冷与单相浸没式冷却，发现在3 C放电倍率下浸没式液冷的冷却效果最好，是一种安全高效的热管理技术，适用于高能量密度和大电流运行工况下的锂离子电池。Wu等[31]设计制造了一种基于硅油的单相浸没式液冷，以30并28串的锂离子电池模组为研究对象进行实验，结果显示直接接触式液冷相比于间接液冷散热系统集成率更高，最大温升和最大温差显著降低。然而单相液冷从电池单体和模组迁移到大规模、高密度的储能系统中还需要诸多实验验证。冷却介质的流动传热机制需与高密度电池簇的储能结构动态适配，优化冷却液流速控制和黏度参数等方面实现系统功耗和散热表现的平衡。综合考虑冷却液选型、散热结构设计和运行成本，兼顾热管理效率与运行周期的经济性。

图10  浸没式冷却原理[31]

两相浸没式液冷技术基于液-气相变传热机制，通过低沸点冷却液的汽化潜热实现储能电池的散热。如图10(b)所示，当电池温度超过冷却液饱和点，液体吸收热量发生沸腾，产生的气体经冷凝器液化回流至封闭舱。相比于单相浸没式液冷，两相液冷的实验条件更加复杂，适用范围更窄，需要考虑沸点和压力的设置问题[33]；但是两相浸没式液冷具有更优越的散热能力和温度均匀性。Wang等[34]对比了自然冷却、强制冷却、矿物油单相浸没式冷却和六氟丁烯(SF33)两相浸入式液冷，结果表明在10 C放电倍率下，SF33也能将电池保持在33~34 ℃。Li等[35]针对电池单体和模组进行了不同冷却方式的性能研究，在5 C放电倍率或外部短路状态下，两相浸没式液冷均能限制电池温升且具有更好的温度均匀性。两相浸没式液冷在应对电池极端工况中具有独特优势，通过相变显著抑制电池温升，并提升温度稳定性，在散热需求和能量密度日益上升的储能场景中具有非常大的应用潜力。在未来发展中，两相浸没式液冷应着重研制低沸点、高化学惰性及环境友好的冷却液，缓解常用介电流体氟化液的环境风险和密封性设计压力，同时考虑与电站热负荷匹配的沸腾工质压力动态调节、高密度冷却液引发的系统增重与运行维修成本高等问题。

在浸没式热管理系统中，冷却液的物理性质直接主导着电池簇的运转状态，冷却液的参数优化成为电池安全性与经济性的核心，是未来研究的重点[35]。因此在锂电池储能领域，浸没式液冷技术应对冷却介质的性能提出严苛要求，其需兼具介电常数低、传热效率高、难燃特性、化学惰性以及低毒性和低黏度，以适配电芯直接接触的储能场景，目前研究的冷却液种类有氟化液、碳氢化合物、硅油类、酯类和水基类，具体参数见表2[31, 33]。然而，当前市场尚未形成统一的选型标准，氟化液、硅油等候选介质仍处工程验证阶段，产业化成熟产品稀缺。

表2 浸没式冷却液的性能参数

浸没式液冷系统受限于特种介电流体的高昂采购成本、高黏度流体循环引发的泵送功耗上升，以及浸没模块化设计导致的电池系统质量密度上升等制约，其规模化工业应用尚未全面开展，但前沿工程实践已经推出[33]。2023年3月6日，我国首个也是全球首个浸没式液冷储能电站——南方电网梅州宝湖储能电站正式投入运行，实现了电化学储能安全技术的迭代升级，电池散热效率较传统方式提升50%。梅州宝湖储能电站的每个浸没式液冷电池舱容量为5.2 MWh，能够实现电池运行温升不超过5 ℃，不同电池温差不超过2 ℃[36]。

相比于间接冷却，浸没式液冷使介电流体与电池直接接触，降低了热阻，结构更加紧凑，传热面积更大，可以有效提高电池的热安全性[37]。但是冷却液与电池壳体、密封材料的长期相容性缺乏验证，储能系统的密封性也应通过极端工况的实验优化。冷却液选型和应用仍处于物性参数与场景适配试验期，需要加强冷却液黏度和功率的耦合关系以及环保和经济性平衡的相关研究。

