绝缘油浸没式冷却小型NCM811动力电池模组的温度场特性实验

锂离子电池目前已经广泛应用于电动汽车，其在充放电循环过程中，内部的电化学反应过程会导致电池温度升高，过高的温升会影响锂离子电池的充放电效率，并加速其老化过程，从而缩短了其寿命，甚至还有可能导致热失控，引发严重安全事故

。因此锂离子电池模组运行过程中需要应用热管理系统，将电池模组温度参数控制在最佳运行范围内，保证电池模组安全、高效运行

。

目前锂离子电池热管理系统主要有空冷、液冷、相变材料(PCM)冷却等

。空冷优点在于配置简单、重量轻、易于维护、初始和运行成本低

；相变材料(PCM)冷却则是应用相变材料的潜热来吸收锂离子电池在充放电过程中释放的热量，相变材料的最大优点是有优异的储热性能，能够有效降低锂离子电池充放电过程中最高温度及最大温差

。但是在某些极端高温或高充放电倍率下，单一空冷及相变材料(PCM)冷却不能满足热管理需求

。近年来越来越多的研究集中于液冷热管理系统，液冷系统根据冷却液与电池组接触方式分为直接式及间接式液冷

。对于基于液体的间接式热管理，E 等

研究了冷板不同流道设计对压降及热管理性能的影响。王翔等

用仿真研究了入口冷却液流量、温度等对于热管理性能的影响，An等

研究了基于微通道流动沸腾的电池热管理系统在不同雷诺数和放电速率下的温度分布和电压分布。Wang等

研制了一种新型的硅板/液体耦合冷却板，研究了其在高速放电和高温条件下的冷却能力。间接式液冷由于冷板与模组接触面积有限，因而热管理效果同样受限。对于基于液体的直接式热管理，罗卜尔思

通过研究发现以变压器油为介质的直接式液冷冷却效果明显。Wang 等

运用数值模拟的方法，研究了以硅油为冷却液时，冷却液流速、入口温度、进出口位置和模组单体数量及间距对直接接触式预热系统的影响。Wang 等

研究了冷却液深度和流速对于浸没式热管理性能的影响。

在研究过程中，首先提出一种利用绝缘油浸没电池的直接冷却系统管理电池的产热，分析电池模组的静态和动态冷却特性，研究油浸没量、环境温度、流量以及流动方式等因素对其温升特性的影响。最后通过分析不同循环倍率下模组最高温度及温度均匀性等关键参数，为工程应用提供支持。

1 实验方法

1.1 电池模组

本实验所用电芯为NCM811 三元锂离子电池，其直径为21 mm，高度为70 mm，正极材料为Li(Ni

Co

Mn

)O

，负极材料为天然石墨，标称容量和标称电压分别为4600 mAh 和3.6 V。电池模组由4个电芯通过镍带两串两并连接得到。

1.2 实验设备

静态及动态绝缘油浸没式冷却系统(immersion cooling system，ICS)如图1所示，静态电池热管理系统(battery thermal management system，BTMS)主要由电池模组及不同容积的模组容器组成。模组容器由2 mm 厚亚克力板按不同浸油量大小制成；动态BTMS主要由电池模组、模组容器、油泵、油缸、冷凝器和流量计组成。实验用绝缘油为矿物油，导热系数为0.128 W/(m·K)，动力黏度为13 mm

/s，凝点为-22 ℃，闪点为140 ℃，击穿电压(间距2.5 mm)为35 V。

体积流量

为3.0 mL/s、6.0 mL/s、9.0 mL/s和12.0 mL/s 时，系统压降分别为1823 Pa、3064 Pa、4325 Pa和5827 Pa，系统压降随着流量增加而增加，综合考虑压力损失与模组的

