正文鋰電池的熱管理實驗探究報告目錄TOC\o"1-3"\h\u13015鋰電池的熱管理實驗探究報告 140941.1.實驗系統(tǒng)及裝置 1173611.2.電池模塊組合 4141941.1.精度分析 572831.2.實驗內(nèi)容 59780實驗結(jié)果 6136482.1.無外部冷卻實驗結(jié)果 6160812.2.間接式液體冷卻熱管理系統(tǒng)性能分析 725592.1.質(zhì)量流量對實驗的影響 932842.2.熱管理系統(tǒng)中的變流量策略 10在得到電池在各放電倍率下的溫度特性后，發(fā)現(xiàn)電池在2C、3C的放電倍率下需要配置外部冷卻措施，因此本節(jié)將開展鋰電池的熱管理實驗研究1.1.實驗系統(tǒng)及裝置本次實驗的熱管理系統(tǒng)如圖4-1所示。該系統(tǒng)主要由儲液罐、蠕動泵、電池?zé)峁芾砟K、電池檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、冷凝管道、冷水機構(gòu)成，其中的主要數(shù)據(jù)采集形式是數(shù)采儀將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號在換算后顯示出來（得到的是溫度）。冷卻工質(zhì)從儲液罐流出，通過蠕動泵進入工質(zhì)入口，然后流進電池?zé)峁芾砟K，吸收熱量后再從工質(zhì)出口流入冷凝段，在冷凝段放出熱量之后流進流量計，最后返回儲液罐。圖4-1實驗系統(tǒng)示意圖蠕動泵的蠕動為系統(tǒng)提供動力，使工質(zhì)在系統(tǒng)中循環(huán)流動，工質(zhì)在熱管理模塊中吸收熱量后氣化，將熱量帶走，然后在冷凝段放出熱量液化，然后通過流量計再回到儲液罐中，在工質(zhì)的入口和出口處有對工質(zhì)溫度進行測量的設(shè)備，通過傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后換算成溫度數(shù)值，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上顯示出來。由于金屬鋁具有導(dǎo)熱性良好、機械加工容易以及密度小等優(yōu)點，本次實驗采用長為170mm、寬為152mm的鋁板作為基板，用銑床在上面精密加工均勻分布的12條寬為2mm深為1mm的矩形截面通道，再將厚度為1mm的鋁板壓焊在基板上得到圖示的冷板結(jié)構(gòu)。最后，將長為180mm，外徑為8mm的鋁管銑出寬為3mm，長為152mm的縫隙后于冷板連接起來得到最終的冷板結(jié)構(gòu)。圖4-2冷板內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖本實驗選用R141b作為冷卻工質(zhì)，該工質(zhì)對環(huán)境的污染小、不可燃燒、熱穩(wěn)定性好。而且其常壓下的沸點為32℃，與鋰離子電池的最佳放電溫度25-40℃相匹配，適合本次實驗。圖4-3冷卻工質(zhì)R141b表2R141b物化性質(zhì)物理量參數(shù)分子量116.95沸點℃32.05溶液比熱25℃[KJ/(Kg·℃)]1.16破壞臭氧潛能值（ODP）0.086全球變暖系數(shù)值（GWP）0.15沸點下蒸發(fā)潛熱KJ/Kg221.01.2.電池模塊組合由之前的單體電池放電實驗結(jié)果可以看出，電池在水平方向上和厚度上的溫度差別不大，而在垂直方向上的溫差比較大，因此只在電池的中點垂直方向上均勻布置3個熱電偶。熱管理實驗采用了將兩個電池串聯(lián)的方式，模擬電池實際工作時的情況。熱電偶布置點位如圖4-5所示。圖4-4電池冷卻實驗段實物圖圖4-5電池的熱電偶布置示意圖1.1.精度分析電池表面溫度的測量采用的時T型熱電偶。電池模塊的冷卻工質(zhì)入口、出口溫度有溫度傳感器測量。實驗系統(tǒng)的壓力由壓力傳感器測量。