1.1.3相变材料冷却

相变材料(phase change material，PCM)冷却是通过相变过程中吸收和释放潜热，保证电池模块长时间的温度均匀[37]。相变材料具有能量密度高和温度均一性优异的特点，尤其适配储能场景的轻量化与低功耗需求。欧阳叶郁等[38]针对光伏储能混合系统中的电池热安全性，研究了空气冷却和相变材料冷却两种热管理方案，结果显示风冷方案的散热能力和风速成正比，但是无法维持电池温度分布的均匀性。复合相变材料能够把电池的温差保持在0.88 K内。然而，相变材料导热系数低，无法保证储能系统长时间运行，当温度低于313.65 K时相变材料可能导致电池温度上升。

为确保高热量产生环境下电池的安全性，需要一个补充冷却系统进行复合散热[39]。张雅新等[40]开发了一种新型应用于集装箱式储能的相变液冷耦合方案。该液冷系统利用冷却工质相变潜热，能够使输送管道中的进、出口温度保持一致，进一步提高电池组的均温性；假如发生泄漏也会瞬间汽化，保证电池的安全性。研究结果表明，两相冷板液冷系统在整个充放电过程中能够有效降低电池的温升，并将全舱电池的最大温差从传统液冷系统的 4.17 ℃降低至 3 ℃以内。实验还发现在静置阶段，电池温度难以自然散发，会导致电池温度较高和电池间温度差异变大，因此需持续开启冷却系统以确保电池在安全温度范围内运行。Hou等[27]针对单一散热方案无法满足高功率的条件下，基于相变浆液(phase chang slurry，PCS)和液冷板结构优化进行数值研究，相比于纯水液冷方案，PCS的液冷散热具有更优越的冷却性能和温度均匀性，结构如图11所示。

图11  基于PCS的液冷系统结构[27]

相变换热技术由于材料本征的局限性，在储能领域的规模化应用面临着许多挑战。一方面，PCM存在低导热性、极端温度下性能衰退及相变体积膨胀等缺陷，需要与其他冷却系统联用优化散热性能；另一方面，复合系统长期运行的可靠性、工程成本以及系统增重需要在经济性和热管理系统效能之间进行平衡。目前相变冷却技术的应用主要集中在汽车动力电池领域，在锂离子电池储能方面研究较少，未来应当集中在材料性能改进与复合冷却结构设计上，同时加强对于储能系统的针对性，以推动PCM技术从动力电池向大容量储能场景的应用。

1.2加热方案

电池加热是保障储能系统性能、寿命及安全性的关键技术。在低温环境中运行储能电池会导致锂离子扩散受阻、反应动力学减缓、电池容量衰减、电池内阻增大、循环寿命下降等电化学性能的显著降低[41-42]。这不仅限制了极端环境下储能系统的充放电倍率，更可能诱发热失控等安全隐患。因此需要开发适配的储能加热技术，维持锂离子电池在适宜的温度范围内稳定高效地运行。

面向规模级储能系统的加热方式通常分为外设加热器和热泵空调加热两种。加热器加热主要依托电阻式加热元件与对流换热的方式实现电池组的加热。如图12所示，加热器将传热介质加热，通过风扇和水泵将热空气、热液体与储能电池组进行热量交换[42]。杨艺云等[43]基于加热器和空调设计热管理系统，当集装箱内温度低于5 ℃时，开启加热器进行空气加热对电池进行温控，该方法简单易用，在储能项目中取得了良好效果。正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)电加热器因结构简单、成本低，成为低温加热器的主要选择。如程鹏飞[44]和帅昌俊[23]等人通过冷却液回路和冷媒回路构建热管理回路，在低温工况下关闭冷媒回路，启动PTC加热器将电能转换成热能，通过功率控制达到合适的冷却液运转温度，随后由水泵驱动沿管路流经电池组实现与集装箱内储能单元的换热。

图12 加热器原理[42]