和Δ

，满足各充放电倍率下电池模组热管理需求的最小流量即为最佳流量。

用于测试BTMS冷却性能的充放电循环系统及数据采集系统如图1 所示。主要由充电柜(Model：CT-4002-30V100A-NA)、 电 脑、 T 型 热 电 偶(Model：AT10-1.5MTI-TFL1/0.25)、恒 温 箱(Model：H/GDW-225L)和数据采集仪(Model：HIOKI-LR8432)组成。为了控制环境温度，所有实验在恒温箱内进行。电池组与由充电柜和电脑组成的充放电循环系统相连，控制电池组充放电循环过程，12个T型热电偶分别布置在4个单体的正极、负极及中间，测温点布置同样如图1 所示，其中

T

、

T

’、

T

”(

=1，2，3，4)分别为第

个电芯的正极、中心及负极温度。

1.3 实验过程

为研究油的体积流量

对于电池组的冷却效果，调节油泵的供油体积流量

分别为3.0 mL/s、6.0 mL/s、9.0 mL/s 和12.0 mL/s，选定模组内绝缘油的相对浸没量为

=0.5，

及起始时入口油温均为25 ℃。实验结果如图8和图9所示。

2.2.1 油浸没量的影响

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

2 结果与讨论

2.1 油浸没时电池模组静态温升特性

2.1.1 油浸没量的影响

在实验研究过程中，设计了4组实验来研究电池模组的静态温升特性，其中1组为参照组，为空气自然对流冷却，另外3组实验的相对油浸没量

分别为0.2、0.5和1时的自然对流冷却，研究电池组在不同充放电倍率下的两个关键参数：最高温度

及最大温差Δ

，

是电池组内所有温度传感器所测得的最大值，而Δ

则是所有温度传感器所测得的最大值和最小值之间的差值，它与电池组内单体间温度均匀性有关。电池模组被放置在恒温箱内，确保环境温度

为恒定的25 ℃。

图2 和图3 分别记录了充电和放电过程中各测试工况的最高温度

和最大温差Δ

。随着油浸没量增加，各个充放电倍率下

及Δ

均随之降低。但是，在充电过程中，如果在空气自然对流冷却，那么在1.25 C 及1.5 C 充电时

超过了50 ℃，并且1.5 C 时Δ

会大于5 ℃；而在放电时，如果在空气自然对流冷却下，那么1.25 C 及1.5 C对应的

超过了50 ℃，例如，1.5 C放电时，空气自然对流的

和Δ

为73.9 ℃和9.8 ℃，此时即使是利用油浸没自然对流冷却，

为0.2、0.5和1 时

分别为60 ℃、56.9 ℃和56.2 ℃，Δ

分别为6.1 ℃、7.6 ℃和6.1 ℃，

均超过了50 ℃。因此，这些工况都不宜进行充电或者放电操作。

同时由图3 可知，相比于空气自然对流冷却，油浸没式自然对流冷却在降低模组最高温度的同时显著降低了模组最大温差。如1.5 C 充电时，空气自然对流时模组Δ

为7.2 ℃，而在油浸没式自然对流冷却下，

为0.2、0.5 和1 时，Δ

分别为2.6 ℃、3.1 ℃和2.8 ℃。即油浸没式自然对流冷却显著提高了模组温度均匀性。

2.1.2 环境温度的影响

由于不同季节环境温度

的变化较大，分析

对热管理性能的影响十分必要。根据电化学储能舱设计规范，选取环境温度

为15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃ 4 个工况，研究油浸没量

= 1 时电池模组的温升特性，结果如图4 和图5所示。当环境温度从15 ℃升高到30 ℃时，模组的

和Δ

均 不 断 上 升。1.5 C 充 电 时，

从36.2 ℃上 升 至51.2 ℃；Δ

则 从3.3 ℃上 升 至4.6 ℃；而在1.5 C 放电时，

从48.2 ℃上升至58.6 ℃；Δ

则从5.6 ℃上升至6 ℃。

2.2.3 进出口位置的影响

A组中，整粒种子燃烧时，集中燃烧而散发到周围空间的热量较多，直接加热试管的热量相对就少了，所以A组误差比较大。B组在罐内燃烧时，由于易拉罐的局部空间限制，热量散失相对较少，测量得到数值就较高些。C组中，用锡纸材料，一方面隔热效果好，减少热量散失；另一方面，近年来流行锡纸花甲，所以材料也很好找。不过，笔者所使用的锡纸的厚度更大，从实验数据可以看出效果更好。D组最大限度的减少误差，虽然想过用泡沫剂，不过学生不易找材料就放弃了。

