絕緣油浸沒式冷卻小型NCM811動力電池模組的溫度場特性實驗

鋰離子電池目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動汽車，其在充放電循環(huán)過程中，內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)過程會導(dǎo)致電池溫度升高，過高的溫升會影響鋰離子電池的充放電效率，并加速其老化過程，從而縮短了其壽命，甚至還有可能導(dǎo)致熱失控，引發(fā)嚴(yán)重安全事故

。因此鋰離子電池模組運行過程中需要應(yīng)用熱管理系統(tǒng)，將電池模組溫度參數(shù)控制在最佳運行范圍內(nèi)，保證電池模組安全、高效運行

。

目前鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要有空冷、液冷、相變材料(PCM)冷卻等

?？绽鋬?yōu)點在于配置簡單、重量輕、易于維護、初始和運行成本低

；相變材料(PCM)冷卻則是應(yīng)用相變材料的潛熱來吸收鋰離子電池在充放電過程中釋放的熱量，相變材料的最大優(yōu)點是有優(yōu)異的儲熱性能，能夠有效降低鋰離子電池充放電過程中最高溫度及最大溫差

。但是在某些極端高溫或高充放電倍率下，單一空冷及相變材料(PCM)冷卻不能滿足熱管理需求

。近年來越來越多的研究集中于液冷熱管理系統(tǒng)，液冷系統(tǒng)根據(jù)冷卻液與電池組接觸方式分為直接式及間接式液冷

。對于基于液體的間接式熱管理，E 等

研究了冷板不同流道設(shè)計對壓降及熱管理性能的影響。王翔等

用仿真研究了入口冷卻液流量、溫度等對于熱管理性能的影響，An等

研究了基于微通道流動沸騰的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在不同雷諾數(shù)和放電速率下的溫度分布和電壓分布。Wang等

研制了一種新型的硅板/液體耦合冷卻板，研究了其在高速放電和高溫條件下的冷卻能力。間接式液冷由于冷板與模組接觸面積有限，因而熱管理效果同樣受限。對于基于液體的直接式熱管理，羅卜爾思

通過研究發(fā)現(xiàn)以變壓器油為介質(zhì)的直接式液冷冷卻效果明顯。Wang 等

運用數(shù)值模擬的方法，研究了以硅油為冷卻液時，冷卻液流速、入口溫度、進(jìn)出口位置和模組單體數(shù)量及間距對直接接觸式預(yù)熱系統(tǒng)的影響。Wang 等

研究了冷卻液深度和流速對于浸沒式熱管理性能的影響。

在研究過程中，首先提出一種利用絕緣油浸沒電池的直接冷卻系統(tǒng)管理電池的產(chǎn)熱，分析電池模組的靜態(tài)和動態(tài)冷卻特性，研究油浸沒量、環(huán)境溫度、流量以及流動方式等因素對其溫升特性的影響。最后通過分析不同循環(huán)倍率下模組最高溫度及溫度均勻性等關(guān)鍵參數(shù)，為工程應(yīng)用提供支持。

1 實驗方法

1.1 電池模組

本實驗所用電芯為NCM811 三元鋰離子電池，其直徑為21 mm，高度為70 mm，正極材料為Li(Ni

Co

Mn

)O

，負(fù)極材料為天然石墨，標(biāo)稱容量和標(biāo)稱電壓分別為4600 mAh 和3.6 V。電池模組由4個電芯通過鎳帶兩串兩并連接得到。

1.2 實驗設(shè)備

靜態(tài)及動態(tài)絕緣油浸沒式冷卻系統(tǒng)(immersion cooling system，ICS)如圖1所示，靜態(tài)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(battery thermal management system，BTMS)主要由電池模組及不同容積的模組容器組成。模組容器由2 mm 厚亞克力板按不同浸油量大小制成；動態(tài)BTMS主要由電池模組、模組容器、油泵、油缸、冷凝器和流量計組成。實驗用絕緣油為礦物油，導(dǎo)熱系數(shù)為0.128 W/(m·K)，動力黏度為13 mm

/s，凝點為-22 ℃，閃點為140 ℃，擊穿電壓(間距2.5 mm)為35 V。

體積流量

為3.0 mL/s、6.0 mL/s、9.0 mL/s和12.0 mL/s 時，系統(tǒng)壓降分別為1823 Pa、3064 Pa、4325 Pa和5827 Pa，系統(tǒng)壓降隨著流量增加而增加，綜合考慮壓力損失與模組的

