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Fokussierung auf Energiespeichersysteme – Zwangsluftkühltechnologie versus Flüssigkeitskühltechnologie (Teil 1)

2023-12-29

Aufgrund der thermischen Eigenschaften von Batterien ist das thermische Management zu einem entscheidenden Bestandteil in der industriellen Wertschöpfungskette für elektrochemische Energiespeicher geworden. Bei einer Aufschlüsselung der Wertverteilung innerhalb der Wertschöpfungskette macht der Anteil der Batteriekosten in Energiespeichersystemen etwa 55 % aus; der PCS-Anteil beträgt rund 20 %; BMS und EMS zusammen machen etwa 11 % aus, während das thermische Management etwa 2 % bis 4 % ausmacht. Obwohl der Anteil des thermischen Managements am Gesamtwert relativ gering ist, spielt es eine entscheidende Rolle, um den kontinuierlichen und sicheren Betrieb von Energiespeichersystemen zu gewährleisten.

Derzeit gibt es zwei gängige Lösungen für die Thermomanagement-Technologie in Energiespeichersystemen: das Zwangsluftkühlsystem und das Flüssigkeitskühlsystem. Dieser Artikel wird in zwei Teile gegliedert, um eine vergleichende Analyse dieser beiden Kühlsysteme hinsichtlich Lebensdauer, Temperaturregelung, Energieverbrauch, Konstruktionskomplexität, Raumausnutzung, Geräuschentwicklung, Produktion und Installation, After-Sales-Service, Betrieb und Wartung sowie Kosten zu bieten.

Erklärung von Substantiven

Thermisches Management-Technologie: Dazu gehören Zwangsluftkühlung, Flüssigkeitskühlung, Heatpipe-Kühlung und Phasenwechselkühlung; die beiden letzteren befinden sich noch in der experimentellen Phase.

Forced-Luftkühlung: Die Hauptkomponenten des Luftkühlsystems umfassen eine Klimaanlage, Luftkanäle und Modulventilatoren. Die Ventilatoren sind an der Vorderseite des Moduls installiert. Die Modulventilatoren leiten die von den internen Kerne des Moduls erzeugte Wärme ab und führen sie zu den vorgefertigten Kabinenluftkanälen. Das Klimasystem innerhalb der vorgefertigten Kabine leitet die Wärme durch konvektiven Wärmetransport ab.

Flüssigkeitskühlung: Ein Flüssigkeitskühlsystem bezieht sich auf die Verwendung von Flüssigkeit als wärmeleitendes Medium, das Wärme direkt oder indirekt über den Kontakt mit kühlender Flüssigkeit und wärmeerzeugenden Komponenten abführt. Es handelt sich um eine Wärmeabfuhrtechnik, die die von den wärmeerzeugenden Komponenten erzeugte Wärme entfernt.

Kapitel eins: Lebensdauervergleich

Als Beispiele nehmen wir eine Batterie der Marke A mit 100 Ah (P1, P2) und eine Batterie der Marke B mit 100 Ah (P3), die bei einer Lade- und Entladegeschwindigkeit von 0,5C geladen und entladen werden. Die Kurve zur Alterung der Batterien ist nachfolgend dargestellt:

1. Die Dämpfungskurve von P1 nach P2 zeigt, dass bei 25°C mit Zellen der Marke A 6500 Zyklen bei 80 % EOL erreicht wurden, während bei 45°C mit denselben Zellen der Marke A 2500 Zyklen bei 80 % EOL erzielt wurden. Bei einem Temperaturanstieg von 20°C verringerte sich die Lebensdauer des Zyklus um 4000 Zyklen.

2. P3 spiegelt hauptsächlich 5000 Zyklen bei 80 % EOL bei 25 °C (Zellen der Marke B) und 2000 Zyklen bei 80 % EOL bei 45 °C (Zellen der Marke B) wider. Bei einem Temperaturanstieg von 20°C verringerte sich die Lebensdauer des Zyklus um 3000 Zyklen.

3. Schließlich, ab P4 – Vergleich der Lebensdauer der Hauptkomponenten, Daraus lässt sich schließen, dass die Lebensdauer wichtiger Komponenten im Flüssigkeitskühlsystem kürzer ist. Die Betriebstemperatur der Zellen hat einen erheblichen Einfluss auf ihre Zykluslebensdauer; mit steigender Betriebstemperatur der Batterie sinkt entsprechend die Anzahl der Zyklen.

Kapitel 2: Vergleich der Temperaturregelung

Zusammenfassung:

1. Während des Betriebs des Zwangsluftkühlsystems (EnerArk2.0) beträgt die Temperatur der Batterie etwa 31–38 °C. Beim Flüssigkeitskühlsystem, bezogen auf Hersteller A (30 °C) und Hersteller B (30 °C), liegt die optimale Betriebstemperatur für normale Batterien bei 30–35 °C. Daraus lässt sich erkennen, dass In Bezug auf die Betriebstemperatur der Batterie bietet die Zwangsluftkühlung ähnliche Vorteile wie die Flüssigkeitskühltechnologie.