2.2 油浸没时电池模组动态温升特性

实验研究了充放电倍率分别为1 C、1.25 C 和1.5 C 时，绝缘油静态条件下不同油浸没量(

=0.2、0.5 和1)、环 境 温 度

(15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃)及动态条件下油浸没量(

=0.2、0.5和1)、 流 量(

=3 mL/s、 6 mL/s、 9 mL/s 和12 mL/s)和流动方式的变化对不同充放电倍率下电池模组生热特性的影响。实验步骤：①在试验前将电池模组及冷却用油置于预设环境温度下两小时，直至其温度与环境温度一致且电池模组温差小于0.2 ℃；②将电池模组分别以1 C、1.25 C和1.5 C循环倍率进行充放电；③重复步骤①到②，并以表1中所示条件对电池模组进行冷却。

为了研究浸没的绝缘油在流动状态下的冷却效果，依旧选择

为0.2、0.5及1.0三种工况，环境温度以及入口处的油温均为25 ℃，三种工况下绝缘油循环量均为6 mL/s。实验结果如图6 和图7 所示。在不同循环倍率下，随着浸油量的增加，模组

和Δ

整体随之降低。当

从0.2增加到1.0，1.5 C充电时，

从32.6 ℃降低到31.7 ℃，Δ

从4.6 ℃降 低 至3.7 ℃；1.5 C 放 电 时，

从38.5 ℃降 低 到36.6 ℃，Δ

从7.2 ℃降 低 至4.8 ℃。

随着

的增加，电池模组容器体积增加，

=0.2 时电池组外部与容器紧贴，

增加至1.0 时，电池模组与容器四周及顶部间距变大，油流动更加均匀，各个位置流速更加接近，因此

和Δ

均随之降低。

2.2.2 流量的影响

由上述可知，在油静置冷却时，虽然随着

V

的增加ICS的热管理表现在提升，但在高充放电倍率或环境温度较高的情况下，

增大到1时ICS仍无法满足电池模组热管理要求，因此需要增大ICS换热量，通过油的循环带走聚集在模组中的热量将是一个更好的选择。

为了分析油浸没量，引入了无量纲参数

，它定义为BTMS 中油的体积

与电池模组体积

的比值，如式(1)，其中电池模组的体积

是一个定值，为96.93 mL。

(3) 元素分析：测试仪器EL Ⅲ型为型元素分析仪，OLYMPUS公司，测试约2 mg样品的N、C、H和P元素含量。

在不同充放电倍率下，电池组

和Δ

均随着体积流量的增加而降低。如当

从3.0 mL/s 增加到12.0 mL/s，在1.5 C放电时，

和Δ

分别由39.4 ℃和8.7 ℃降低至34.8 ℃和4.8 ℃，在此过程中，小流量时流量变化对

和Δ

影响更明显，例如

由3.0 mL/s 增加至6.0 mL/s，

和Δ

分别降低3.4 ℃和3.1 ℃，而当9 mL/s增加至12 mL/s 时

及Δ

则 分 别 降 低 了0.5 ℃和0.4 ℃。相同充放电倍率下，电池模组产热量一定，随着流量增加，绝缘油与模组换热量增大，模组的

和Δ

分别随之降低。

另一方面，随着充放电倍率的提高，

的增加对于模组热管理表现的影响更加明显，当

从3 mL/s 增加至12 mL/s，1 C 放电时，

和Δ

分别降低了2.2 ℃和1.7 ℃；1.5 C 放电时，

和Δ

分别降低了4.6 ℃和3.9 ℃。随着充放电倍率的增加，电池模组产热量增加，ICS带走的热量也随之增加，从而导致了上述结果。

