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迎风而起的储能消防与温度传感器

特普生科技 特普生科技 2023-02-27 12 848
一、摘要

近年来,随着传统工业温控、储能温控、新能源车热管理等下游市场的稳步增长,带动了温控行业需求的较快增长;在技术路径上,我国未来的温控设备存量大概率将继续以风冷为主,但液冷渗透率有望持续提升。


•“双碳”目标下,风电装机规模持续扩张,为有效促进新能源电力消纳,需建设相应规模的储能电站来保证,热管理系统作为储能系统的重要组成部分,未来有望受益于储能装机容量增长的过程,储能温控市场规模或将持续扩张。


根据GGII测算,2022-2025年中国储能温控市场规模将从46.6亿元增长至164.6亿元,CAGR为52.3%,未来行业空间较为广阔。GGII预测2025年液冷市场占比将达到45%左右,市场渗透率或将逐步提升。


储能消防:


• 储能电站事故频发,催生安全储能的消防需求,综合考虑储能系统预警端、灭火端的实际需求提升以及与电动汽车动力电池的差异对比,研究员认为在储能行业蓬勃发展下,储能消防的需求将大幅提升,预计到2025年,国内的储能消防市场空间有望达到65.14亿元,未来储能消防有望实现快速增长。



二、温控细分赛道机会充足

温控设备产品主要可以分为:工业温控、精密温控以及其他温控设备等,其中工业温控和精密温控设备的市场占较大。

场景来看,温控设备常见使用场景有四个,分别是工业、机房类、电池热管理、以及电子芯片级别;在技术方面,温控底层技术主要分为:风冷、冷冻水(间接蒸发冷)、液冷、相变材料、电子散热技术。

温控设备的各个场景因为技术和工作环境差异对于温控技术的具体要求也存在一定的差异。其中,工业级别温控对于环境和定制化程度最高,需满足温度、湿度、洁净度等多方面要求,因此该场景以传统的风冷/水冷为主;机房类主要满足降温和节能需求,其温控技术是由风冷逐步向间接蒸发冷过渡;

随着动力电池和储能电池功率的不断提升,电池热管理中首要需考虑安全性及降温效果,因此该场景控温技术是由风冷由液冷逐步过渡;电子芯片级别散热空间有限,零部件体积较小,对于技术和工艺的水平要求相对较高,主要为电子芯片散热工艺级别。

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温控行业下游应用场景众多,近年来伴随传统工业温控、储能温控、新能源车热管理、IDC机房温控等下游市场稳步增长,带动温控行业需求保持较快增长:

(1)传统工业温控

电力、化学、食饮冷链、加油站及油气回收、制药工厂等场景对温控设备均有一定需求。以电力温控设备为例:电力温控场景中,在发电、输电和配电等电力产业链主要环节,温控设备都被广泛使用,且为刚需:


①发电环节
通常是采用蒸发冷却式冷水机组、满液式冷水机组、组合式空调机组等温控设备系统实现发电机组冷却,以此保障发电机组设备安全稳定运行;
②输电环节
输电设备多采用封闭式结构,散热性差,因此需要采用组合式空气处理机等温控系统设备为输电设备提供恒温恒湿的环境;
③配电环节
需要温控设备系统来保障变压器、高压电器等配电设备运行稳定,降低设备发生故障的概率。


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我国电力主要产业链环节温控设备情况

近些年来,我国火力发电的发电量不断增长。根据wind数据显示,截止至2021年,我国火力发电量约为57702.7亿千瓦时,同比增长9.29%。随着国内发电装机容量和发电量的增长,我国发电、输电、配电环节的温控设备也随之增长。(*火力发电在我国发电方式中历史最久,更是占比最大的一种发电方式)

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2016-2021年我国火力发电量及增速情况


(2)储能温控

我国能源转型过程中,光伏发电、风力发电以及新能源汽车行业的发展都促进了国内储能电池的增长。但是,由于储能电池系统电池容量和功率大,而高功率密度对散热要求较高,同时储能系统内部容易产生电池产热和温度分布不均匀等问题,所以温度控制对于电池系统寿命与安全性都极为重要!

