储能系统的热管理

1. 储能系统

储能系统简单来说就是一个大号电池，用于存储电力，咱们可以通过它来解决电力系统中的矛盾：

1. 时间错配：光伏白天发电，但大家晚上用电（尤其是居民用电）。储能把白天的电存到晚上用。基于峰谷电价延伸出电价套利（储能系统电价低的时候充电，电价高的时候放电）
2. 空间错配：例如西电东送，西部发的风电，受输电通道容量限制。为缓解通道压力，可在西部就近储存，按需释放再传输到东部。
3. 削峰填谷：工厂开机、电动车快充桩同时使用，会导致电网电压骤降。储能系统可以毫秒级响应，瞬间补上功率，避免跳闸。

一个储能系统通常由几个部分构成：

• EMS：能量管理系统（Energy Management System），根据电力市场价格，用户负荷需求，电池状态指定充放电策略；
• PCS：功率转换系统（Power Conversion System），直流电与交流电相互转化，控制充放电过程；
• BMS：电池管理系统（Battery Management System），检测电池电压、电流、温度的参数，防止电池过程，过放，过热等。确保电池安全和性能稳定。
• TMS：热管理系统（Thermal Management System），防止电池过热、过冷，提升系统可靠性与寿命。

储能系统结构图：

flowchart LR
    subgraph Decision[决策层 🧠]
        EMS[EMS 能源管理系统<br/>制定策略·经济调度·电网响应]
    end

    subgraph Coordination[协调层 🤝]
        direction LR
        BMS[BMS 电池管理系统<br/>电池保护·SOC/SOH·安全否决]
        PCS[PCS 储能变流器<br/>交直流转换·功率执行]
        TMS[TMS 热管理系统<br/>温度控制·散热/加热·除湿]
    end

    subgraph Execution[执行层 ⚙️]
        Cells[电池电芯]
        IGBT[功率模块 IGBT]
        Pumps[水泵·压缩机·风扇]
    end

    EMS -->|策略指令| BMS
    EMS -->|功率指令| PCS
    EMS -->|温控指令| TMS

    BMS <-->|充放电许可·电池状态| PCS
    BMS -->|温度阈值·报警| TMS
    TMS -->|温度数据·运行状态| BMS

    PCS ---|驱动| IGBT
    BMS ---|采样| Cells
    TMS ---|循环| Pumps
    TMS ---|测温| Cells

    style EMS fill:#e8daef,stroke:#8e44ad,stroke-width:3px
    style BMS fill:#d5f5e3,stroke:#27ae60,stroke-width:2px
    style PCS fill:#d6eaf8,stroke:#2980b9,stroke-width:2px
    style TMS fill:#fdebd0,stroke:#e67e22,stroke-width:2px

光储一体化系统框图：

flowchart LR
    %% 配色定义
    classDef power fill:#ffe6cc,stroke:#d79b00,stroke-width:2px,color:#333
    classDef storage fill:#d5e8d4,stroke:#82b366,stroke-width:2px,color:#333
    classDef dist fill:#dae8fc,stroke:#6c8ebf,stroke-width:2px,color:#333
    classDef grid fill:#f8cecc,stroke:#b85450,stroke-width:2px,color:#333
    classDef control fill:#e1d5e7,stroke:#9673a6,stroke-width:2px,color:#333

    %% ===== 电源侧 =====
    subgraph Power[🌞 电源侧]
        PV[光伏发电系统]
    end

    %% ===== 储能侧 =====
    subgraph Energy[🔋 储能侧]
        direction TB
        Battery[电池组<br/>磷酸铁锂电芯]
        PCS[储能变流器 PCS]
        BMS_TMS[监控与热管理<br/>BMS + TMS]

        BMS_TMS -->|监测保护| Battery
        Battery -->|直流电| PCS
    end

    %% ===== 配电侧 =====
    subgraph Dist[⚡ 配电侧]
        ACDB[交流配电柜]
    end

    %% ===== 电网与负载 =====
    subgraph GridLoad[🏭 电网与负载]
        direction LR
        Meter[双向电表]
        Grid[电网]
        Load[用电负载]
        Meter --> Grid
        Meter --> Load
    end

    %% ===== 控制侧 =====
    subgraph Ctrl[🧠 控制侧]
        EMS[EMS 能源管理系统<br/>策略调度核心]
    end

    %% ===== 电力流向（粗实线） =====
    PV -->|交流电| ACDB
    PCS -->|交流电| ACDB
    ACDB -->|供电| Load
    ACDB -->|并网| Meter

    %% ===== 控制流向（虚线） =====
    EMS -.->|调度指令| PCS
    EMS -.->|调度指令| PV
    BMS_TMS -.->|状态上报| EMS

    %% ===== 样式应用 =====
    class PV power
    class Battery,PCS,BMS_TMS storage
    class ACDB dist
    class Meter,Grid,Load grid
    class EMS control

2. 储能系统的热管理

储能热管理本质上跟空调/热泵的控制并无不同，只是被控对象从人的感受温度转换为电池包温度。甚至底层框架都不用动，控制方案直接从直接空调/热泵的通用控制方案直接移植过来😅。

目前的一些热管理方案¹：

• 风冷：成本低、结构简单、工业化成熟度高，导热系数低、温度均匀性差。
• 板式液冷：散热效率高、温度均匀性好、环境适用性广，复杂性高、有泄漏风险、成本高。
• 浸没式液冷：冷却液直接接触电池/芯片，热阻极小，传热面积大，导热效能极高、温度均匀性好、结构紧凑、热阻低，冷却液成本高、密封要求高、系统增重、泵送功耗大。
• 相变材料冷却：能量密度高、温度均匀性优异、无额外能耗，导热系数低、长时间运行易饱和、相变体积膨胀、成本高、工程化不足。

Q：啥是相变材料冷却？
A：利用材料融化时大量吸热、自身温度不变的特性，像”冰块吸热”一样控制电池温度。

• 电池发热时 → 相变材料像冰一样“融化”（固体变液体）
• 融化过程中 → 材料吸收大量热量，但自身的温度几乎不升高
• 结果 → 电池的热量被材料“吃掉了”，电池温度被稳稳控制住。

随着储能市场的发展，可能是发现风冷的散热能力不足。于是液冷型逐渐成为主流，目前客户在推的方案大多也是液冷型产品，目前算是比较成熟。

2.1. 储能系统的热管理的控制与保护

从软件角度看，热管理本质上就是根据输入信号量来控制被控对象：

• 传感器输入：模组NTC温度点、液冷回路进水/回水温度/流量/压力、环境温湿度
• 控制输出：PWM风扇转速（闭环调节）、水泵启停/转速、压缩机/冷机启停/频率、膨胀阀开度
• 保护逻辑：温差过大限制充放电功率、温度超限/传感器失效告警
• 进一步细化（软起动、平台期、调频点等）就进入了具体的控制规格书范畴，本文不再展开。

在实际项目中，比核心控制逻辑更麻烦的往往是异常场景：传感器读数跳变、通信丢包、水泵卡死反馈信号异常。热管理的软件实现，大量精力花在这些边界条件的处理上。

常见问题

相关文档

参考资料