“在这样的岗位，你得随时面对新问题，也要随时解决，只有一股干活的蛮劲而没有文化是不行的。”领导对董松江说。

生产力与生产关系的矛盾、经济基础与上层建筑的矛盾是贯穿于一切社会的基本矛盾，社会的主要矛盾是社会基本矛盾的阶段性呈现。在生产资料私人占有的社会里，生产者与受益者之间产生了背离，解决矛盾要靠阶级斗争。无产阶级取得国家政权以后，社会矛盾大量转化为非对抗性的人民内部矛盾。社会生产也不再以纯粹的盈利为目的，而是回归到满足人民群众的物质文化需要上来。据此，判断社会主要矛盾应当从人民群众的需求出发，而不是从少数人或少数利益集团的需求出发，这是由社会主义社会为民性这一特殊性质决定的。

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如果以电池的最高温度

不超过50 ℃或者单体间最大温差Δ

不超过5 ℃作为临界条件，那么在充电时，所有充电倍率下Δ

均低于5 ℃，仅在30 ℃环境温度进行1.5 C 充电时

会超过50 ℃。而对于放电工况，如果以1.5 C 倍率放电时，环境温度

不能高于15 ℃，1.25 C倍率放电时，环境温度

不能高于30 ℃才可以确保

不会超过50 ℃，而且1.5 C放电时，即使是在15 ℃的环境温度下，Δ

也会大于5 ℃，因此电池模组在静态冷却条件下，

为15～30 ℃时应避免1.5 C放电，

=30 ℃时应避免1.5 C充电和高于1.25 C倍率放电。

发挥专业优势，编实建强基本队伍。采取多种方式，摸清经济功能区民兵编组所需信息数据，特别是高新产业的技术、装备、从业人员，军民通用装备器材分布单位、数量、性能、技术状况等，切实把潜力数据调查全、了解准、掌握实，为实施民兵编组提供可靠支撑。根据明确的编组任务，统计分析民兵专业装备需求和具体岗位人员专业技术要求，对接经济功能区潜力情况，合理分配编组任务，切实把编组所需与企业所有结合起来，在满足编组任务需要的同时，尽力把专业技术人才编入队伍。在严格执行企业编组民兵有关政策规定的前提下，采取单个企业独立编组排、班，多个企业联合编组，或从多个企业抽编技术人员组合编组等方式，深入挖掘企业编兵潜力。

本工作研究了绝缘油以4种不同的方式流进和流出模组时的冷却效果，4种进出口布置如图10所示，它们分别是：方式1：同侧下进上出；方式2：同侧上进下出；方式3：异侧下进上出；方式4：异侧上进下出。测试条件依然是环境温度

为25 ℃，入口油温25 ℃，油浸没量

= 1，绝缘油循环量均为6 mL/s，不同流动方式下

及Δ

如表1所示。

对于房屋建筑而言，如果存在冷桥现象，短时间内可能仅仅是墙角附有水雾，从外观上影响视觉美观效果。但是如果立足长远房屋的使用来说，冷桥现象的存在很容易导致房屋在长期使用后，由于长久的水雾积攒，导致墙角位置出现霉变、墙皮脱落等情况。

由表1 可知，在充放电倍率相同时，流动方式4的

和方式3接近，明显低于方式1和2，且Δ

明显低于其他3 种方式。如1.5 C 放电时，流动方式1、2、3和4的

和Δ

分别为37.6 ℃和5.1 ℃、41.5 ℃和10.5 ℃、36.6 ℃和5 ℃、36.8 ℃和3.6 ℃，因此流动方式4的热管理效果最好。

冷却过程中油采用Z字型流动(方式3和4)时相较于同侧流入流出(方式1和2)由于流程更长，流动更加充分，油与电池模组间换热也更加充分，故热管理效果明显更好；且由于模组底部与容器底部紧贴，而模组顶部与容器顶部有间隙，故油从上方进入时较下方进入流动更加均匀，因而方式2相较方式1的Δ