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温度对储能系统中锂电池性能影响情况

储能温控的基本要求有两点,一是控制单体电池表面的温湿度,保持最佳工作温湿度(温度+15°C~+35°C,相对湿度5%~95%,且无冷凝水);二是避免电池系统产生局部热点,即保持电池间的温差不超过5°C,避免产生局部热点。

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不同放电倍率下,在1个充放电循环的不同阶段锂电池表面的温度变化情况

据数据显示,2021年我国储能锂电池的出货量高达47.5GWh,同比增长了196.9%。储能锂电池出货量的增长,直接促进我国储能温控市场需求的增长,目前我国储能温控系统技术路线主要是风冷和液冷为主,其中风冷占比较大。

以功能分类,电化学储能可分为两种:能量型储能和功率型储能。对于能量型储能项目,电池系统的容量增大将带来项目产热量的提升;对于功率型储能,电池高倍率化驱使储能系统的功率密度不断提高,因而发热量将不断增大,因此储能温控的需求及重要性亦将随之上升 。


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2018-2021年我国储能锂电池出货量及增速情况

(3)新能源车热管理

2021年年底,我国新能源汽车产销量同比增速均超过155%;2022年上半年,我国新能源汽车产销量继续保持高速增长,我国的新能源汽车正在高速发展!

与传统汽车相比,新能源汽车热管理系统更为复杂,在系统效率、控温精度方面要求更高其热管理系统需要依靠PTC和热泵,同时电池的工作特性也对新能源汽车热管理的控温精度提出高要求;并且新能源汽车的续航和安全问题尤为重要!

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(4)IDC机房温控

伴随着互联网、大数据、云计算、信息化的发展,我国数据中心的建设规模近年来处于高速增长状态,社会整体信息化程度不断加深,带来了海量的数据处理需求的同时也带来使得机房温控节能设备需求的持续增长,数据中小工作负荷实例数逐年增长。

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2016-2021年我国互联网数据中心市场规模及增速现状与预测

由于数据中心市场规模稳步扩大,机房应用范围也随之扩大,因此,机房温控节能设备市场潜力逐步释放,而数据中心的运行能耗大约有40%是用于制冷。

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2016-2021年我国云数据、传统数据中心工作负荷实例数现状及预测

(5)5G基站温控

2021年,我国建成5G基站数量达142.5万个,同比增长98.4%,目前其总规模已经达到150.6万个左右。5G作为“新基建”重点方向,建设不断深化,其密度和功耗远高于4G,未来我国基站散热机柜需求将大幅提升。

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2019-2022年一季度我国5G基站数量情况(万个)

市场规模稳步增长,液冷渗透率有望持续提升

我国“双碳“政策正加速推进,储能温控、新能源车热管理等温控设备应用场景需求保持较快增长。此外,随着互联网、大数据、云计算、信息化的发展,数据中心、5G基站应用场景的温控设备需求旺盛,可预见未来我国温控设备市场规模将稳步增长。

技术上,未来我国温控设备存量将继续以风冷为主,液冷虽然具有设计难度复杂、成本高的“缺点”,但由于其散热效率、速度快,且适用范围广,占用空间较小,所以其渗透率依旧有望提升。

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液冷与风冷情况对比

三、储能消防迎风而起

据国际能源网不完全统计,2011-2022年1月期间全球共发生37起储能电站爆炸事故,其中4起发生在中国。从新能源汽车事故看,2022年第一季度,国内接报的新能源汽车火灾共640起,相比上年同期上升了32%;从事故电池类型来看,82%的储能事故由三元锂电池导致(资料来源:国家应急管理部消防救援局发布的数)


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全球电化学储能电站起火或爆炸事故统计(部分)

而导致电池事故的主要原因是三元锂电池正极材料分解温度仅200°C,易发生热失控进而引致火灾。只要一旦出现过充、过放、过流、热失控和内部短路等电池滥用情况,就容易导致电池内部热量积聚,一旦超过临界点即会产生热失控