尽管PTC电加热器加热迅速、控制简单，能够快速响应热需求，但其低能效比制约了其在大规模部署中长时间的应用。因此具有反向卡诺循环特性的热泵系统也受到关注。热泵空调通过压缩机将制冷剂增压为高温高压气态，在冷凝器内释放潜热加热空气或冷却液等载热介质，随后经蒸发器吸收环境热量汽化再进入压缩机形成闭环回路，最终借助风扇和水泵将热量输送至电池模组。张建府[45]以储能电站为目标设计热管理系统，如图13所示，通过设置四通阀实现系统的冷却和加热。在制热模式下，制冷剂流经换热器相变加热冷却液，然后依靠循环水泵将冷却液泵入各个储能集装箱内换热。Kwon等[46]设置了三台热泵空调组成热管理系统，研究导风板角度和热泵出风角度对于集装箱储能系统最高温度和平均温度的影响。

图13  加热器原理图[45]

当前储能电站或者集装箱的低温加热研究仍处于探索阶段，现有文献多聚焦于冷却散热技术的优化，对低温加热机理的解析与工程化方案的创新较为缺乏。既有的研究主要应用外置式电加热和热泵空调加热等传统的技术方案，存在能耗和加热能力矛盾问题，对于储能电站的规模级应用和动态工作状态缺乏针对性研究。未来储能场景中的低温加热可以借鉴极端温度下动力电池的技术方案，如直流加热[46]、交流加热[47]和加热膜加热[48]等方法，实现在储能系统加热速率、运行稳定性和温度场均匀性的协同优化。

2 储能系统热管理的控制方案

在热管理系统的设计与优化中，控制策略发挥着重要作用。通过控制策略驱动系统硬件如空调、水泵和压缩机等部件协同作用，使得系统在实现较好能耗的同时具有更高效的热管理性能。合理稳定的控制策略能够有效降低系统的最高温度，并改善电池间温度分布均匀性，提升锂电池设备的工作效能和安全性[49]。目前的控制策略是以传统开关控制为主导，通过预设温度阈值进行热管理系统模式的切换和部件的调控。但储能系统在动态工况下的热负载变化具有非线性特点，因此预测型算法被引入，以采集电池的温度和电池间温差对储能系统进行优化。

2.1开关控制策略

开关控制作为经典的控制策略，其核心机理在于基于预设阈值触发系统部件的响应，具有应用简单、可靠性高的特点。该策略通过定义储能系统模式的切换阈值实现逻辑控制。在以空气为传热介质的热管理方案中，开关控制凭借构建多级温度阈值触发机制，实现空调系统与储能系统热需求的协同匹配。通过传感器实时采集储能系统的运行温度，当监测值突破预设的模式切换值时，启动制冷机组或者结合加热器进行冷却、加热，这构成了该策略典型的应用形式。向嘉强等[50]针对高海拔环境下的储能集装箱提出双模式切换的温度控制策略，当箱体内部温度低于12 ℃或超过28 ℃，便分别进入制热或制冷模式，实验结果显示调整空调的开闭能够稳定维持储能系统在合理的温度范围内运行。但是这种传统的应用形式只考虑冷热两种模式的切换，仅以集装箱内部的温度作为设定温度阈值的单一因素，无法动态适配系统在不同运行状态的热负荷需求，同时限制了热管理系统能耗效率。王志伟等[51]同时考虑储能集装箱的运行温度和运行状态，提出了多阈值的冷却模式开关控制策略，如图14所示，分别针对待机、普通和高倍率运行工况提出不同的冷却模式开启温度值，结果显示相比于单一的温度设定，优化后的策略降低热管理能耗约33.0%。付长江[52]也考虑储能集装箱的动态放电倍率设置不同的冷却模式开启温度，实现空调系统间歇运行，显著降低空调系统的散热能耗。储能集装箱的热管理系统往往由多台空调组成，系统运行的温度依赖对回风口温度的监测，这会出现靠近回风口的温度率先达到切换阈值，不同位置的空调模式切换不协同，从而造成集装箱内的温度场分布不均匀，增大电池温差。因此，谢金元等[53]提出以电池单体的温度和充放电状态动态调整温控目标，并且统一调节空调运行状态的开关控制策略。工作态采用精准温控，电池超过27 ℃强制制冷，低于14 ℃强制制热。静置态放宽温度区间切换状态阈值分别为40和8 ℃。该策略使电池堆温差最高降低1.4 ℃，空调能耗降低了62%。