更小。所以方式4即异侧上进下出的流动方式热管理效果最好。

3 结 论

本工作对NCM811高比能21700锂离子电池模组在绝缘油浸没式冷却条件下的温度场特性进行了实验研究。分别测试了充放电倍率为1 C、1.25 C和1.5 C 时不同因素对绝缘油浸没式冷却条件下温度场特性的影响，根据实验结果所得到的主要结论如下。

（1）绝缘油静态冷却时，相对于自然对流冷却，ICS对于模组热管理表现提升明显，且随着

的增大，系统的热管理表现同样在提升。同时由于冷却性能限制，在放电倍率达到1.5 C 时，

为0.2、0.5 和1 均不能满足热管理需求，应用过程中应避免以上工况。环境温度的变化对ICS表现的影响同样明显。在

= 1 时，当环境温度从15 ℃上升至30 ℃，不同充放电倍率下模组

和Δ

均明显上升，

为15～30 ℃均应避免1.5 C放电，

= 30 ℃时应避免1.5 C 充电和高于1.25 C放电。

（2）绝缘油动态冷却时，随着

和

的增加以及进出口方式的改变，不同充放电倍率下ICS的热管理表现同样在提升，模组

和Δ

整体随之降低。且在相同充放电倍率下，

和进出口方式的改变对绝缘油浸没式冷却条件下电池模组温升及温度均匀性影响明显大于

的改变。如在1.5 C放电时，当进出口方式从方式2 变为方式4，

和Δ

分别降低了4.7 ℃和6.9 ℃；当

从3 mL/s增加至12 mL/s，

和Δ

分别降低了4.6 ℃和3.9 ℃；与之相对应的是，当

从0.2 增加至1，

和Δ

分别降低了1.9 ℃和2.4 ℃。

[1] ANSELMA P G,KOLLMEYER P,LEMPERT J,et al.Battery stateof-health sensitive energy management of hybrid electric vehicles:Lifetime prediction and ageing experimental validation[J]. Applied Energy,2021,285:doi:10.1016/j.apenergy.2021.116440.

[2] WANG H M, SHI W J, HU F, et al. Over-heating triggered thermal runaway behavior for lithium-ion battery with high nickel content in positive electrode[J]. Energy, 2021, 224: doi: 10.1016/j.energy.2021.120072.

[3] 朱鸿章, 吴传平, 周天念, 等. 磷酸铁锂和三元锂电池外部过热条件下的热失控特性[J].储能科学与技术,2022,11(1):201-210.ZHU H Z, WU C P, ZHOU T N, et al. Thermal runaway characteristics of LiFePO

and ternary lithium batteries with external overheating[J]. Energy Storage Science and Technology,2022,11(1):201-210.

[4] HANNAN M A, AL-SHETWI A, BEGUM R A, et al. The value of thermal management control strategies for battery energy storage in grid decarbonization: Issues and recommendations[J].Journal of Cleaner Production, 2020, 276: doi: 10.1016/j.jclepro.2020.124223.

[5] ZHANG Y T, ZUO W, E J Q, et al. Performance comparison between straight channel cold plate and inclined channel cold plate for thermal management of a prismatic LiFePO

battery[J].Energy,2022,248:doi:10.1016/j.energy.2022.123637.

[6] 刘彬, 胡子强, 李夔宁, 等. 基于大平板热管的电池热管理实验及仿真[J].储能科学与技术,2021,10(4):1364-1373.LIU B, HU Z Q, LI K N, et al. Experimental and simulation on battery thermal management based on a large flat heat pipe[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(4):1364-1373.