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储能事故中电池类型占比情况(单位:%)

热失控预警技术:

电池异常变化表现为电压、温度、电流等数据的异常或轨迹异常。热失控预警技术主要是通过电池安全失效机理与大数据AI技术融合,建立各种失效模式的安全预警模型,常用的有电池内短、析锂、容量异常等。

通过对电池运行过程中BMS记录的电压、电流、温度等数据的多维分析,识别出电池的故障信息,判断电池安全风险从而达到预警目的。目前,已有专家学者考虑用红外探测、内置传感器等方式提升所测温度数据的准确性。

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电池热失控分级预警控制策略


热失控机理的三个阶段:


第一阶段(初期)

由于内外因素引起电池内部温度迅速升高至90~100 ℃,此时负极表面的SEI 钝化层分解释放出巨大热量引起电池内部温度快速升高;当温度分别达到135 ℃和166 ℃时,PE 和PP隔膜开始融化,随着温度进一步升高,隔膜收缩,正极与负极之间相互接触造成短路,从而引发电池的持续放热。

第二阶段(电池鼓包阶段)

在温度约为250~350 ℃时锂与电解液中的有机溶剂发生反应,挥发出可燃的碳氢化合物气体。

第三阶段(即热失控,爆炸失效阶段

在这个阶段,充电状态下的正极材料与电解液继续发生剧烈的氧化分解反应,产生高温和大量有毒气体,导致电池剧烈燃烧甚至爆炸。

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锂离子电池热失控机理示意图

储能系统预警端、灭火端的实际需求提升以及与电动汽车动力电池的差异对比,在储能行业蓬勃发展的东风下,储能消防的需求或将明显提升,迎来良好时机。


政策重点强调储能消防安全,利好行业发展


2021年9月出台《电化学储能电站安全规程(征求意见稿)》,要求储能消防融入视频监控系统、设定系统性解决方案,更加精细化及科技化,并规定了储能电站设备安全技术要求、运行、维护、检修、试验等方面的安全要求。

2022年2月发布《“十四五”国家消防工作规划》,提出要围绕新型储能设施,加强消防设计,加强源头管理。各政策对储能电站建设、管理提出细节化要求;引导配套储能消防设建设,提高储能电站运营安全程度;提出2025目标装机规模和降本增效目标,政策指引储能市场发展。

随着多项涉及储能消防安全的相关政策及标准的陆续落地实施,可以预见储能装机规模将快速增加,新标准下储能消防的重要性不断突显,储能消防投入占比有望进一步提升。

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近年中国储能消防行业相关政策梳理


下游应用场景多元化,“十四五”储能消防产品有望放量
储能消防产品产业链上游原材料包括结构件、电子元器件、机箱和灭火剂等;下游应用场景除储能电站外,还包括新能源汽车、电动自行车和家用储能等领域。下游随着储能规模的扩大,消防安全标准也将愈发严格,储能消防产品需求前景广阔。


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储能消防产品产业链



四、与温度传感器



安全便捷为核心, 高容量是储能的发展趋势。不同品牌储能产品容量差异不大,客户在产品间进行选择时, 安全是一切的基础,储能产品往往需要通过相关安全认证, 以确保公司产品质量稳定可靠;此外, 由于产品的使用场景多为户外旅行场景,便捷为重要考量因素。此外, 在外观和智能化上具备 一定优势的产品能够拓展身份认同和认知度。
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(储能核心在于安全)
关于消防产业链


民用消防:消防行业准入制度调整及市场化改革吸引大量企业涌入,强制性认证与技术壁垒提升有望助力消防报警龙头21年市占率提升至7.46%。


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工业消防:工业消防产品下游应用领域包括冶金、石油石化、轨道交通、电力等领域,应用场景环境复杂,对产品的性能要求高。目前国外品牌占据了我国工业消防产品高端市场,客户粘性较强,而国内企业更多提供配套设施,仅供应单一或者少数产品,