图14 集装箱系统运行策略[51]

在液冷热管理方案中，开关控制通过压缩机、水泵和阀体的协同启停与温度分梯度调控，实现冷却介质与储能热负载需求的动态耦合。程鹏飞等[44]提出液冷集装箱热管理策略，通过设置上下限值实现多模式切换的开关控制。当温度超过33 ℃时，压缩机和水泵同时运转进行散热直至温度低于28 ℃；当温度小于12 ℃时，开启PTC和水泵加热模式直至最低温度大于15 ℃。实验结果显示该设计有效保障了电池热安全性与温度一致性。除了稳定与安全，在储能系统的应用中，控制策略也影响着储能系统的实际效率，能量效率的优化是提升经济性和可靠性的重要研究方向。霍首星等[54]通过实验揭示了储能电池柜能量效率与制热模式中温度设定的关系，提出依据电池最小温度设置三档模式，分级进行电池柜的加热，最终确定进水口温度分别设定为30、24和22 ℃时电池柜效率最优。然而现有研究多聚焦于集装箱和储能柜级分散式热管理设计，独立温控单元间缺乏整体的调控，会导致电站级别的全局热力学协同优化不足。张建府[45]针对储能电站的整体热安全性，提出了一种压缩冷水机组和闭式水循环组成的集中式液冷换热系统，温度调控方案如图 15所示。以各独立储能单元的加权温度，进行热管理模式的切换，调控冷却液的温度和流量进行独立冷却或加热。

基于上述研究成果可见，当前开关控制策略通过阈值和模式切换的协同优化，在保证储能系统热安全性的同时能够降低系统能耗。在储能热管理中采用固定阈值启停策略，但这种被动式控制存在响应滞后、温度波动大等问题。需要进一步融合预测算法，实现热管理系统的超前补偿和自适应优化，提升控制效果。

图15温度控制策略[45]

2.2预测型控制策略

传统基于阈值触发的开关控制策略因缺乏对储能系统热需求波动性与工况动态特性的考量，难以实时响应电池非线性热需求，易导致散热延迟、温度场分布不均及热管系统能效比失衡等问题，制约着储能系统运行的可靠性。而预测型控制策略通过融合历史运行数据、实时工况参数及仿真模拟信息，构建数据驱动的非线性映射模型，可实现对电池温度趋势的准确预测。如Feng等[55]建立了电化学模型与热模型，结合神经网络，通过大量的实验数据训练，能够准确估计出－10~40 ℃环境下的电池温度。Wang等[56]以环境温度、放电电流、荷电状态(SOC)和冷却空气流量作为神经网络模型的输入，电池的温差和平均温度作为输出，对比了反向传播神经网络、径向基函数神经网络和简单递归神经网络对锂电池温度的预测，结果显示简单递归神经网络的适应性和泛化性更强。同时在预测域中，主动优化制冷/制热强度与能耗分配，在降低电池温差的同时实现热管理系统能效的提升，从而维持电池最佳工作区间并抑制热失控风险。Zhuang等[57]通过模型预测算法预测电池的平均温度，并以电池的平均温度为状态变量，控制热管理系统的进气口风速的自适应调节，结果表明该方法能够实现降低温差和热管理系统能耗的目的。Guo等[58]提出了一种复合神经网络模型来预测电池的产热，在预测域内通过动态规划算法求解最优的冷却液流量、温度和流向，使热管理能耗降低了56.48%。

