户用储能设备的热管理技术研究

引言

在全球能源转型的推动下，户用储能系统作为分布式能源的核心组成部分，正迎来快速发展。随着光伏、风电等可再生能源的普及，家庭用电对储能的需求显著增长，已成为优化能源成本、提升供电可靠性的关键设备。然而其热管理问题日益凸显：锂电池与逆变器在充放电过程中产生的热量若不能高效散逸，将导致电芯寿命衰减、系统效率下降甚至安全隐患。当前，户储热管理技术面临散热效率、环境适应性及成本控制的平衡难题，亟需对自然冷却、强制风冷、液冷等方案进行系统性优化与创新。为此，本文结合欧洲户储项目实践，深入分析不同热管理技术的应用特性与演进路径，以期为行业提供高效、可靠的热管理解决方案。

1.项目概况

本文研究项目为为欧洲单相户用储能系统开发项目，是美的储能所成立后的首个针对欧洲高端市场的户用储能项目，旨在开发符合严苛技术要求的家庭储能产品，以应对俄乌战争引发的欧洲能源危机。项目内容涵盖电池热管理设计优化、结构仿真验证及测试全流程等，项目产品成功投放欧洲市场，助力美的树立行业影响力并为后续项目奠定技术基础。因此本文此项目的实践经验为依托，展开对户用储能设备热管理技术的详细研究。

2.户用储能分析

2.1 户储简介

户用储能设备是指家用锂电池柜，其一般由几个电池包（总电量不超过 20 度电）和一个PCS 组成。这个产品在国内不是很常见，一方面国内多数城市以高楼住宅为主，户内空间紧凑，缺乏安装条件；另一方面国内电网非常稳定，不会经常出现断电等突发情况。但欧美却大不相同，欧美许多家庭独栋居多，有充足空间安装户储设备，另外，这些国家电力市场成熟，峰谷电价差大，部分地区峰谷价差可达 1-2 元人民币甚至更高。所以，国内生产的户储产品几乎都出口到欧美等国家。

在家用储能主要分电池系统、变流器（PCS 或者 DC/DC ）和管理系统（BMS）三大核心部件，其中电池最佳工作区间为 10～35^∘C 区间，极端情况下不能超过 55^∘C ；变流器长期运行也最好控制在 85^∘C 以下，极端条件下小于 125^∘C 。因为家用储能一般放在室内、车库等相对比较良好的环境（相对工商业或者集装箱储能），加之充放电时间短的缘故，再考虑成本控制因素，市场上一般户储就是采用自然冷却。但近年来随着低成本的大容量电芯（如 280Ah），以及直流变流器等高能量密度电子器件等使用，户储行业里有些公司开始采用风冷和液冷。

2.2 户储系统

如下图 1（a）户用储能系统，从这系统可以看出储能电池作为核心把太阳能光伏发电系统、电网、家庭用电产品以及连接手机操作的云系统组成了一个完整的能源系统。同时图 1（b）还展示了一款常用的户储实物，由底部托盘、中间 4 个电池模组和顶部为 PCS 组成。

图 1 户用储能系统及实拍图

2.3 纳维-斯托克斯方程

近年来 CFD 计算在储能行业得到广发发展，本文也利用了这技术，其主要就是利用数值模拟计算求解如下 N-S 纳维-斯托克斯方程，如下表 1 所示

表 1 纳维-斯托克斯方程表

3.户用储能热管理措施

3.1 电池自然散热

由于 280Ah 等大容量在集装箱和工商业储能普遍使用，所以其成本也逐年降低并被使用在户储上。其热力学参数大致为：重量 5.4kg 、比热容 1050J/(kg^*K) 、发热量 11.2W 。通过理论计算，一次充电或者放电 2 小时，其温升大约为 14^∘C 所以这就解释了为什么在室温（ 25^∘C 左右）下很多户储在“短时间内”使用可以不用强制风冷甚至液冷。

图 2 自然冷却电池模组

3.2 电池风冷

倘若户储需要持续充放电，那么自然散热就不能满足使用需求了。基于此构思出一款风冷户储设计，如下图 3 所示。左侧风机吸风并立即向下流入电池模组底部，然后从电芯间往上流动并从顶部向户储背面流出。右侧的逆变器则由前侧进风，右侧流出。这样设计可以达到这些优点：1）电芯和逆变器等器件的风冷，可以满足大容量电芯户储安全运行，提高电芯寿命；2）电芯大面、底面和顶面都有风通过，其散热效率得到极大提高；3）电芯和逆变器间的隔热空间可减高温对电芯的热害；4）逆变器从户储前面进风，右边出风可减小其对电芯的热害。

