近年來,隨著傳統工業溫控、儲能溫控、新能源車熱管理等下游市場的穩步增長,帶動了溫控行業需求的較快增長;在技術路徑上,我國未來的溫控設備存量大概率將繼續以風冷為主,但液冷滲透率有望持續提升。
?“雙碳”目標下,風電裝機規模持續擴張,為有效促進新能源電力消納,需建設相應規模的儲能電站來保證,熱管理系統作為儲能系統的重要組成部分,未來有望受益于儲能裝機容量增長的過程,儲能溫控市場規模或將持續擴張。
根據GGII測算,2022-2025年中國儲能溫控市場規模將從46.6億元增長至164.6億元,CAGR為52.3%,未來行業空間較為廣闊。GGII預測2025年液冷市場占比將達到45%左右,市場滲透率或將逐步提升。
儲能消防:
? 儲能電站事故頻發,催生安全儲能的消防需求,綜合考慮儲能系統預警端、滅火端的實際需求提升以及與電動汽車動力電池的差異對比,研究員認為在儲能行業蓬勃發展下,儲能消防的需求將大幅提升,預計到2025年,國內的儲能消防市場空間有望達到65.14億元,未來儲能消防有望實現快速增長。
二、溫控細分賽道機會充足
溫控設備產品主要可以分為:工業溫控、精密溫控以及其他溫控設備等,其中工業溫控和精密溫控設備的市場占較大。
場景來看,溫控設備常見使用場景有四個,分別是工業、機房類、電池熱管理、以及電子芯片級別;在技術方面,溫控底層技術主要分為:風冷、冷凍水(間接蒸發冷)、液冷、相變材料、電子散熱技術。
溫控設備的各個場景因為技術和工作環境差異對于溫控技術的具體要求也存在一定的差異。其中,工業級別溫控對于環境和定制化程度最高,需滿足溫度、濕度、潔凈度等多方面要求,因此該場景以傳統的風冷/水冷為主;機房類主要滿足降溫和節能需求,其溫控技術是由風冷逐步向間接蒸發冷過渡;
隨著動力電池和儲能電池功率的不斷提升,電池熱管理中首要需考慮安全性及降溫效果,因此該場景控溫技術是由風冷由液冷逐步過渡;電子芯片級別散熱空間有限,零部件體積較小,對于技術和工藝的水平要求相對較高,主要為電子芯片散熱工藝級別。
溫控行業下游應用場景眾多,近年來伴隨傳統工業溫控、儲能溫控、新能源車熱管理、IDC機房溫控等下游市場穩步增長,帶動溫控行業需求保持較快增長:
(1)傳統工業溫控
電力、化學、食飲冷鏈、加油站及油氣回收、制藥工廠等場景對溫控設備均有一定需求。以電力溫控設備為例:電力溫控場景中,在發電、輸電和配電等電力產業鏈主要環節,溫控設備都被廣泛使用,且為剛需:
我國電力主要產業鏈環節溫控設備情況
近些年來,我國火力發電的發電量不斷增長。根據wind數據顯示,截止至2021年,我國火力發電量約為57702.7億千瓦時,同比增長9.29%。隨著國內發電裝機容量和發電量的增長,我國發電、輸電、配電環節的溫控設備也隨之增長。(*火力發電在我國發電方式中歷史最久,更是占比最大的一種發電方式)
(2)儲能溫控
我國能源轉型過程中,光伏發電、風力發電以及新能源汽車行業的發展都促進了國內儲能電池的增長。但是,由于儲能電池系統電池容量和功率大,而高功率密度對散熱要求較高,同時儲能系統內部容易產生電池產熱和溫度分布不均勻等問題,所以溫度控制對于電池系統壽命與安全性都極為重要!