和Δ

，滿足各充放電倍率下電池模組熱管理需求的最小流量即為最佳流量。

用于測試BTMS冷卻性能的充放電循環(huán)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1 所示。主要由充電柜(Model：CT-4002-30V100A-NA)、 電 腦、 T 型 熱 電 偶(Model：AT10-1.5MTI-TFL1/0.25)、恒 溫 箱(Model：H/GDW-225L)和數(shù)據(jù)采集儀(Model：HIOKI-LR8432)組成。為了控制環(huán)境溫度，所有實驗在恒溫箱內(nèi)進(jìn)行。電池組與由充電柜和電腦組成的充放電循環(huán)系統(tǒng)相連，控制電池組充放電循環(huán)過程，12個T型熱電偶分別布置在4個單體的正極、負(fù)極及中間，測溫點布置同樣如圖1 所示，其中

T

、

T

’、

T

”(

=1，2，3，4)分別為第

個電芯的正極、中心及負(fù)極溫度。

1.3 實驗過程

為研究油的體積流量

對于電池組的冷卻效果，調(diào)節(jié)油泵的供油體積流量

分別為3.0 mL/s、6.0 mL/s、9.0 mL/s 和12.0 mL/s，選定模組內(nèi)絕緣油的相對浸沒量為

=0.5，

及起始時入口油溫均為25 ℃。實驗結(jié)果如圖8和圖9所示。

2.2.1 油浸沒量的影響

On the Issue of Tour Guide’s Self-discipline in Yunnan Tourism Image Dilemma___________________________XU Chaohui 5

2 結(jié)果與討論

2.1 油浸沒時電池模組靜態(tài)溫升特性

2.1.1 油浸沒量的影響

在實驗研究過程中，設(shè)計了4組實驗來研究電池模組的靜態(tài)溫升特性，其中1組為參照組，為空氣自然對流冷卻，另外3組實驗的相對油浸沒量

分別為0.2、0.5和1時的自然對流冷卻，研究電池組在不同充放電倍率下的兩個關(guān)鍵參數(shù)：最高溫度

及最大溫差Δ

，

是電池組內(nèi)所有溫度傳感器所測得的最大值，而Δ

則是所有溫度傳感器所測得的最大值和最小值之間的差值，它與電池組內(nèi)單體間溫度均勻性有關(guān)。電池模組被放置在恒溫箱內(nèi)，確保環(huán)境溫度

