储能设备行业专题研究报告：储能前景广阔，热管理、消防需求水涨船高-西部证券.pdf

1 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 Xml 储能 前景广阔 ，热管理 、 消防 需求水涨船高 储能设备行业专题 研究报告 行业专题报告 | 机械设备 证券 研究报告 2022 年 07 月 25 日 行业评级 超配 前次评级 超配 评级变动 维持 近一年行业走势 相对表现 1 个月 3 个月 12 个月 机械设备 3.60 31.82 -6.64 沪深 300 -3.56 11.10 -16.72 分析师 俞能飞 S0800522060002 18116395961 yunengfeiresearch.xbmail.com.cn 卢大炜 S0800522050001 13136351582 ludaweiresearch.xbmail.com.cn 相关研究 -30 -24 -18 -12 -6 0 6 2021-07 2021-11 2022-03 机械设备 沪深 300 Tabl e_Title ● 核心结论 Table_Summary 摘要内容 储能应用广泛，电化学储能电站潜力巨大。 储能在电源侧、电网侧、用 户侧均有重要应用。以风能、太阳能为基础的新能源发电取决于自然条件， 具 有 间接性和波动性，其调节难度 较大 ，大规模并网时需要大容量储能 设 施 ，进行电力的调节和控制。完整的电化学储能电站主要由电池组、电池 管理系统、能量管理系统、储能变流器以及其他电气设备（温控、消防系 统等）构成。由于电化学储能相对于机械储能、抽水蓄能 ， 具备较大灵活 性，未来具有 较大的 发展潜力。 电化学储能安全性问题日益突出，储能热管理和消防重要性日益 显著 。 据不完全统计，截至 2021年 6月，全球共发生 34起储能电站起火爆炸事故， 储能热管理和消防 的 重要性不言而喻。 储能热管理 主要为风冷、液冷、 热管冷却和相变冷却技术，未来液冷技术渗透率有望提高。不同的热管理 技术可以用于产热率和环境温度不同的应用场景。风冷相对液冷系统初始 投资额低； 相变 冷却和热管的散热能力强，最大的缺陷是成本比较高且处 于实验室在研阶段。与普通风冷产品相比， 采用 液冷储能产品的电池寿命 提升了 20， 且较 传统空调风冷降低能耗 在 20以上，未来液冷渗透率有望 逐步提高 。 储能消防 消防行业市场规模庞大，竞争格局较为分散，但仍 有较强进入壁垒，需要技术积累、渠道和品牌的完善。消防产品行业主要 分为工业领域消防和民用领域消防，储能消防 方兴未艾。当前国内储能电 站整体造价中消防方面的投入占比 较小， 由于消防事关重大，且在总投资 占比较小， 因此 客户对价格敏感度相对较低，不会轻易改变供应商，具备 一定 客户 粘性。 目前电化学储能特别是锂离子电池 储能 发展 较快 ，有渠道、 有品牌、有 核心技术 的热管理和消防产品企业有望在储能赛道中获得先发 优势。 电化学储能迎高速发展， 预计 2025年储能热管理和消防市场规模分别达 百亿元。 随着储能单站规模逐渐大型化、电化学储能新增装机规模持续提 升、电源侧强制配置储能 电力改革不断深化，储能行业加速发展。根据 我们测算，全球 2025年全球储能热管理和消防市场规模预计分别达 122亿 元、 112亿元， 2022-2025年期间复合增速分为达到 49.89和 83.66。 投资建议 储能温控领域，建议关注 英维克、高澜股份、同飞股份 等 ；储 能消防领域，建议关注 国安达、青鸟消防 等 。 风险提示 储能行业景气度不及预期 、 温控和消防技术进步不及预期 、 相 关政策或标准不及预期 、 疫情影响超预期 等 。 行业专题报告 | 机械设备 2 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 索引 内容目录 一、储能行业简述 6 1.1 储能技术路线丰富，应用领域范围广泛 . 6 1.2 电化学储 能的产业链概述与系统组成 9 1.3 电化学储能的热管理与热失控 . 11 二、储能热管理行业简述 . 14 2.1 热管理技术现有技术概况 . 14 2.2 热管理技术原理及系统组成 . 15 2.3 储能热管理目前以风冷为主，液冷渗透率有望不断提高 . 18 2.4 热管理在其他领域的应用介绍 . 