[7] YUE Q L, HE C X, WU M C, et al. Advances in thermal management systems for next-generation power batteries[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2021, 181: doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121853.

[8] NA X Y,KANG H F,WANG T,et al.Reverse layered air flow for Liion battery thermal management[J]. Applied Thermal Engineering,2018,143:257-262.

[9] SHARMA D K, PRABHAKAR A. A review on air cooled and air centric hybrid thermal management techniques for Li-ion battery packs in electric vehicles[J]. Journal of Energy Storage, 2021, 41:doi:10.1016/j.est.2021.102885.

[10]LUO J,ZOU D Q, WANG Y S,et al.Battery thermal management systems (BTMs) based on phase change material (PCM): A comprehensive review[J]. Chemical Engineering Journal, 2022,430:doi:10.1016/j.cej.2021.132741.

[11]王海民, 王寓非, 胡峰. 石墨-石蜡复合相变材料的圆柱型动力电池组热管理性能[J].储能科学与技术,2021,10(1):210-217.WANG H M, WANG Y F, HU F. Thermal management performance of cylindrical power batteries made of graphite paraffin composite phase change materials[J]. Energy Storage Science and Technology,2021,10(1):210-217.

[12]刘丽辉, 莫雅菁, 孙小琴, 等. 板式相变储能单元的蓄热特性及其优化[J].储能科学与技术,2020,9(6):1784-1789.LIU L H, MO Y J, SUN X Q, et al.Thermal storage characteristics and optimization of plate-type phase change energy storage unit[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(6):1784-1789.

[13]WANG Y W, JIANG J M, CHUNG Y H, et al. Forced-air cooling system for large-scale lithium-ion battery modules during charge and discharge processes[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2019,135(5):2891-2901.

[14]LING Z Y, WANG F X, FANG X M, et al. A hybrid thermal management system for lithium ion batteries combining phase change materials with forced-air cooling[J].Applied Energy, 2015,148:403-409.

[15]WU S Q, LAO L, WU L, et al. Effect analysis on integration efficiency and safety performance of a battery thermal management system based on direct contact liquid cooling[J].Applied Thermal Engineering, 2022, 201: doi: 10.1016/j.applthermaleng.2021.117788.

[16]E J Q, XU S J, DENG Y W, et al. Investigation on thermal performance and pressure loss of the fluid cold-plate used in thermal management system of the battery pack[J]. Applied Thermal Engineering,2018,145:552-568.

[17]王翔, 徐晶, 丁亚军, 等. 基于VCALB 的电池模组液冷管道优化设计[J].储能科学与技术,2022,11(2):547-552.WANG X, XU J, DING Y J, et al. Optimal design of liquid cooling pipeline for battery module based on VCALB[J]. Energy Storage Science and Technology,2022,11(2):547-552.

[18]AN Z J, JIA L, LI X J, et al. Experimental investigation on lithiumion battery thermal management based on flow boiling in minichannel[J].Applied Thermal Engineering,2017,117:534-543.

[19]WANG C, ZHANG G Q, LI X X, et al. Experimental examination of large capacity LiFePO

battery pack at high temperature and rapid discharge using novel liquid cooling strategy[J]. International Journal of Energy Research,2018,42(3):1172-1182.

[20]罗卜尔思.电动汽车动力电池直接接触式液冷系统的研究[D].广州:华南理工大学,2016.LUO B. Research of electric vehicle liquid cooling system which directly contact with battery pack[D]. Guangzhou: South China University of Technology,2016.

[21]WANG Y B, RAO Z, LIU S C, et al. Evaluating the performance of liquid immersing preheating system for lithium-ion battery pack[J]. Applied Thermal Engineering, 2021, 190: doi: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116811.

[22]WANG H T, TAO T, XU J, et al. Thermal performance of a liquidimmersed battery thermal management system for lithium-ion pouch batteries[J]. Journal of Energy Storage, 2022, 46: doi:10.1016/j.est.2021.103835.