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储能消防:储能消防产品产业链上游原材料包括结构件、电子元器件、机箱和灭火剂等;下游应用场景除储能电站外,还包括新能源汽车、电动自行车和家用储能等领域。


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储能电站系统结构图

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1.储能产业链上游用温度传感器
“我们温度传感器,要与锂电池的正极材料、负极材料、隔膜材料与电解液搭建良好的交流,以便我们双方,更从产业链全视角、全路径的把温度控制、测试问题,如何最高效、最稳定的考虑进去!”温度传感器台湾兴勤反馈说。
“电池本体的温度检测,温度传感器可以安装在电池间隙中,也安装在电池包带中。电池冷却介质的温度检测,温度传感器可以安装于冷却管里。BMS控制板的温度检测,温度传感器有一体方式、捆绑方式、紧挨方式等多种结构可以选择。”中日温度传感器代表久喜告诉我们。


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(温度传感器)


“对于锂电池下游的应用来说,锂电池在规定的工作温度范围内,才可能实现最佳的能源效率。温度传感器监测并控制电池温度,防止过热。有效延长电池使用寿命并增强安全性。为此,必须在多处测量电池温度,防止局部过热。这些测量电池温度的位置,往往有电池本体、冷却液、BMS板等等。”温度传感器特普生有说到。

“锂电池的正极材料、负极材料、隔膜材料与电解液是锂电池中游。温度传感器,主要用在锂电池的下游生产商、应用领域。譬如宁德市代、亿纬锂能,他们的电池、储能等等必须用到温度传感器,应用领域生产商也是温度传感器公司的客户,譬如小鹏汽车、特斯拉汽车,汽车上的电控、电机也用到温度传感器。”

2.储能产业链中下游用温度传感器

发电端、电网端、用电端(譬如便携、户储与房车储能系统)等储能下游,都必须用到温度传感器。

本文落地于“便携、户储与房车储能用温度传感”这个主题。便携、户储与房车储能系统由电池组、 消防、温控、  PCS、  EMS、  BMS构成。储能设备主要由电池组、储能逆变器( PCS)、能量管理系统( EMS)、电池管理系统( BMS)构成。

电池组为最主要的构成部分,其主体由电芯构成。电池组中涵盖其他辅助系统包括温控(散热),消防。储能逆变器为必不可少的重要组成部分,负责直流交流转化,是电站并网运行的必备条件。EMS、  BMS主要集中于系统软件层面,由储能投资商负责设计, EMS负责数据采集、能量调度;BMS负责电池监控、管理,保证充放均匀稳定。


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便携、户储与房车等储能,主要用到CCS隔离板温度管理、BMS系统温度管理、储能冷却(风冷/液冷)系统温度管理、储能消防系统温度管理。

“拥有BMS配套+线束加工优势的我们,为便携、户储与房车等储能管理,做性价比高的温度管理方案。方案为BMS提供锂/氢电池本体、电池冷却介质与BMS控制板的温度管理,也为储能CCS隔离板提供温度管理,即CCS隔离板温度管理、BMS系统温度管理、储能冷却(风冷/液冷)系统温度管理!”——温度传感器专家特普生曾总告诉温度床传感器研究院说。

“目前,市场反馈的传感器失效模式为两种:防水与耐压情况不佳。防水是指吸潮后传感器阻值下降,主要为潮气影响;耐压则是传感器绝缘层被击穿。为妥善解决传感器失效模式,特普生传感器针完全胜任。一是针对潮气影响,特普生传感器在保持耐温175度的条件下、耐水煮168小时。打破行业48小时极限;二在绝缘度问题上,特普生传感器可长期耐压5VDC,远高于行业3500VDC的标准要求。”

A.储能CCS隔离板温度管理

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(特普生户储CCS隔离板)