20 三、消防系统行业简述 . 23 3.1 消防行业整体市场规模近万亿，市场竞争格局较为分散 . 23 3.2 储能电站消防系统及布局 . 26 3.3 储能行业消防报警系统 27 四、驱动因素及市场规模 . 28 4.1 能源问题推动储能向前发展 . 28 4.2 单站规模大型化趋势明显 . 28 4.3 电化学储能新增装机规模持续提升 29 4.4 电源侧强制配置储能，电力改革不断深化 . 30 4.5 政策支持独立储能模式发展 . 31 4.6 储能热管理和消防 系统市场规模测算 32 五、投资建议 . 34 5.1 英维克温控行业龙头，储能业务实现高速增长 34 5.2 高澜股份水冷领域领跑者，业务扩张加速 37 5.3 同飞股份下游应用领域广泛，满足各行业温控需求 . 39 5.4 青鸟消防推进储能消防项目，巩固消防龙头地位 . 41 5.5 国安达灭火系统领跑者，储能产品有望放量 42 六、风险提示 . 45 图表目录 图 1储能技术分类 . 6 图 2储能主要应用场景 7 图 3储能形式转换示意图 8 图 4储能系统的优势 . 8 行业专题报告 | 机械设备 3 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 图 5不同电源出力特征对比 9 图 6调节能力随新能源渗透率提高 的变化趋势 . 9 图 7储能产业链 9 图 8储能电站组成 . 10 图 9储能电站预制舱 . 10 图 10温度对液态锂离子电池性能的影响 11 图 11不同放电 倍率下电压和表面温升的拟合结果 11 图 12锂电池组分材料的热失控反应机理 12 图 13锂电池储能系统安全事故诱发因素及其交互关系 12 图 14 储能系统成本拆分 13 图 15空气冷却结构 . 14 图 16液体冷却结构 . 14 图 17相变材料冷却结构 15 图 18热管冷却结构 . 15 图 19电池簇（左）和电池模组（右）内部气体流向 15 图 20分层式风道示意图 15 图 21电池模组结构及模型简化示意图 16 图 22不同流道结构冷却板示意图 . 16 图 23 “冰川 “相变冷却系统原理 17 图 24相变冷却热管理 . 17 图 25热管工作原理示意图 17 图 26热管式电池冷却系统结构图 . 17 图 27风冷（左）和液冷（右）下电池包温度分布情况 18 图 28风冷（绿）和液冷（红）的功耗情况 . 18 图 29液冷系统成本结构 19 图 30全球新能源汽车销量预测 . 20 图 31热管工作原理示意图 20 图 32全球快充桩数量 . 20 图 33 2016-2022 年中国数据中心市场规模统计（单位亿元） 21 图 34数据中心能耗结构图 21 图 35我国累计 5G 基站数量 . 22 图 36三家运营商基站功耗统计表 . 22 图 37 风冷与液冷节电对比 22 图 38智慧消防产业链 . 23 图 39智能消防系统 . 23 图 40消防市场规模 . 24 图 41消防市场产业链分拆 24 图 42消防产品销售模式 25 图 43电池储能消防系统组成图 . 26 行业专题报告 | 机械设备 4 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 图 44储能电站报警系统 28 图 45灭火控制原理图 . 28 图 46全球电力装机结构发展趋势 . 28 图 47全球电力发电量结构发展趋势 . 28 图 48 2021 年中国新增市场各应用场景功率装机（ MW）和装机个数 29 图 49 2013-2021 年全球锂离子电池包成本 30 图 50 2016-2021 年全球电化学储能累计和新增装机规模 . 30 图 51 2017-2021 年中国电化学储能市场新增装机规模 30 图 52中国储能技术装机功率比例 . 30 图 53我国电力能源结构 31 图 54 电池储能提供的服务项目 . 32 图 55 应用价格体系下的盈利模式 . 32 图 56英维克产品结构（ 2021 年） . 34 图 57英维克产品结构（ 2021 年） . 35 图 58 英维克以需求为导向的平台化研发体系 . 36 图 59 英维克总营业收入及储能营收 . 37 图 60 英维克温控解决方案 37 图 61高澜股份主营构成（ 2021 年） 38 图 62 高澜股份新能源汽车业务收入 . 