图 3 强制风冷电池模组示意图

3.3 电池液冷

3.3.1 水箱冷却电池

“低温水箱”散热系统的热管理设计一方面可以保证储能系统在风沙较大的室外运行，另一方面还可以提升电池温度均匀性（即延长产品使用期限）。图 4 和 5 展示了其整个热管理系统实拍及原理图，虽然只有冷却水循环，但其系统却有两个水泵、还有四通阀和单向阀。这样不但可以实现电池独立冷却、PCS 和电池同时冷却、PCS 余热回收等众多热管理模式，还提升了产品集成度。

图 4 户储 Powerwall 热管理展示图

图 5 户储 Powerwall 热管理原理图

3.3.2 压缩机系统冷却电池

虽然上述 Powerwall 性能优异，但也存在这些缺陷：一是“水箱”散热所能承受的高温环境和风冷一样，在高温如 45^∘C 不能满足使用需求，其功率会受到 BMS 限制甚至不可以使用；二是 Powerwall 系统水路复杂，存在水管“汇流”以至于控制策略难以制定；三是其不利于后续热管理系统集成化设计。为此提出了下图带有压缩机制冷的系统设计，如下图 6 所示，不但解决水箱冷却缺陷，还可以使得电芯在环境温度- ⋅30^∘ 到 55^∘ 范围内不限功率使用。

图 6 一种带有压缩机制冷的热管理系统图

3.4 直流逆变器

3.4.1 自然冷

户储为了兼容新旧电池包需求，市场开始给每个电池包配备直流逆变器。如下图 7 的电池模组设计。由于其逆变器高效率和电池容量小的缘故，所以其热功率不高，自然散热就可满足运行要求。另外下图所示模组还阻隔了高温变流器对电池的“热害”，从而使得靠近变流器的电芯温度不比另一端高太多，最终确保了整个电池模组运行寿命以及安全。

图 7 户储和电池模组

3.4.2 强制风冷

当电池模组电量增大以及采用便宜的大容量 314Ah 电芯，变流器发热功率也加大。这时候自然散热就不能满足需求了，就需要采用风扇进行散热。下图 8（a）给出了一款变流器散热设计，在散热翅片中间嵌入两个“4020 型号”风扇后，铝翅片背面发热器件如 MOS 和变压器最高温度都降低到 125^∘C 以下，如图 8（b）的 CFD 仿真结果，进而确保了户储整机能正常工作。

图 8 强制风冷

3.4.3 直流逆变器热管散热

此外，由于市场有些客户对噪音有着较高要求，采用风扇散热会使得室内不够静谧。为此热管散热开始进入产品视野，加之生产工艺成熟和成本逐年降低，热管开始被大规模使用。如下图 9 展示了一款水作为工质的热管原理图：蒸发端受热后液态水汽化，蒸汽因压差扩散至冷凝端，释放潜热冷凝为液体；液态水通过管壁毛细结构（如烧结多孔层、轴向沟槽）克服重力阻力，反向渗透回流至蒸发端，维持自主相变循环。同时，在铝翅片中嵌入热管，可利用热管高效传热能力（等效导热系数(大于 5000W/(m^*c) )达铜的数十倍）迅速将 MOS 高能量密度的热量传至整个散热片，从而降低了 MOS 局部高温。

图 9 热管原理示意图

4.结语

本文系统梳理了户用储能热管理技术的演进路径与创新方向，随着大容量电芯（如280Ah/314Ah）的普及以及提升产品寿命的要求，户储电池经历了自然冷却、风冷和水冷过程。本文不但展示了风冷设计，即风冷通过优化气流路径（底部进风、顶部出风）实现高效散热，还解析了 Powerwall 热管理系统，最后还设计了一个带有压缩机水冷系统。二是在电子功率器件散热技术演化过程中，也经历了自然冷却、风冷和水冷过程。文中通过理论计算解释了自然散热的可行性、解析了特斯拉 powerwall 里 PCS 液冷原理以及分析了一款直流逆变器带有热管散热案例。

展望未来，户储热管理可在下面三个方向突破，首先是新材料开发，例如高能量密度的MOS 需要高导热系数的绝缘导热胶；其次是进行模块化开发；最后还需完善智能化热管理，可根据户储安装城市以及客户使用习惯，开发智能的热管理策略，从而节省电能并延长产品使用寿命。

参考文献：

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作者简介：晁东海，男，汉族，1985.04-，江苏淮安人，硕士研究生，无职称，研究方向：储能热管理