“我们为电池包、电池模组、电池族、储能箱公司,也为BMS产品,提供定制化的储能CCS隔离板。譬如支架,可以选择注塑或吸塑隔离板+线槽;采集组件,可以选择线束、FPC、PCB或FFC;温感采集线,可以选择环氧头、OT端子、镍端子(都含NTC);铝巴当然是含铝量达到99.6%的1060铝板。连接方式,可以选择打胶、打螺丝、超声焊或激光焊”。

储能CCS隔离板,在锂离子电池系统中实现以下主要功能:通过铜铝巴实现电芯的串并联,输出电流。采集电芯电压。采集电芯温度。提供均衡和补电通道。

储能CCS开发上,有CCS 拼板解决方案。CCS 拼板解决方案的优势是“在不增加模具的情况下兼容各种电芯串并数及不同输出极出线方向”。

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(储能CCS 拼板解决方案)

储能CCS开发上,也有CCS 热压解决方案。CCS 热压解决方案的优势是“ 通过PET膜高温高压成型工艺,  完成CCS的制造,而且产品更为轻薄”。

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(储能CCS 热压解决方案)


储能CCS开发上,还有CCS 吸塑隔离板解决方案。CCS 吸塑隔离板解决方案的优势是“PC片高精度真空成型工艺;产品更为轻薄;零部件固定工艺”。

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(储能CCS 吸塑隔离板解决方案)

B.BMS系统温度管理

“用于动力电池模组电芯的电压和温度采样,采集数据通过数据采集模块汇总、分析再传输给给电池管理系统主控制器模块,主控模块对数据进行分析和处理后,发出对应的程序控制和变更指令,做出均衡措施。适用于纯电动、混合动力乘用车、物流、客车、特种车等车型及48V动力系统 。它具有组装工时短、小型化、轻量化、薄形化、可挠性、弯折性好等特点。”


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(电池BMS温度传感器)
“也有一些客户需求电池芯内温度采集线束。这时,NTC温度传感器特别适合用于电池内芯与芯之间。最小直径尺寸可以做到0.7mm ,最薄可以做到0.6mm。 柔性化,可弯曲,便于安装。”图片
(电池芯内温度采集线束)
“固定片NTC温度传感器主要用于电池PACK模组。它采用单端玻封NTC热敏电阻,外围用环氧树脂+外壳封装,热敏电阻和导线的焊接点完全密封在树脂涂层里面,具有良好的防水性及密封性。环氧树脂封装温度传感器将高精度、高可靠的NTC热敏电阻与PVC或Teflon导线连接,用绝缘、导热、防水、防潮材料封装成所需形状,便于安装与远距离测控温。通过测量NTC热敏电阻的电阻值来确定相应的温度,从而达到了检测和控制产品温度的目的。”
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(电池外围温度采集线束)
C.储能冷却(风冷/液冷)系统温度管理
“储能风冷或液冷,这些冷却温度管理,要采用单端玻璃封装热敏电阻,精度高、可靠性好。譬如双85测试1000小时,耐水煮测试1000小时。采用特殊的内部结构,正常使用寿命10年以上。”
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(储能冷却(风冷/液冷)温度传感器)
D.储能消防系统温度管理
“我们,发现储能消防系统温度管理,这套传感器,特别适合用于储能消防用。最小直径尺寸可以做到:0.7mm。响应速度最快可达1.5S(液体介质)。温湿度模块、温度气体模块等,也可以无线化数据传输。”
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(储能消防温度传感器)
上面这些内容,详细研究了便携、家庭与房车储能的温度管理方案,实际上就是解读了家庭及工商业储能温度传感器、移动/便携储能温度传感器。
“电网级大型储能、通信储能”的温度传感器,具体方案虽然不同,但是,异曲同工。
在电池储能系统中,实现降低火灾风险最为行之有效的办法就是在电池组的电路中加入对电池温度、电流、电压的感知系统。温度上升10℃,电芯的循环寿命下降了近50%,CCS集成盖板母排,以温度采集和电压采集线束形式,将温度传感器直接焊接在动力电池的电芯上检测温度。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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