38 图 63 高澜股份部分客户 38 图 64同飞股份主营构成（ 2021 年） 39 图 65 同飞股份 储能行业主要产品 . 40 图 66同飞股份部分客户 40 图 67同飞股份解决方案 41 图 68 青鸟消防产品体系 42 图 69 青鸟消防品牌矩阵 42 图 70 青鸟消防产品认证 42 图 71 产品认证逐渐覆盖全球市场 . 42 图 72 国安达部分产品 . 43 图 73 国安达智能灭火系统 43 图 74 国安达十大核心技术 43 图 75 国安达经典案例 . 43 表 1 部分电储能技术的基本原理和主要优点对比 7 表 2储能电站预制舱设计 10 表 3部分企业液冷技术及产品 . 16 表 4典型热管理技术的特点总结 . 19 表 5部分数据中心中液冷项目电能使用效率 . 21 表 6消防认证 24 行业专题报告 | 机械设备 5 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 表 7 部分电储能技术的基本原理和主要优点对比 25 表 8不同灭 火剂灭火机理 27 表 9可燃气体探测器联动示意图 . 27 表 10 2022 年 3 月部分备案储能电站项目 29 表 11 2021 年主要省市强制配储政策 31 表 12 储能需求 分析 . 33 表 13 储能热管理和消防需求分析 . 33 表 14英维克主要产品 . 34 表 15 英维克在研项目（ 2021 年年报） 35 表 16高澜股份主要产品 37 表 17同飞股份主要产品 39 表 18同飞股份主要产品及技术 . 40 表 19国安达在研项目 . 44 行业专题报告 | 机械设备 6 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 一、 储能行业简述 1.1 储能技术路线丰富，应用领域范围广泛 储能本质是给电力供应添加时间和空间变量。 储能能使能量转化为在自然条件下稳定存在 的能源，即在能量多余时，用特殊装置将能量储存起来，在需要时可以将能量释放出来， 从而起到调节能量供需在时空和强度上不匹配的作用。根据能量存储形式的不同，分为机 械储能、化学储能、电磁 储能、热储能 和氢储能等。其中，化学储能 （电化学储能） 是指 各种二次电池储能，主要包括锂离子电池、铅蓄电池和钠硫电池等；机械储能主要包括抽 水蓄能、压缩空气储能 和飞轮储能等。其中抽水蓄能是最主要的储能方式。 图 1 储能技术分类 资料来源 派能科技招股说明书， 西部证券研发中心 抽水蓄能是当前最为成熟的电力储能技术，早在 20 世纪 90 年代就实现了商业化应用，主 要用于电力系统削峰填谷、调频调相和紧急事故备用等。抽水蓄能也是目前装机量最大的 技术 路线 ，占全球储能累计装机规模的 90以上；但受地理选址和建设施工的局限，抽水 蓄能未来发展空间有限。 电化学储能是当前应用范围最广、发展潜力最大的电力储能技术。 相比抽水蓄能，电化学储能 受地理条件影响较小，建设周期短，可灵活运用于电力系统各环节及其他各类场景中。随着成 本持续下降、商业化应用日益成熟，电化学储能技术优势愈发明显，逐渐成为储能新增装机的 主流。未来随着锂电池产业规模效应进一步显现， 电化学储能 成本仍有较大下降空间，发展前 景广阔。 储能 机械储能 抽水蓄能 压缩空气蓄能 飞轮储能 化学储能 锂电池 铅酸电池 钠硫电池 液流电池 电磁储能 超导电磁储能 超级电容 热储能 储热 储冷 采用相变材料和 热化学材料储能 氢能 行业专题报告 | 机械设备 7 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 表 1 部分电储能技术的基本原理和主要优点对比 技术类型 基本原理 主要优点 主要缺点 电化学储能 锂离子电池 正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构成。充电 时， Li从正极脱嵌经过电解质嵌入负极；放电时则相 反， Li从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。 