但是以上这些研究都集中在电池单体或电池模组的热管理系统设计上，针对整个储能集装箱或者储能电站的预测控制策略研究相对匮乏。林达等[59]为了解决储能电站运行过程中电池单体之间散热需求不一致的问题，建立了锂离子电池的集中热模型和电池与电池舱热量流动的耦合模型，电池舱的主要结构如图16所示。基于储能集装箱的历史数据和建立模型的计算结果，预测出集装箱内热量分布，进行风向和风速调整，有效改善了储能舱内温度不一致性以及舱内的散热环境。Huang等[60]建立了储能系统的简化模型，如图17所示。该方案利用决策树算法验证了冷却空气流量对电池组件的最高温度和温差均有显著影响，而入口温度仅影响最高温度；并通过支持向量机预测了电池在不同运行条件下的安全性，最后提出了一种分布式进气设置策略，该策略通过单独调节两侧进气口的冷却空气温度，成功将电池的温度和储能系统的功耗分别降低了8.6%和40%。这些研究标志着预测型算法在系统级储能热管理中的初步探索，通过结合动态模型和数据驱动，在储能系统热管理中实现了安全性和能效的提升。但是现有研究任然存在一定的局限性：对于部件控制对象较为单一，未充分研究协同调控热管理系统中其他关键部件，如压缩机转速、膨胀阀开度等；此外，训练数据多依赖电池本体参数，而忽略环境温湿度、地理气象参数及电网调度指令等外部扰动因子，可能导致策略泛化能力不足。未来应当构建多层级的物理模型与数据融合的储能系统预测型控制框架，充分考虑热管理系统多部件能耗耦合，依据电池、环境和电网运行状态多维度的数据，构建高适应性和鲁棒性的预测型控制策略，实现高效、精准的控制，在储能系统复杂运行环境中稳定满足系统热需求。

图16  储能电站集装箱设备布置[59]

图17 储能系统结构[60]

综上所述，储能系统大部分控制策略是基于阈值触发的开关控制，少量研究引入预测型的控制策略，动态调整和优化冷却参数。但是当前储能系统热管理控制算法研究较少，需要加强基于规则和优化的控制算法的应用，如模糊控制、群优化算法及模型预测算法等。在控制目标层面应对热管理中关键部件的功耗和效率的动态耦合进行深入优化，达到功耗与效率平衡。通过控制策略动态调节热管系统的启停、制冷/制热等运行参数，实现优化系统能耗、提升控制精度、延长储能系统的使用寿命。

3 总结

储能系统的热管理至关重要，特别是对于使用锂离子电池的电化学储能而言。锂离子电池在充放电过程中释放的热量容易导致温度不均，甚至局部高温；而低温环境下，电池内部离子迁移速率降低、内阻增大，可能加速锂枝晶生长并诱发析锂现象，若无法实现有效的温度调控，将导致电池电化学性能和循环寿命衰减，甚至诱发热失控等连锁反应。因此，设计和实施高效的热管理是确保储能系统持续高效运行的关键因素之一。本文通过对储能系统的热管理分析得出以下结论：

(1)当前大多数锂离子电池储能系统的热管理研究集中于单舱体的温控需求，这可能导致储能系统整体协同调控失配。储能系统为长期运行的设施，且大多长时间处于高功率运行状态，易受环境影响。集装箱级别的冷却设计往往只能解决局部热点问题，并不能有效应对整个系统内部和周围环境的温度、湿度变化。

(2)风冷热管理方案技术成熟、应用广泛，但在储能系统长时间高负荷运行场景下，换热效率存在一定的局限性，难以满足高功率储能系统的需求。相比之下，液冷技术因其优异的散热性能、较低的实施成本和较高的工程可行性，正逐步成为储能热管理领域的主流方案，但仍需在冷却液选型、结构设计与能耗控制上做出优化改进。

(3)在储能系统复杂多样的运行工况下，单一散热技术由于性能的局限性，难以全面满足冷却需求。此外，低温加热技术也亟待深入研究传热机理与拓展方法，突破加热速率、系统稳定性与温度均匀性的协同优化的瓶颈。基于此，可以结合多种冷却、加热方式，形成多技术协同的热管理方案，实现优势互补，还可以引入浸没式液冷等新型技术，提高储能系统整体性能。

(4)在控制策略方面，储能热管理系统对风扇、水泵和压缩机等能耗设备的综合研究和控制有一定的局限性，未能充分利用控制算法和优化算法精确调控这些关键部件的运行。面对复杂的储能环境和多变的能源需求，应实施高精度的实时调控，以提高能源利用效率和系统整体性能。