電池的電壓電流則是由電池測試平臺（BTS-60V100A）測得的。質(zhì)量流量由科式質(zhì)量流量計測得。表3總結(jié)了幾個主要設(shè)備的準(zhǔn)確性。本此實驗中，物理量大多都是測量參數(shù)，不確定度只與單個測量設(shè)備的準(zhǔn)確性有關(guān)。表3主要設(shè)備的準(zhǔn)確性參數(shù)不確定度溫度（T型熱電偶）±0.4°C溫度（溫度傳感器）±0.5%壓力（壓力傳感器）±1%電壓電流（電池測試平臺）±0.1%質(zhì)量流量（質(zhì)量流量計）±0.2%1.2.實驗內(nèi)容由于電池在1C放電的最高溫度與溫差都比較低，因此實驗只做2C和3C的熱管理，實驗具體內(nèi)容如下：1.對兩塊串聯(lián)的電池在2C和3C的放電倍率下，進行不通流量的放電實驗，測得電池溫度分布。2.對兩塊串聯(lián)的電池在2C和3C的放電倍率下，進行工質(zhì)流量為6Kg/h的熱管理實驗，測得電池溫度分布，探究本實驗外部冷卻措施的對電池溫度的影響。1.對兩塊串聯(lián)的電池在2C和3C的放電倍率下，進行工質(zhì)流量為11Kg/h的熱管理實驗，測得電池溫度分布，探究冷卻工質(zhì)質(zhì)量流量對電池溫度的影響。2.分析上述實驗數(shù)據(jù)，開展變冷卻工質(zhì)質(zhì)量流量的實驗研究。本章小結(jié)：本章設(shè)計了熱管理實驗的具體內(nèi)容，并對實驗系統(tǒng)進行了搭建。確定采用了以R141b作為冷卻工質(zhì)的液冷系統(tǒng)，并使用均勻冷板作為媒介傳遞電池放電時產(chǎn)生的熱量。將兩塊電池進行串聯(lián)模擬電池正常工作狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計將各個設(shè)備連接起來，搭建完成了實驗臺。4實驗結(jié)果2.1.無外部冷卻實驗結(jié)果a.電池A的溫度分布b.電池B的溫度分布圖4-12C放電倍率下電池的溫度分布圖4-1展示了A、B兩塊在無外部冷卻措施條件下2C放電的表面溫度分布。結(jié)果表明，兩塊電池的最大溫度都是50℃左右，最大溫差均為4℃左右，這與上文中單體電池溫度測試結(jié)果相似。a.電池A的溫度分布b.電池B的溫度分布圖4-23C放電倍率下電池的溫度分布3C放電時兩塊電池的最大溫度都為60℃，最大溫差都在7℃左右。串3C的最高溫度比2C的最高溫度要高10℃左右，最大溫差比2C的大4℃左右。雖然將兩塊電池進行了串聯(lián)，但是放電倍率對電池的產(chǎn)熱特性的影響還是相同的。隨著放電倍率的增加，電池的最高溫度以及最大溫差都會增大。無論是2C放電還是3C放電時，電池的最高溫度出現(xiàn)在了極耳的位置。由冷卻段結(jié)構(gòu)和測試結(jié)果可知，A和B兩塊電池在電池放電時的溫度特性相似，因此后文將主要分析電池A的實驗數(shù)據(jù)。2.2.間接式液體冷卻熱管理系統(tǒng)性能分析a.6Kg/h溫度分布b.最高溫度對比c.最大溫差對比圖4-32C放電倍率下溫度分布對比圖圖4-3展示了在2C的放電倍率下，當(dāng)通入的冷卻工質(zhì)流量為6Kg/h時的實驗結(jié)果。結(jié)果表明，電池的最高溫度為38℃左右，電池的最大溫差為1.5℃左右。與不通流量的2C溫度分布相比，最高溫度下降了14℃，最大溫差降低了1.5℃，此時最高溫度和最大溫差在電池的最佳工況范圍內(nèi)，滿足冷卻設(shè)計要求。a.6Kg/h溫度分布b.最高溫度對比c.最大溫差對比圖5-53C放電倍率下溫度分布對比在3C的放電倍率下，當(dāng)通入冷卻工質(zhì)流量為6Kg/h時，電池的最高溫度為43℃，最大溫差為1.5℃左右，與不通流量的3C溫度分布對比，最高溫度下降了17℃，最大溫差降低了3℃，滿足冷卻需要，但是最高溫度不夠理想，下一步將改變冷卻工質(zhì)的流量來對電池3C倍率的工況進行進一步的冷卻。2.1.