為恒定的25 ℃。

圖2 和圖3 分別記錄了充電和放電過程中各測試工況的最高溫度

和最大溫差Δ

。隨著油浸沒量增加，各個充放電倍率下

及Δ

均隨之降低。但是，在充電過程中，如果在空氣自然對流冷卻，那么在1.25 C 及1.5 C 充電時

超過了50 ℃，并且1.5 C 時Δ

會大于5 ℃；而在放電時，如果在空氣自然對流冷卻下，那么1.25 C 及1.5 C對應(yīng)的

超過了50 ℃，例如，1.5 C放電時，空氣自然對流的

和Δ

為73.9 ℃和9.8 ℃，此時即使是利用油浸沒自然對流冷卻，

為0.2、0.5和1 時

分別為60 ℃、56.9 ℃和56.2 ℃，Δ

分別為6.1 ℃、7.6 ℃和6.1 ℃，

均超過了50 ℃。因此，這些工況都不宜進(jìn)行充電或者放電操作。

同時由圖3 可知，相比于空氣自然對流冷卻，油浸沒式自然對流冷卻在降低模組最高溫度的同時顯著降低了模組最大溫差。如1.5 C 充電時，空氣自然對流時模組Δ

為7.2 ℃，而在油浸沒式自然對流冷卻下，

為0.2、0.5 和1 時，Δ

分別為2.6 ℃、3.1 ℃和2.8 ℃。即油浸沒式自然對流冷卻顯著提高了模組溫度均勻性。

2.1.2 環(huán)境溫度的影響

由于不同季節(jié)環(huán)境溫度

的變化較大，分析

對熱管理性能的影響十分必要。根據(jù)電化學(xué)儲能艙設(shè)計規(guī)范，選取環(huán)境溫度

為15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃ 4 個工況，研究油浸沒量

= 1 時電池模組的溫升特性，結(jié)果如圖4 和圖5所示。當(dāng)環(huán)境溫度從15 ℃升高到30 ℃時，模組的

和Δ

均 不 斷 上 升。1.5 C 充 電 時，

從36.2 ℃上 升 至51.2 ℃；Δ

則 從3.3 ℃上 升 至4.6 ℃；而在1.5 C 放電時，

從48.2 ℃上升至58.6 ℃；Δ

則從5.6 ℃上升至6 ℃。

2.2.3 進(jìn)出口位置的影響

A組中，整粒種子燃燒時，集中燃燒而散發(fā)到周圍空間的熱量較多，直接加熱試管的熱量相對就少了，所以A組誤差比較大。B組在罐內(nèi)燃燒時，由于易拉罐的局部空間限制，熱量散失相對較少，測量得到數(shù)值就較高些。C組中，用錫紙材料，一方面隔熱效果好，減少熱量散失；另一方面，近年來流行錫紙花甲，所以材料也很好找。不過，筆者所使用的錫紙的厚度更大，從實驗數(shù)據(jù)可以看出效果更好。D組最大限度的減少誤差，雖然想過用泡沫劑，不過學(xué)生不易找材料就放棄了。

2.2 油浸沒時電池模組動態(tài)溫升特性

實驗研究了充放電倍率分別為1 C、1.25 C 和1.5 C 時，絕緣油靜態(tài)條件下不同油浸沒量(

=0.2、0.5 和1)、環(huán) 境 溫 度

(15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃)及動態(tài)條件下油浸沒量(

=0.2、0.5和1)、 流 量(

=3 mL/s、 6 mL/s、 9 mL/s 和12 mL/s)和流動方式的變化對不同充放電倍率下電池模組生熱特性的影響。實驗步驟：①在試驗前將電池模組及冷卻用油置于預(yù)設(shè)環(huán)境溫度下兩小時，直至其溫度與環(huán)境溫度一致且電池模組溫差小于0.2 ℃；②將電池模組分別以1 C、1.25 C和1.5 C循環(huán)倍率進(jìn)行充放電；③重復(fù)步驟①到②，并以表1中所示條件對電池模組進(jìn)行冷卻。

為了研究浸沒的絕緣油在流動狀態(tài)下的冷卻效果，依舊選擇

為0.2、0.5及1.0三種工況，環(huán)境溫度以及入口處的油溫均為25 ℃，三種工況下絕緣油循環(huán)量均為6 mL/s。實驗結(jié)果如圖6 和圖7 所示。在不同循環(huán)倍率下，隨著浸油量的增加，模組

和Δ

整體隨之降低。當(dāng)

從0.2增加到1.0，1.5 C充電時，

從32.6 ℃降低到31.7 ℃，Δ

從4.6 ℃降 低 至3.7 ℃；1.5 C 放 電 時，

從38.5 ℃降 低 到36.6 ℃，Δ

從7.2 ℃降 低 至4.8 ℃。

隨著

的增加，電池模組容器體積增加，

=0.2 時電池組外部與容器緊貼，

增加至1.0 時，電池模組與容器四周及頂部間距變大，油流動更加均勻，各個位置流速更加接近，因此

和Δ

均隨之降低。

2.2.2 流量的影響

由上述可知，在油靜置冷卻時，雖然隨著

V

的增加ICS的熱管理表現(xiàn)在提升，但在高充放電倍率或環(huán)境溫度較高的情況下，

增大到1時ICS仍無法滿足電池模組熱管理要求，因此需要增大ICS換熱量，通過油的循環(huán)帶走聚集在模組中的熱量將是一個更好的選擇。

為了分析油浸沒量，引入了無量綱參數(shù)

，它定義為BTMS 中油的體積

與電池模組體積

的比值，如式(1)，其中電池模組的體積

是一個定值，為96.93 mL。

(3) 元素分析：測試儀器EL Ⅲ型為型元素分析儀，OLYMPUS公司，測試約2 mg樣品的N、C、H和P元素含量。

在不同充放電倍率下，電池組

和Δ

均隨著體積流量的增加而降低。如當(dāng)

從3.0 mL/s 增加到12.0 mL/s，在1.5 C放電時，

和Δ

分別由39.4 ℃和8.7 ℃降低至34.8 ℃和4.8 ℃，在此過程中，小流量時流量變化對

和Δ

影響更明顯，例如

由3.0 mL/s 增加至6.0 mL/s，

和Δ

分別降低3.4 ℃和3.1 ℃，而當(dāng)9 mL/s增加至12 mL/s 時

及Δ

則 分 別 降 低 了0.5 ℃和0.4 ℃。相同充放電倍率下，電池模組產(chǎn)熱量一定，隨著流量增加，絕緣油與模組換熱量增大，模組的

和Δ

分別隨之降低。

另一方面，隨著充放電倍率的提高，

的增加對于模組熱管理表現(xiàn)的影響更加明顯，當(dāng)