溫度對儲能系統中鋰電池性能影響情況
儲能溫控的基本要求有兩點,一是控制單體電池表面的溫濕度,保持最佳工作溫濕度(溫度+15°C~+35°C,相對濕度5%~95%,且無冷凝水);二是避免電池系統產生局部熱點,即保持電池間的溫差不超過5°C,避免產生局部熱點。
不同放電倍率下,在1個充放電循環的不同階段鋰電池表面的溫度變化情況
據數據顯示,2021年我國儲能鋰電池的出貨量高達47.5GWh,同比增長了196.9%。儲能鋰電池出貨量的增長,直接促進我國儲能溫控市場需求的增長,目前我國儲能溫控系統技術路線主要是風冷和液冷為主,其中風冷占比較大。
以功能分類,電化學儲能可分為兩種:能量型儲能和功率型儲能。對于能量型儲能項目,電池系統的容量增大將帶來項目產熱量的提升;對于功率型儲能,電池高倍率化驅使儲能系統的功率密度不斷提高,因而發熱量將不斷增大,因此儲能溫控的需求及重要性亦將隨之上升 。
2018-2021年我國儲能鋰電池出貨量及增速情況
(3)新能源車熱管理
2021年年底,我國新能源汽車產銷量同比增速均超過155%;2022年上半年,我國新能源汽車產銷量繼續保持高速增長,我國的新能源汽車正在高速發展!
與傳統汽車相比,新能源汽車熱管理系統更為復雜,在系統效率、控溫精度方面要求更高。其熱管理系統需要依靠PTC和熱泵,同時電池的工作特性也對新能源汽車熱管理的控溫精度提出高要求;并且新能源汽車的續航和安全問題尤為重要!
(4)IDC機房溫控
伴隨著互聯網、大數據、云計算、信息化的發展,我國數據中心的建設規模近年來處于高速增長狀態,社會整體信息化程度不斷加深,帶來了海量的數據處理需求的同時也帶來使得機房溫控節能設備需求的持續增長,數據中小工作負荷實例數逐年增長。
2016-2021年我國互聯網數據中心市場規模及增速現狀與預測
由于數據中心市場規模穩步擴大,機房應用范圍也隨之擴大,因此,機房溫控節能設備市場潛力逐步釋放,而在數據中心的運行能耗大約有40%是用于制冷。
2016-2021年我國云數據、傳統數據中心工作負荷實例數現狀及預測
(5)5G基站溫控
2021年,我國建成5G基站數量達142.5萬個,同比增長98.4%,目前其總規模已經達到150.6萬個左右。5G作為“新基建”重點方向,建設不斷深化,其密度和功耗遠高于4G,未來我國基站散熱機柜需求將大幅提升。
2019-2022年一季度我國5G基站數量情況(萬個)
市場規模穩步增長,液冷滲透率有望持續提升
我國“雙碳“政策正加速推進,儲能溫控、新能源車熱管理等溫控設備應用場景需求保持較快增長。此外,隨著互聯網、大數據、云計算、信息化的發展,數據中心、5G基站應用場景的溫控設備需求旺盛,可預見未來我國溫控設備市場規模將穩步增長。
技術上,未來我國溫控設備存量將繼續以風冷為主,液冷雖然具有設計難度復雜、成本高的“缺點”,但由于其散熱效率、速度快,且適用范圍廣,占用空間較小,所以其滲透率依舊有望提升。
液冷與風冷情況對比
三、儲能消防迎風而起
據國際能源網不完全統計,2011-2022年1月期間全球共發生37起儲能電站爆炸事故,其中4起發生在中國。從新能源汽車事故看,2022年第一季度,國內接報的新能源汽車火災共640起,相比上年同期上升了32%;從事故電池類型來看,82%的儲能事故由三元鋰電池導致。(資料來源:國家應急管理部消防救援局發布的數)
全球電化學儲能電站起火或爆炸事故統計(部分)
而導致電池事故的主要原因是三元鋰電池正極材料分解溫度僅200°C,易發生熱失控進而引致火災。只要一旦出現過充、過放、過流、熱失控和內部短路等電池濫用情況,就容易導致電池內部熱量積聚,一旦超過臨界點即會產生熱失控。
