《Journal of Energy Storage》：Thermal management of energy storage systems: mechanisms, technologies, and future trends
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顾俊龙|贾米勒·凯纳特|王宇|陈宗岐
南京工业大学城市建设学院，中国南京，211816
摘要
热管理是确保能源存储系统（ESSs）可靠性和安全性的核心保障，同时也是提高能源效率和延长其使用寿命的关键措施。为了建立高效稳定的ESSs热管理系统，本文系统地研究了当前主要的热管理技
顾俊龙|贾米勒·凯纳特|王宇|陈宗岐
南京工业大学城市建设学院，中国南京，211816
摘要
热管理是确保能源存储系统（ESSs）可靠性和安全性的核心保障，同时也是提高能源效率和延长其使用寿命的关键措施。为了建立高效稳定的ESSs热管理系统，本文系统地研究了当前主要的热管理技术，探讨了各种冷却技术和方法在提高传热能力方面的优缺点。研究结果表明，空气冷却技术结构简单，但散热能力有限；液体冷却具有较高的热容量，但存在泄漏和腐蚀的风险；相变材料（PCM）冷却能够保持温度稳定性，但通常导热性不足；热管冷却虽然冷却效率高，但成本相对较高。此外，ESSs的热管理面临多重挑战，包括在高热流密度下的温度控制难题、长期运行中的性能下降、局部过热安全问题以及智能设计和控制的不足。未来的热管理技术将趋向于复合冷却技术和材料创新。优化设计应结合系统运行要求和经济效率，这将为ESSs的热管理提供更可靠的理论支持和工程解决方案。
引言
在国家“碳达峰和碳中和”战略的推动下，中国能源结构向绿色、低碳和智能发展的转变正在加速。与此同时，以太阳能和风能为代表的可再生能源正在迅速发展。然而，它们的间歇性和不确定性给电网带来了新的挑战。为此，能源存储技术应运而生，成为确保电网安全稳定运行的关键解决方案[1]、[2]、[3]。截至2024年底，中国能源存储产业实现了快速增长，累计安装容量达到7376万千瓦，储能容量达到1.68亿千瓦时，成为构建新型电力系统的重要支柱[4]。能源存储技术利用物理或化学方法在能源供需不平衡时临时储存能量。根据储存能量的形式，能源存储可分为物理储能、电磁储能、化学储能和热能储能。物理储能如抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能基于机械能与电能之间的转换；电磁储能包括超级电容器和超导磁储能，通过电场或磁场储存能量；化学储能如锂离子电池、钠离子电池和氢燃料电池系统通过离子迁移实现能量储存和释放；热能储能如熔盐相变系统则通过显热、相变潜热或可逆热化学反应中的热量来实现能量储存[5]、[6]。无论采用何种储能系统，在运行过程中都会不可避免地产生热量。如果不能及时冷却，热量累积可能导致性能下降、热失控甚至火灾等严重事故[7]。除了冷却措施外，ESSs的热管理还需要在低温和极寒条件下采取加热策略（如电阻加热或热泵加热），以维持系统在稳定的工作温度范围内，防止启动困难和性能恶化。尽管加热在极端寒冷条件下对确保运行稳定性至关重要，但目前电化学储能（包括锂离子电池、超级电容器和氢燃料电池）仍主导着新兴的储能应用。它们的主要热管理挑战在于热量累积，可能导致温度过高、热失控和性能下降。因此，本综述重点关注电化学ESSs的热生成特性和先进的冷却技术。