长寿命、高能量密度、高效率、 响应速度快、环境适应性强 价格依然偏高，存在一定安全风险 铅蓄电池 铅蓄电池的正极二氧化铅（ PbO2）和负极纯铅（ Pb） 浸到电解液（ H2SO4）中，两极间会产生 2V 的电势。 技术成熟、结构简单；价格低 廉、维护方便 能量密度低、寿命短，不宜深度充放电 和大功率放电 钠硫电池 正极由液态的硫组成，负极由液态的钠组成，电池运 行温度需保持在 300℃以上，以使电极处于熔融状态。 能量密度高、循环寿命长、功 率特性好、响应速度快 阳极的金属钠是易燃物，且运行在高温 下，因而存在一定的安全风险 机械储能 抽水蓄能 电网低谷时利用过剩电力将水从低标高的水库抽到高 标高的水库，电网峰荷时高标高水库中的水回流到下 水库推动水轮发电机发电。 技术成熟、功率和容量较大、 寿命长、运行成本低 受地理资源条件的限制，能量密度较 低，总投资较高 压缩空气储 能 利用过剩电力将空气压缩并储存，当需要时再将压缩 空气与天然气混合，燃烧膨胀以推动燃气轮机发电。 容量大、工作时间长、充放电 循环次数多、寿命长 效率相对较低、建站条件较为苛刻 飞轮储能 利用电能将一个放在真空外壳内的转子加速，将电能 以动能形式储存起来。 功率密度高、寿命长、环境友 好 能量密度低、充放电时间短、自放电率 较高 资料来源 派能科技招股说明书 ，西部证券研发中心 从整个电力系统的角度看，储能的应用场景可分为发电侧储能、输配电侧储能和用电侧储 能三大场景。其中，发电侧对储能的需求场景类型较多，包括电力调峰、辅助动态运行、 系统调频、可再生能源并网等；输配电侧储能主要用于缓解电网阻塞、延缓输配电设备扩 容升级等；用电侧储能主要用于电力自发自用、峰谷价差套利、容量电费管理和提升供电 可靠性等。 图 2 储能主要应用场景 资料来源 派能科技招股说明书， 西部证券研发中心 行业专题报告 | 机械设备 8 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 图 3 储能 形式转换示意图 资料来源 大规模储能技术发展路线图 ， 西部证券研发中心 可再生能源开发利用力度持续加大，接入电网的比例和在终端能源消费的占比不断提高。 根据 国际能源署的研究，为满足新能源 消费 需求，预测美国、欧洲、中国和印度到 2050 年需要增 加 310GW 的并网电力储存能力，为此至少要投资 3800 亿美元。以电力系统为例，储能可提 供频率调整、负载跟踪、削峰填谷和备用电力等作用。 图 4 储能系统的优势 资料来源 储能技术发展及路线图 ， 西部证券研发中心 以风能、太阳能为基础的新能源发电取决于自然条件，具 有 间接性和波动性，其调节难度加大， 大规模并网时需要大容量储能过程，进行电力质量的调节和控制。随着清洁能源替代和电能替 代不断深入，储电将成为未来能源体系中重要的储能形式。在高比例清洁能源系统中，为确保 系统安全、经济运行，需要引入储能作为新的调节能力来源。 行业专题报告 | 机械设备 9 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 图 5 不同电源出力特征对比 图 6 调节能力随新能源渗透率提高的变化趋势 资料来源 大规模储能技术发展路线图 ， 西部证券研发中心 资料来源 大规模储能技术发展路线图 ， 西部证券研发中心 1.2 电化学储能的产业链概述与系统组成 电化学储能产业链可以大致分为上游原材料及设备商、中游集成商和下游应用端。 储能产 业链上游主要包括电池原材料及生产设备供应商等；中游主要为电池、电池管理系统、能 量管理系统以及储能变流器供应商；下游主要为储能系统集成商、安装商以及终端用户等 。 完整的电化学储能系统主要由电池组、电池管理系统（ BMS）、能量管理系统（ EMS）、 储能变流器（ PCS）以及其他电气设备构成。电池组是储能系统最主要的构成部分；电池 管理系统主要负责电池的监测、评估、保护以及均衡等；能量管理系统负责数据采集、网 络监控和能量调度等；储能变流器可以控制储能电池组的充电和放电过程，进行交直流的 变换。 电化学储能具有灵活性等特 点，未来发展潜力大。 由于目前锂电是主流技术，因此 本文后续均以锂电池为例 。 图 7 储能产业链 资料来源 派能科技招股说明书， 西部证券研发中心 行业专题报告 | 机械设备 10 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 图 8 储能电站组成 资料来源 派能科技招股说明书， 西部证券研发中心 储能电站多以集中箱的形式存在，随着智能电网的快速发展，基于标准化设计、工厂化加 工、模块化建设理念产生了一种新型预制舱生产模式。 