儲能事故中電池類型占比情況(單位:%)
熱失控預警技術:
電池異常變化表現為電壓、溫度、電流等數據的異常或軌跡異常。熱失控預警技術主要是通過電池安全失效機理與大數據AI技術融合,建立各種失效模式的安全預警模型,常用的有電池內短、析鋰、容量異常等。
通過對電池運行過程中BMS記錄的電壓、電流、溫度等數據的多維分析,識別出電池的故障信息,判斷電池安全風險從而達到預警目的。目前,已有專家學者考慮用紅外探測、內置傳感器等方式提升所測溫度數據的準確性。
電池熱失控分級預警控制策略
第一階段(初期)
由于內外因素引起電池內部溫度迅速升高至90~100 ℃,此時負極表面的SEI 鈍化層分解釋放出巨大熱量引起電池內部溫度快速升高;當溫度分別達到135 ℃和166 ℃時,PE 和PP隔膜開始融化,隨著溫度進一步升高,隔膜收縮,正極與負極之間相互接觸造成短路,從而引發電池的持續放熱。
第二階段(電池鼓包階段)
在溫度約為250~350 ℃時鋰與電解液中的有機溶劑發生反應,揮發出可燃的碳氫化合物氣體。
第三階段(即熱失控,爆炸失效階段)
在這個階段,充電狀態下的正極材料與電解液繼續發生劇烈的氧化分解反應,產生高溫和大量有毒氣體,導致電池劇烈燃燒甚至爆炸。
鋰離子電池熱失控機理示意圖
儲能系統預警端、滅火端的實際需求提升以及與電動汽車動力電池的差異對比,在儲能行業蓬勃發展的東風下,儲能消防的需求或將明顯提升,迎來良好時機。
2021年9月出臺《電化學儲能電站安全規程(征求意見稿)》,要求儲能消防融入視頻監控系統、設定系統性解決方案,更加精細化及科技化,并規定了儲能電站設備安全技術要求、運行、維護、檢修、試驗等方面的安全要求。
2022年2月發布《“十四五”國家消防工作規劃》,提出要圍繞新型儲能設施,加強消防設計,加強源頭管理。各政策對儲能電站建設、管理提出細節化要求;引導配套儲能消防設建設,提高儲能電站運營安全程度;提出2025目標裝機規模和降本增效目標,政策指引儲能市場發展。
隨著多項涉及儲能消防安全的相關政策及標準的陸續落地實施,可以預見儲能裝機規模將快速增加,新標準下儲能消防的重要性不斷突顯,儲能消防投入占比有望進一步提升。
近年中國儲能消防行業相關政策梳理
儲能消防產品產業鏈
民用消防:消防行業準入制度調整及市場化改革吸引大量企業涌入,強制性認證與技術壁壘提升有望助力消防報警龍頭21年市占率提升至7.46%。
工業消防:工業消防產品下游應用領域包括冶金、石油石化、軌道交通、電力等領域,應用場景環境復雜,對產品的性能要求高。目前國外品牌占據了我國工業消防產品高端市場,客戶粘性較強,而國內企業更多提供配套設施,僅供應單一或者少數產品,
儲能電站系統結構圖
“對于鋰電池下游的應用來說,鋰電池在規定的工作溫度范圍內,才可能實現最佳的能源效率。溫度傳感器監測并控制電池溫度,防止過熱。有效延長電池使用壽命并增強安全性。為此,必須在多處測量電池溫度,防止局部過熱。這些測量電池溫度的位置,往往有電池本體、冷卻液、BMS板等等。”溫度傳感器特普生有說到。
“鋰電池的正極材料、負極材料、隔膜材料與電解液是鋰電池中游。溫度傳感器,主要用在鋰電池的下游生產商、應用領域。譬如寧德市代、億緯鋰能,他們的電池、儲能等等必須用到溫度傳感器,應用領域生產商也是溫度傳感器公司的客戶,譬如小鵬汽車、特斯拉汽車,汽車上的電控、電機也用到溫度傳感器。”
2.儲能產業鏈中下游用溫度傳感器
發電端、電網端、用電端(譬如便攜、戶儲與房車儲能系統)等儲能下游,都必須用到溫度傳感器。
本文落地于“便攜、戶儲與房車儲能用溫度傳感”這個主題。便攜、戶儲與房車儲能系統由電池組、 消防、溫控、 PCS、 EMS、 BMS構成。儲能設備主要由電池組、儲能逆變器( PCS)、能量管理系統( EMS)、電池管理系統( BMS)構成。