目前，电化学ESSs的主要热管理冷却方法包括空气冷却、液体冷却、PCM冷却和热管冷却[8]。空气冷却结构简单且成本效益高，广泛应用于中小规模系统；液体冷却由于传热效率高和温度分布均匀，越来越多地应用于大规模系统；基于PCM的冷却可以在电池运行过程中吸收大量潜热，从而缓解温度上升。但由于潜热容量的限制，在电池持续高功率运行时材料容易在短时间内完成相变，导致热储存能力下降和冷却性能降低，因此通常与其他冷却方法结合使用以确保稳定的热管理；热管冷却利用热管的高导热性，能够快速散发热点区域的热量[9]。尽管上述冷却技术已得到广泛应用，但ESSs不断增大的热流密度暴露了现有热管理策略的局限性，如冷却效率不足、温度均匀性差和系统能耗高[10]、[11]。因此，开发具有高散热效率、精确温度控制和智能操作的热管理系统成为推动能源存储技术发展的关键。
现有研究主要关注单个储能系统的热管理技术和冷却策略，缺乏对不同储能技术热管理需求的系统分析，以及基于关键性能指标的各种热管理方法的比较评估。为弥补这一研究空白，本文对主流储能系统（包括锂离子电池、钠离子电池和超级电容器）的热管理方法进行了全面综述，并提出了相应的温度控制和性能提升策略。特别强调系统总结不同冷却技术的传热极限改进方法及其实际应用效果，并详细讨论了各种技术在工程应用中的技术局限性。此外，本文还结合了智能化和数字化热管理的最新进展，以应对高能量密度、多运行条件和高可靠性储能系统带来的挑战。这些贡献为先进储能应用的高效可靠热管理解决方案设计提供了宝贵的指导。
本文系统回顾了电化学ESSs基于冷却的热管理技术的研究进展和发展趋势。如图1所示，结构如下：第1节简要概述了主流储能技术，特别关注电磁储能和电化学储能；第2节回顾了四种主流热管理方法，分析了每种方法的传热机制、性能特点、实际应用和提升策略；第3节总结了热管理技术在工程实践中面临的主要挑战，并强调了这些技术的发展趋势；最后，根据当前研究现状，在结论部分概述了ESSs热管理的未来方向。
章节摘录
能源存储技术概述
几十年来，全球电网在发电方面严重依赖化石燃料。然而，随着化石能源资源的日益枯竭和环境污染的加剧，越来越多的国家将发电策略转向可再生能源。由于可再生能源的间歇性和不稳定性，逐步淘汰基于化石燃料的发电厂以及消费者需求模式的变化，维持电力平衡
ESSs的热管理技术和综合性能分析
ESSs中的热管理本质在于双向温度调节。在高功率运行条件下，需要有效的冷却措施来减少热量累积和热失控的风险；在极端寒冷的环境中，需要加热策略来维持系统温度稳定并确保可靠启动。在各种储能技术中，电化学储能因高能量存储效率而被广泛采用
电池热流密度的持续增加
储能设备的能量密度和功率密度不断提高，导致单个电池在充放电过程中的热量生成显著增加。在持续运行或环境温度升高时，局部热流密度急剧上升，而热传导受到结构和材料限制，导致系统内部温度不均匀[142]。在现有的热管理技术中，传统
结论
有效的热管理在提高ESSs的运行效率、安全性和使用寿命方面发挥着关键作用。随着储能设备向更高能量密度、更高功率和更大集成度的发展，对高热流、快速充放电循环和多运行条件下的热调节需求显著增加。本文系统回顾了现有ESSs的热管理技术，提供了全面的
缩写
| BMSs | 电池管理系统 |
| BTMS | 电池热管理系统 |
| BST | 钡锶钛酸盐 |
| CPCM | 复合相变材料 |
| ESSs | 能源存储系统 |
| LCP | 液体冷却板 |
| PCM | 相变材料 |
| SEI | 固体电解质界面 |
| TECs | 热电冷却器 |
CRediT作者贡献声明
顾俊龙：撰写——原始稿件。贾米勒·凯纳特：调查。王宇：撰写——审阅与编辑，概念构思。陈宗岐：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：51806096）、江苏省高等教育机构自然科学基金（项目编号：18KJB560007）和中国空气动力研究中心冰冻与抗/除冰重点实验室（项目编号：IADL20230410）的支持。