预制舱设计包括舱体设计和防火设 计，特点主要是标准化、模块化和预制化 。 预制舱内设备的安装接线工作都由施工现场转 移到对应预制舱生产厂家，使得预制舱在出厂前都已经完成了舱内设备的安装接线，这样 就能极大减少现场施工工作量，有效缩短施工生产周期，而且能有效减少施工现场粉尘等 对舱内设备施工接线过程中的污染，进而有效保障设备的安全稳定，提升储能电站的整体 建设效率。集装箱或预制舱内包含锂电池系统、电 池管理系统、储能变流器、能量管理系 统、热管理系统、消防系统等。 图 9 储能电站 预制舱 资料来源 大规模储能技术发展路线图 ， 西部证券研发中心 表 2 储能电站预制舱设计 分类 要求 舱体设计 结构设计 需考虑结构自重、检修集中载荷、屋面雪载荷、积灰荷载、风荷载等因素。 暖通设计 由于电池发热量大，环境运行要求高，预制舱热管理设计应能够对电池组的运行和待机温 度进行严格控制，并具备除湿功能，能够根据不同的工况，启动不同的热管理模式，鉴于 持仓内所有的电池温差控制在 8℃以内，预制舱内部环境问题控制在 15-35℃。 电源及照明 设计 预留二次电源接口，以便站内一体化电源的接入，内舱内二次设备、照明、消防、安防及 检修等系统提供电源。 防火设计 消防系统 舱内顶部设置温感、烟感和可燃气体探测器。火灾自动报警及其联动控制系统应该找一定 行业专题报告 | 机械设备 11 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 的动作逻辑执行相应防火和灭火策略启动相应的防火和灭火装置。 通风系统 通风装置可作为电池预制舱防火的一项重要措施，在电池发生热失控时，进行通风降低可 燃气体浓度，减少燃爆风险。 资料来源 大规模储能技术发展路线图 ， 西部证券研发中心 1.3 电化学储能的热管理与热失控 热管理 即根据具体对象（如电池系统、基站、 IDC、新能源汽车）的要求，利用加热或冷 却手段对其温度或温差进行调节和控制的过程。以锂电池为例， 15-20℃温度环境锂离子 电池才能发挥更高的工作效率。如果电池工作温度超过 50℃，电池寿命会快速衰减，甚 至可能引发安全事故。储能系统设计中需要进行合理的热管理（或温控）设计，以保证两 项热管理指标一是保证电池表面温度处于某一特定范围内，二是保持电池间的温差较小。 图 10 温度对液态锂离子电池性能的影响 资料来源 寒区汽车动力电池热管理系统保温装置研究 ， 西部证券研发中心 锂电池热性能和放电倍率有直接关系，同时热性能还决定了电池自身运行效率、安全性与 可靠性。 当电池的放电倍率增加时，电池可以放出的容量减小，且放电平台降低，使其不 稳定，并导致电池温度升高。而在大倍率 即 1.5 C 以上 放电时，锂电池的工作温度将会 超过理想工作温度。目前，大倍率已逐步成为趋势， 将 进一步加大对电池热管理需求 。 图 11 不同放电倍率下电压和表面温升的拟合结果 资料来源 18650 磷酸铁锂电池不同放电倍率下产热机理研究 ， 西部证券研发中心 锂电池热失控 指由于内部短路或外部短路导致电池短时间产生大量热量，引发正负极活性 物质和电解液反应分解，产生大量的热和可燃性气体，导致电池起火或者发生爆炸。不同 电池材料热稳定性不同，热失控是锂电最为严重的安全事故。在热失控过程中，从低温到 高温排序，锂电将依次经历①高温容量衰减；② SEI 膜分解；③负极 -电解液反应；④隔 膜熔化；⑤正极分解→电解质溶液分解→负极与粘结剂反应；⑥电解液燃烧等过程。 行业专题报告 | 机械设备 12 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 图 12 锂电池组分材料的热失控反应机理 资料来源 材料匠 ， 西部证券研发中心 图 13 锂电池储能系统安全事故诱发因素及其交互关系 资料来源 安全科学与应急管理研究 ， 西部证券研发中心 据不完全统计， 2011-2021 年间 ， 全球共发生 32 起储能电站起火爆炸事故 ， 其中日本 1 起、美国 2 起、比利时 1 起、中国 3 起、韩国 24 起 （ YangtzeEnergy） 。 