電池組為最主要的構成部分,其主體由電芯構成。電池組中涵蓋其他輔助系統包括溫控(散熱),消防。儲能逆變器為必不可少的重要組成部分,負責直流交流轉化,是電站并網運行的必備條件。EMS、 BMS主要集中于系統軟件層面,由儲能投資商負責設計, EMS負責數據采集、能量調度;BMS負責電池監控、管理,保證充放均勻穩定。
便攜、戶儲與房車等儲能,主要用到CCS隔離板溫度管理、BMS系統溫度管理、儲能冷卻(風冷/液冷)系統溫度管理、儲能消防系統溫度管理。
“擁有BMS配套+線束加工優勢的我們,為便攜、戶儲與房車等儲能管理,做性價比高的溫度管理方案。方案為BMS提供鋰/氫電池本體、電池冷卻介質與BMS控制板的溫度管理,也為儲能CCS隔離板提供溫度管理,即CCS隔離板溫度管理、BMS系統溫度管理、儲能冷卻(風冷/液冷)系統溫度管理!”——溫度傳感器專家特普生曾總告訴溫度床傳感器研究院說。
“目前,市場反饋的傳感器失效模式為兩種:防水與耐壓情況不佳。防水是指吸潮后傳感器阻值下降,主要為潮氣影響;耐壓則是傳感器絕緣層被擊穿。為妥善解決傳感器失效模式,特普生傳感器針完全勝任。一是針對潮氣影響,特普生傳感器在保持耐溫175度的條件下、耐水煮168小時。打破行業48小時極限;二在絕緣度問題上,特普生傳感器可長期耐壓5VDC,遠高于行業3500VDC的標準要求。”
A.儲能CCS隔離板溫度管理
(特普生戶儲CCS隔離板)
“我們為電池包、電池模組、電池族、儲能箱公司,也為BMS產品,提供定制化的儲能CCS隔離板。譬如支架,可以選擇注塑或吸塑隔離板+線槽;采集組件,可以選擇線束、FPC、PCB或FFC;溫感采集線,可以選擇環氧頭、OT端子、鎳端子(都含NTC);鋁巴當然是含鋁量達到99.6%的1060鋁板。連接方式,可以選擇打膠、打螺絲、超聲焊或激光焊”。
儲能CCS隔離板,在鋰離子電池系統中實現以下主要功能:通過銅鋁巴實現電芯的串并聯,輸出電流。采集電芯電壓。采集電芯溫度。提供均衡和補電通道。
儲能CCS開發上,有CCS 拼板解決方案。CCS 拼板解決方案的優勢是“在不增加模具的情況下兼容各種電芯串并數及不同輸出極出線方向”。
(儲能CCS 拼板解決方案)
儲能CCS開發上,也有CCS 熱壓解決方案。CCS 熱壓解決方案的優勢是“ 通過PET膜高溫高壓成型工藝, 完成CCS的制造,而且產品更為輕薄”。
儲能CCS開發上,還有CCS 吸塑隔離板解決方案。CCS 吸塑隔離板解決方案的優勢是“PC片高精度真空成型工藝;產品更為輕薄;零部件固定工藝”。
(儲能CCS 吸塑隔離板解決方案)
B.BMS系統溫度管理
“用于動力電池模組電芯的電壓和溫度采樣,采集數據通過數據采集模塊匯總、分析再傳輸給給電池管理系統主控制器模塊,主控模塊對數據進行分析和處理后,發出對應的程序控制和變更指令,做出均衡措施。適用于純電動、混合動力乘用車、物流、客車、特種車等車型及48V動力系統 。它具有組裝工時短、小型化、輕量化、薄形化、可撓性、彎折性好等特點。”
特普生,成立于2011年,是國家高新技術、專精特新企業。主要研制NTC芯片、熱敏電阻、溫度傳感器、儲能線束、儲能CCS集成采集母排、儲能模組鋁巴等溫度采集產品系列。一體化研制、一致性品質的特普生,競爭力優勢明顯:自主研制NTC芯片核心技術及實現醫用0.3%精度;專利百項,保留不公開技術2項;為全球新能源產品、大消費品與工業品提供了定制化的溫度采集技術。
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