從3 mL/s 增加至12 mL/s，1 C 放電時，

和Δ

分別降低了2.2 ℃和1.7 ℃；1.5 C 放電時，

和Δ

分別降低了4.6 ℃和3.9 ℃。隨著充放電倍率的增加，電池模組產(chǎn)熱量增加，ICS帶走的熱量也隨之增加，從而導(dǎo)致了上述結(jié)果。

“在這樣的崗位，你得隨時面對新問題，也要隨時解決，只有一股干活的蠻勁而沒有文化是不行的。”領(lǐng)導(dǎo)對董松江說。

生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系的矛盾、經(jīng)濟基礎(chǔ)與上層建筑的矛盾是貫穿于一切社會的基本矛盾，社會的主要矛盾是社會基本矛盾的階段性呈現(xiàn)。在生產(chǎn)資料私人占有的社會里，生產(chǎn)者與受益者之間產(chǎn)生了背離，解決矛盾要靠階級斗爭。無產(chǎn)階級取得國家政權(quán)以后，社會矛盾大量轉(zhuǎn)化為非對抗性的人民內(nèi)部矛盾。社會生產(chǎn)也不再以純粹的盈利為目的，而是回歸到滿足人民群眾的物質(zhì)文化需要上來。據(jù)此，判斷社會主要矛盾應(yīng)當(dāng)從人民群眾的需求出發(fā)，而不是從少數(shù)人或少數(shù)利益集團的需求出發(fā)，這是由社會主義社會為民性這一特殊性質(zhì)決定的。

英語學(xué)習(xí)不能僅僅依靠對文章語句的重復(fù)朗讀和反復(fù)背誦，更需要培養(yǎng)學(xué)生的自主運用能力，使課本上的語詞轉(zhuǎn)化為學(xué)生自身的英語詞句應(yīng)用。因此，高中英語學(xué)習(xí)需要在學(xué)生合作的前提下，營造出激烈討論的環(huán)境和氛圍，使學(xué)生能夠?qū)⒂⒄Z知識與自己所學(xué)習(xí)掌握的知識和信息進(jìn)行了相互融合，在不偏離課堂教學(xué)主題的前提下，進(jìn)行了發(fā)散性的討論和交流。這種合作討論的方式，可以大幅提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強化學(xué)生對于語言運用的即時反應(yīng)，綜合培養(yǎng)學(xué)生的詞匯掌握、語法運用和聽說能力。

如果以電池的最高溫度

不超過50 ℃或者單體間最大溫差Δ

不超過5 ℃作為臨界條件，那么在充電時，所有充電倍率下Δ

均低于5 ℃，僅在30 ℃環(huán)境溫度進(jìn)行1.5 C 充電時

會超過50 ℃。而對于放電工況，如果以1.5 C 倍率放電時，環(huán)境溫度

不能高于15 ℃，1.25 C倍率放電時，環(huán)境溫度

不能高于30 ℃才可以確保

不會超過50 ℃，而且1.5 C放電時，即使是在15 ℃的環(huán)境溫度下，Δ

也會大于5 ℃，因此電池模組在靜態(tài)冷卻條件下，

為15～30 ℃時應(yīng)避免1.5 C放電，

=30 ℃時應(yīng)避免1.5 C充電和高于1.25 C倍率放電。

發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，編實建強基本隊伍。采取多種方式，摸清經(jīng)濟功能區(qū)民兵編組所需信息數(shù)據(jù)，特別是高新產(chǎn)業(yè)的技術(shù)、裝備、從業(yè)人員，軍民通用裝備器材分布單位、數(shù)量、性能、技術(shù)狀況等，切實把潛力數(shù)據(jù)調(diào)查全、了解準(zhǔn)、掌握實，為實施民兵編組提供可靠支撐。根據(jù)明確的編組任務(wù)，統(tǒng)計分析民兵專業(yè)裝備需求和具體崗位人員專業(yè)技術(shù)要求，對接經(jīng)濟功能區(qū)潛力情況，合理分配編組任務(wù)，切實把編組所需與企業(yè)所有結(jié)合起來，在滿足編組任務(wù)需要的同時，盡力把專業(yè)技術(shù)人才編入隊伍。在嚴(yán)格執(zhí)行企業(yè)編組民兵有關(guān)政策規(guī)定的前提下，采取單個企業(yè)獨立編組排、班，多個企業(yè)聯(lián)合編組，或從多個企業(yè)抽編技術(shù)人員組合編組等方式，深入挖掘企業(yè)編兵潛力。