2022 年 1-5 月 ， 全球就已经发生了 17 起以上的储能着火事故。国内在电池储能站快速发展的同时，由于 电池、 PCS 质量问题或者系统集成商施工能力良莠不齐，电池储能火灾隐患较为严重， 起火事故频繁。如镇江扬中某用户侧储能项目，项目中磷酸铁锂电池集装箱起火并烧毁。 综上，温控和消防系统至关重要，温控能有效保障储能电站安全，以防出现隐患。但万一 行业专题报告 | 机械设备 13 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 出现上述火灾，消防系统是最后一道防线。热管理和消防系统约占储能电站系统成本 6， 初步投资成本相对于电池系统、 PCS 等较低，但越来越必不可少。 图 14 储能系统成本拆分 资料来源 磷酸铁锂电池储能电站消防技术及工程应用 ， 西部证券研发中心 电池系统 55 PCS 20 集装箱或预 制箱 10 热管理系统 3 消防系统 3 配电系统 6 EMS 3 行业专题报告 | 机械设备 14 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 二、 储能 热管理 行业简述 2.1 热管理技术现有技术概况 热管理技术主要为风冷、液冷、热管冷却和相变冷却技术。 不同的热管理技术可以用于产 热率和环境温度不同的应用场景。在热管理方案中，主要应用的零部件分为阀类、换热器 类、泵类、压缩机类、传感器类、管路以及其他运用较多的部件几个大类。 ① 风冷 热管理技术主要为风冷、液冷、热管冷却和相变冷却技术。不同的热管理技术 可以用于产热率和环境温度不同的应用场景。在热管理方案中，主要应用的零部件分 为阀类、换热器类、泵类、压缩机类、传感器类、管路以及其他运用较多的部件几个 大类。 风冷 冷却结构简单、便于安装、成本较低。空气的比热容低，导热系数也很低，较难 满足电容量较大的储能系统散热，且进出 口的电池组之间的温差偏大，即电池散热不 均匀。相对比较适用于家用小功率储能电柜。 ② 液冷 以液体为冷却介质，通过对流换热将电池产生的热量带走。可用作冷却介质的 常见液体有水、乙二醇水溶液、纯乙二醇、空调制冷剂和硅油等 。 液体冷却介质的换热系数高、比热容大、冷却速度快，散热均匀，同时液冷系统的结 构较为紧凑。液冷设备结构较风冷设备复杂，对产品品质、密封设计等方面要求颇为 严格。电池密度高的时候适合采用液冷。 图 15 空气冷却结构 图 16 液体冷却结构 资料来源 集装箱储能系统热管理系统的现状及发展 ， 西部证券研发中心 资料来源 集装箱储能系统热管理系统的现状及发展 ， 西部证券研发中心 ③ 相变冷却 利用相变材料发生相变来吸热的一种冷却方式。对电池散热效果影响最大 的是对相变材料的选择，当所选相变材料的比热容越大、传热系数越高，相同条件下 的冷却效果越好，反之冷却效果越差 。 相变冷却具有结构紧凑、接触热阻低、冷却效果好等优点，但是相变材料本身不具备 散热能力，吸收的热量需要依靠液冷系统、风冷系统等导出，否则相变材料无法持续 吸收热量。此外，相变材料占空间，成本高。 ④ 热管冷却 依靠管内冷却介质发生相变来实现换热，相变过程可以吸收或释放大量的 热。热管冷却技术适合于经常工作在高倍率工况的锂电池系统，如快充电池系统、调 频储能系统等。 因此，热管冷却可以理解为相变冷却的一种。 热管冷却比液冷系统具有更高的散热速度和散热效率。冷却介质被封闭在热管内，泄 漏风险低，安全性更高。此冷却方式可任意改变传 热面积的大小，适用于较长距离的 热量传输。由于热管的成本较高。 相变换热技术、热管冷却技术由于自身存在着系统复杂、体积庞大、冷却介质易泄漏、价 行业专题报告 | 机械设备 15 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 格昂贵等挑战，使其依然停留在实验室研究阶段。 图 17 相变材料冷却结构 图 18 热管冷却结构 资料来源 集装箱储能系统热管理系统的现状及发展 ， 西部证券研发中心 资料来源 集装箱储能系统热管理系统的现状及发展 ， 西部证券研发中心 2.2 热管理技术原理及系统组成 风冷主要分为两种 自然冷却是利用自然风压、空气温差、空气密度差等对电池进行散热 处理；其中自然冷却效率较低，且集装箱或预制箱内空间狭小，空气流通不便，难以达到 温控要求；强迫风冷散热方式采用工业空调和风扇进行制冷，通过压缩机和制冷剂的协同 作用，可控制舱内温度低于外部环境温度，实现内、外部温度逆差。 