質(zhì)量流量對實驗的影響在上一步的實驗中，發(fā)現(xiàn)3C放電倍率工況下，雖然當(dāng)冷卻工質(zhì)流量為6Kg/h時能滿足冷卻需要，但是散熱效果不是很理想，本節(jié)通過增加冷卻工質(zhì)的流量，來增強換熱能力。通過數(shù)據(jù)對比分析，判斷冷卻工質(zhì)流量對冷卻效果的影響。a.11Kg/h溫度分布b.最高溫度對比c.最大溫差對比圖5-63C放電倍率下的溫度分布在3C的放電倍率下，當(dāng)通入冷卻工質(zhì)流量為11Kg/h時，電池的最高溫度為39℃，最大溫差為3℃，比冷卻工質(zhì)流量為6Kg/h時的最高溫度降低2℃，最大溫差降低了0.5℃，滿足冷卻要求。但是當(dāng)流量從0Kg/h增加到6Kg/h時，最高溫度降低了18℃，最大溫差降低了3℃。可見增加流量雖然對冷卻效果有一定的提升，但是提升效果較少。這是因為當(dāng)電池的質(zhì)量流量提高時，冷卻通道內(nèi)單相冷卻將占據(jù)主導(dǎo)，雖然冷卻的增大提高了散熱能力，但是流動沸騰的減弱使得整體的效果提高的不明顯。同時，可以發(fā)現(xiàn)6Kg/h的工況下，電池的溫度在整體放電過程中基本在理想范圍內(nèi)，只是在放電后期時，電池的產(chǎn)熱密度較高，導(dǎo)致了溫度的值不理想。因此在放電整個過程中冷卻工質(zhì)均為11Kg/h是非常不經(jīng)濟的，因此我們考慮到可以通過變流量的冷卻策略來滿足電池不同放電時段的冷卻需要。2.2.熱管理系統(tǒng)中的變流量策略為了降低冷卻工質(zhì)的消耗同時不改變冷卻效果，需要對熱管理系統(tǒng)的冷卻工質(zhì)流量進行設(shè)計，采取變流量策略。從之前的實驗數(shù)據(jù)中可以看出，在3C的放電倍率下，雖然電池放電時溫度一直在升高，但是電池的溫度變化率在800s前都是減小的，在800s后電池的溫度變化率逐漸變大。因此，變流策略將對電池在3C放電倍率放電時的工質(zhì)流量進行調(diào)整，具體策略為在800s前采用6Kg/h的流量而在800s后將工質(zhì)流量提高到11Kg/h，調(diào)整后實驗結(jié)果如下。a.變質(zhì)量流量實驗溫度分布b.最高溫度對比c.最大溫差對比圖5-7變流量實驗溫度對比如圖所示，在采取了變流量設(shè)計后，電池的最高溫度約為41℃，最大溫差約為2℃。最高溫度比6Kg/h時的減少了2℃。從圖中可見溫度分布在800s時出現(xiàn)了一定的減小，但是效果不明顯。溫差呈先增大后減小的走向。在溫差方面，變流量策略的最大溫差要比6Kg/h減少了1.5℃。最大溫差比11Kg/h減少了0.5Kg/h，而根據(jù)質(zhì)量流量計算，冷卻工質(zhì)的消耗減少了1.78Kg。實驗結(jié)果滿足冷卻要求以及減少工質(zhì)消耗的要求。實驗結(jié)果表明采取變流量策略能有效的降低溫差，對最高溫度的影響不夠明顯。本章小結(jié)：本章對電池在無外部冷卻、有外部冷卻、增大流量以及變流量策略條件下進行了熱管理實驗。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在無外部冷卻時電池在2C倍率放電時的最高溫度和最大溫差分別為50℃和5℃。3C放電倍率時最高溫度和最大溫差分別為60℃和7℃。不在電池的最佳工作溫度范圍內(nèi)。因此需要對電池進行熱管理。而在有外部冷卻的情況下（6Kg/h）時電池在2C、3C的最大溫度在電池的最佳工作溫度范圍內(nèi)（分別為38℃和42℃），2C的最大溫差（1.5℃）在電池的最佳工作溫度范圍內(nèi)，但是3C的最大溫差（1.5℃）還不是很理想。之后對3C放電倍率工況進行了增加冷卻工質(zhì)流量（11Kg/h）的實驗，實驗結(jié)果表明增加冷卻工質(zhì)流量能降低最高溫度和最大溫差。但是對3C工況而言，冷卻工質(zhì)的流量增加了將近1倍但是冷卻的效果卻沒有那么明顯（最高溫度下降3℃，最大溫差下降1℃）?？梢娎鋮s工質(zhì)