2. Temperaturunterschiede im Flüssigkeitskühlsystem: Hersteller A (<5°C), Hersteller B (<3°C). Der Temperaturunterschied beim Zwangsluftkühlsystem beträgt (<7°C) (EnerArk). Wenn sich die Betriebstemperatur der Batteriezellen erheblich unterscheidet, verschlechtert sich die Konsistenz der Batteriezellen. Durch die Verbesserung des Luftkanals kann eine Temperaturdifferenz von <4°C erreicht werden (Zielwert von EnerArk2.0); dann wären die Effekte der Zwangsluftkühlung und der Flüssigkeitskühlung auf die Batterie gleich.

Kapitel 3: Vergleich des Energieverbrauchs

Nehmen wir als Beispiel Envicool mit einer gleichen Kühlleistung von 3 kW:

Zusammenfassung:

1. Vergleicht man die Wärmeaustauschkapazität, so lässt sich erkennen, dass Das Flüssigkeitskühlsystem hat eine sechsfache Wärmeaustauschkapazität gegenüber dem Zwangsluftkühlsystem. Dies kann so verstanden werden, dass die Klimaanlage 6 Stunden lang mit voller Kühlleistung arbeitet, während die Flüssigkeitskühleinheit nur 1 Stunde lang betrieben werden muss, um denselben Kühlungseffekt zu erzielen.

2. Unter der Bedingung gleicher Batterietemperatur, zum Beispiel bei einem Start bei 20°C, nach 2-stündigem Betrieb unter denselben Bedingungen, Selbst wenn das System mit dem Laden und Entladen aufhört, muss das Zwangsluftkühlsystem weiterhin arbeiten, um die Kühlung aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass die Kerntemperatur den Normalwert annimmt. Die Zeit, bis das Flüssigkeitskühlsystem den Normalwert erreicht, beträgt ein Sechstel der Zeit des Luftkühlsystems.

3. Stromverbrauch bei Luftkühlung: Klimaanlage + Lüfter im Schaltschrank; Stromverbrauch bei Flüssigkeitskühlung: Flüssigkeitskühleinheit + Lüfter im Schaltschrank (einige Hersteller verwenden eine integrierte Flüssigkeitskühlung für die gesamte Maschine).

4. Unter denselben Bedingungen, bei gleichbleibender Temperatur, ist der Stromverbrauch der Zwangsluftkühlung höher als der der Flüssigkeitskühlung.

Kapitel 4: Vergleich der Designkomplexität

A: Gezwungene Luftkühlsystem

Am Beispiel von EnerArk2.0 ist das Design des luftgekühlten Energiespeichers relativ einfach und umfasst hauptsächlich die Installation von Kühlventilatoren sowie die Gestaltung von Luftzirkulationswegen.

1. Die Kernkomponenten der Zwangsluftkühlung sind Klimaanlage und Luftkanäle. Die Klimaanlage sorgt für die Kühlung, während die Luftkanäle den Wärmeaustausch erleichtern.

2. Bei der Anwendung von Energiespeicherprojekten ist es aufgrund unterschiedlicher Batterieenergiedichten, -positionen und -kapazitäten zwischen verschiedenen Energiespeichersystemen erforderlich, die Gestaltung der Luftkanäle anzupassen, um die Luftstromrichtung innerhalb des Systems zu steuern.

B: Flüssigkeitskühlsystem

Das Flüssigkeitskühlsystem ist in der Regel komplexer und erfordert unter anderem die Berücksichtigung der Anordnung des Flüssigkeitszirkulationssystems, der Pumpenauswahl, der Kühlmittelförderung sowie der Wartung.

1. Die flüssigkeitsgekühlte Kühlplatte (auch als wassergekühlte Wärmeableitplatte bekannt), die an der Wärmequelle installiert ist, leitet zusammen mit dem Wärmetauscher und der Wärmepumpe die Wärme durch Flüssigkeitszirkulation ab.

2. Im Allgemeinen wird die Flüssigkeitskühltechnologie der Kühleinheit in Energiespeichersystemen angewendet, wenn erzwungene Konvektion oder Phasenwechsel-Systeme keine effektive Wärmeabfuhr erreichen können, insbesondere in Umgebungen mit hoher thermischer Energie-Dichte.

C: Konstruktionskomplexität – Zwangsluftkühltechnologie vs. Flüssigkeitskühltechnologie ( Die rote Schrift oben zeigt die gestalterischen Herausforderungen an.

Schlussfolgerung: Das Design eines Flüssigkeitskühlsystems ist komplizierter als das eines Zwangsluftkühlsystems.

Kapitel 5: Vergleich der räumlichen Nutzungseffizienz

Zusammenfassung:

1. Bei gleicher Grundfläche kann ein Flüssigkeitskühlsystem eine höhere Energieintegration erreichen.

2. Bei gleicher Energieintegration (200 kWh) schneiden Zwangsluftkühlsysteme besser ab als Flüssigkeitskühlsysteme.

Bleiben Sie dran!

Nächste Ausgabe: Im Fokus: Energiespeichersysteme – Technologie zur Zwangsluftkühlung versus Flüssigkeitskühltechnologie (Teil 2), bleiben Sie dran!

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