风冷关键在于风道设计。 一般采用空调顶部出风，通过风道将冷（热）风通过电池与舱壁 形成的风墙均匀的送至每个电池柜，同时电池柜设计导热孔，保证冷（热）量能顺利地到 达每个电池 PACK、每个模组。同时空调设置上部回风口，出风及回风在电池舱内形成风 路循环。同时借助热仿真软件进行修正和验证，保证电池之间的温差也能控制在 5℃以内。 优秀的风道设计能够有效提高散热效率。 图 19 电池簇（ 左 ）和电池模组（ 右 ）内部气体流向 图 20 分层式风道示意图 资料来源 集装箱式储能系统热管理设计 ， 西部证券研发中心 资料来源 储能电池预制舱热管理模式浅析 ， 西部证券研发中心 液冷系统 主要包括电池液冷版、配水管线路和制冷 /供液系统（压缩机、冷凝器、蒸发器、 膨胀阀、干燥过滤器等）。冷凝器、压缩机等设备为冷却液强制降温，低温冷却液流经电 池系统内部与电芯发生热交换以后，再流回热交换器与低温制冷剂进行热交换，从而将电 池产生的热量带出电池系统。 液体与电池的接触模式有两种 一种是直接接触，电池单体或者模块沉浸在液体中，让液 体直接冷却电池；另一种是在电池间设置冷却通道或者冷板，让液体间接冷却电池。前者 一般采用硅基油、矿物油等有机物，后者一般采用水、乙二醇、乙二醇与水的混合物等。 行业专题报告 | 机械设备 16 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 目前，冷板式间接冷却应用最为广泛，但效果弱于直接接触。冷板式 要求规格多，需定制， 成本高，可维护性优秀，空间利用率高；沉浸式 液冷 用量较多，成本较冷板式低，可维护 性略差，空间利用率中等。目前，液冷系统在新能源汽车领域已经较为普及，而在储能电 站领用应用还较少，现在各大厂商开始加大储能液冷系统的研发与应用。 液冷板 作为液冷系统中的重要组成部分，其几何形状和结构设计对液冷性能有着重要影响。 冷 流体连接单元 由分配水管路、柜内散热单元和快速接头组成，与冷却基板一起作为深入主设备 内部的产品，是典型嵌入式交互设计的关键部分。 表 3 部分企业液冷技术及产品 厂家 介绍 宁德时代 基于长寿命电芯技术、液冷 CTP 电箱技术，推出户外系统 EnerOne 产品。该产品包含电芯、模组、 电柜、系统， 2020 年 9 月获 TUV 南德认证，认证范围覆盖欧洲和北美标准要求。 比亚迪 其液冷技术电池模块在 2 小时额定功率初始能量充放电试验测试中，电池单体实时最大温度极差不超 3℃； 2 小时额定功率充放电循环 500 次后，充 /放电能量保持率分别为 95.9、 96.1，能量效率 95.4；液冷电池簇在 2 小时额定功率初始能量充放电试验测试中，电池单体实时最大温度极差不超 4℃。 远景能源 2021 年 10 月，发布全新智慧液冷储能产品，引入动力汽车行业成熟的液冷热管理技术，将模组间电 芯温差精准控制在 3℃以内。与普通风冷产品相比，该液冷储能产品的电池寿命提升 20、能耗降低 20以上、占地面积节约 50以上。 阳光电源 2021 年 10 月，推出全新液冷储能系统，延续液冷更好均温、更低功耗的同时，创新性内置“簇级管 理器”，一方面解决电池“木桶效应”难题，另一方面支持新旧电池混用，减少储能增补成本，进一 步降低 LCOS，更好满足市场对储能安全的更高需要。 资料来源高工锂电，西部证券研发中心 图 21 电池模组结构及模型简化示意图 图 22 不同流道结构冷却板示意图 资料来源 基于细小通道冷却板的电池冷却系统性能分析 ， 西部证券研发中 心 资料来源 基于细小通道冷却板的电池冷却系统性能分析 ， 西部证券研发中 心 相变冷却 效率比液冷高 3-4 倍，并且结构紧凑。目前相变材料冷却多用于电子设备散热，行业 处于起步阶段，且相变材料本身不具备散热能力，吸收的热量需要依靠液冷系统、风冷系统等 行业专题报告 | 机械设备 17 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 导出，否则相变材料无法持续吸收热量。 相变材料（ PCM）是一类特殊的功能性材料，能在恒温或者近似恒温的情况下发生相变，同时 伴随有较大热量的吸收和释放。