本工作研究了絕緣油以4種不同的方式流進(jìn)和流出模組時的冷卻效果，4種進(jìn)出口布置如圖10所示，它們分別是：方式1：同側(cè)下進(jìn)上出；方式2：同側(cè)上進(jìn)下出；方式3：異側(cè)下進(jìn)上出；方式4：異側(cè)上進(jìn)下出。測試條件依然是環(huán)境溫度

為25 ℃，入口油溫25 ℃，油浸沒量

= 1，絕緣油循環(huán)量均為6 mL/s，不同流動方式下

及Δ

如表1所示。

對于房屋建筑而言，如果存在冷橋現(xiàn)象，短時間內(nèi)可能僅僅是墻角附有水霧，從外觀上影響視覺美觀效果。但是如果立足長遠(yuǎn)房屋的使用來說，冷橋現(xiàn)象的存在很容易導(dǎo)致房屋在長期使用后，由于長久的水霧積攢，導(dǎo)致墻角位置出現(xiàn)霉變、墻皮脫落等情況。

由表1 可知，在充放電倍率相同時，流動方式4的

和方式3接近，明顯低于方式1和2，且Δ

明顯低于其他3 種方式。如1.5 C 放電時，流動方式1、2、3和4的

和Δ

分別為37.6 ℃和5.1 ℃、41.5 ℃和10.5 ℃、36.6 ℃和5 ℃、36.8 ℃和3.6 ℃，因此流動方式4的熱管理效果最好。

冷卻過程中油采用Z字型流動(方式3和4)時相較于同側(cè)流入流出(方式1和2)由于流程更長，流動更加充分，油與電池模組間換熱也更加充分，故熱管理效果明顯更好；且由于模組底部與容器底部緊貼，而模組頂部與容器頂部有間隙，故油從上方進(jìn)入時較下方進(jìn)入流動更加均勻，因而方式2相較方式1的Δ

更小。所以方式4即異側(cè)上進(jìn)下出的流動方式熱管理效果最好。

3 結(jié) 論

本工作對NCM811高比能21700鋰離子電池模組在絕緣油浸沒式冷卻條件下的溫度場特性進(jìn)行了實驗研究。分別測試了充放電倍率為1 C、1.25 C和1.5 C 時不同因素對絕緣油浸沒式冷卻條件下溫度場特性的影響，根據(jù)實驗結(jié)果所得到的主要結(jié)論如下。

（1）絕緣油靜態(tài)冷卻時，相對于自然對流冷卻，ICS對于模組熱管理表現(xiàn)提升明顯，且隨著

的增大，系統(tǒng)的熱管理表現(xiàn)同樣在提升。同時由于冷卻性能限制，在放電倍率達(dá)到1.5 C 時，

為0.2、0.5 和1 均不能滿足熱管理需求，應(yīng)用過程中應(yīng)避免以上工況。環(huán)境溫度的變化對ICS表現(xiàn)的影響同樣明顯。在

= 1 時，當(dāng)環(huán)境溫度從15 ℃上升至30 ℃，不同充放電倍率下模組

和Δ

均明顯上升，

為15～30 ℃均應(yīng)避免1.5 C放電，

= 30 ℃時應(yīng)避免1.5 C 充電和高于1.25 C放電。

（2）絕緣油動態(tài)冷卻時，隨著

和

的增加以及進(jìn)出口方式的改變，不同充放電倍率下ICS的熱管理表現(xiàn)同樣在提升，模組

和Δ

整體隨之降低。且在相同充放電倍率下，

和進(jìn)出口方式的改變對絕緣油浸沒式冷卻條件下電池模組溫升及溫度均勻性影響明顯大于

的改變。如在1.5 C放電時，當(dāng)進(jìn)出口方式從方式2 變?yōu)榉绞?，

和Δ

分別降低了4.7 ℃和6.9 ℃；當(dāng)

從3 mL/s增加至12 mL/s，

和Δ

分別降低了4.6 ℃和3.9 ℃；與之相對應(yīng)的是，當(dāng)

從0.2 增加至1，

和Δ

分別降低了1.9 ℃和2.4 ℃。

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