相变材料的基础有两个其一， PCM 相变过程的等温性，这 种特性有利于将温度变化控制在较小范围内，可以用来控制温度；其二， PCM 有很高的相变 潜能，很少的材料可以储存大量的热量。 PCM 通常使用固态 -液态转变，这一过程中伴随着较 高的相变潜热及较小的温度和体积变化。 图 23 “冰川 “相变冷却系统原理 图 24 相变冷却 热管理 资料来源 英维克 ， 西部证券研发中心 资料来源 基于热管的锂离子动力电池散热特性研究 ， 西部证券研发中心 热管冷却技术 是利用热传导原理与制冷 介质 的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热 量迅速传到热源外，其导热性远超任何已知金属的导热能力。由于热管超高导热性能，电 池单体之间的温差很快被热管抹平，从而起到均温的作用。 热管由管壳、吸液芯和端盖组成，热管内抽成 1.3（ 10-110-4） Pa 的负压后充以适量 的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸 发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间可布置绝热段。 图 25 热管工作原理示意图 图 26 热管式电池冷却系统结构图 资料来源 基于热管的锂离子动力电池散热特性研究 ， 西部证券研发中心 资料来源 基于热管的锂离子动力电池散热特性研究 ， 西部证券研发中心 行业专题报告 | 机械设备 18 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 2.3 储能热管理目前以风冷为主，液冷渗透率有望不断提高 在电池包温度方面， 在相同的入口温度和极限风速及流速下，液冷电池包的温度在 30-40℃ ， 而风冷电池包的温度要在 37-45℃ 。液冷的温度均有性更好。 在运行能耗方面， 经试验研 究，为了达到相同的电池平均温度，风冷需要比液冷高 2-3 倍的能耗 ； 相同功耗下电池包 的最高温度，风冷比液冷要高 3-5℃ ， 液冷的功耗更低。 在电池热失控风险方面， 由于空 气比热容、对流换热系数小等因素，电池风冷技术换热效率低，电池发热量增大，会导致 电池温度过高，存在热失控风险；液冷系统（水的比热容是空气的 4 倍，常温水导热系数 是空气的几十倍）可以大大降低电池的热失控风险。 图 27 风冷 （左） 和 液冷（右） 下电池包温度分布情况 资料来源 埃泰斯新能源 ， 西部证券研发中心 图 28 风冷 （ 绿 ） 和 液冷（ 红 ） 的功耗 情况 资料来源 埃泰斯新能源 ， 西部证券研发中心 风冷相对液冷系统初始投资额低。 液冷系统主要包括水冷板、水冷管、水冷系统、换热风 机等，且容量越大相应的设备需求也更大 ， 而风冷系统结构比较简单。目前整套液冷系统 方案价值量约 0.8-1 亿元 /GWh，其中水冷主机系统占比最高，一般约 0.5 亿元 /GWh 左右； 风冷系统方案价值量约 0.3 亿元 /GWh。从液冷系统成本结构具体来看，水冷主机成本占 比 67，换热器 10，管路 8，输入电源 2，其他 12。 行业专题报告 | 机械设备 19 | 请务必仔细阅读报告尾部的重要声明 西部证券 2022 年 07 月 25 日 图 29 液冷系统成本结构 资料来源 华经情报网 ， 西部证券研发中心 风冷流场不均匀易造成电池组温度分布不均匀，可通过改进流道、改变流向以及增加新装 置等方式来提高温度分布的均匀性。液冷系统冷却效果更高，虽然初始投资较高，但运营 成本或更低。远景实测数据显示，与普通风冷产品相比，液冷储能产品的电池寿命提升了 20。同时智能温控技术可随环境温度和运行状态灵活调整运行模式，大幅降低液冷系统 运行的能耗，相比传统空调风冷降低能耗约 20以上。宁德时代、比亚迪等新储能系统逐 渐采用液冷系统。 表 4 典 型热管理技术的特点总结 项目 空冷 液冷 热管冷却 相变冷却 强迫 主动 冷端空冷 冷端液冷 相变材料 导热材 料 散热效率 中 高 较高 高 高 散热速度 中 较高 高 高 较高 温降 中 较高 较高 高 高 温差 较高 低 低 低 低 复杂度 中 较高 中 较高 中 寿命 长 中 长 长 长 成本 0.3 亿元 /GWh 0.8-1 亿元 /GWh 较高 高 较高 资料来源 集装箱储能系统