李 尉, 宋保維, 胡欲立

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密閉電池艙段溫度場數(shù)值仿真

李 尉, 宋保維, 胡欲立

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

針對(duì)鋰離子電池在密閉電池艙段內(nèi)大功率、長時(shí)間連續(xù)組合放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量, 可能嚴(yán)重影響電池艙段的工作效率和安全性能的問題, 采用ANSYS軟件對(duì)水下航行器電池艙段內(nèi)部溫度場分布建立了數(shù)學(xué)模型, 并進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果顯示, 水下航行器電池艙段以40 A連續(xù)工作2.5 h時(shí), 最高溫度低于臨界溫度(150 ℃), 表明鋰離子電池組在該工況下能夠維持熱安全。

水下航行器; 鋰離子電池; ANSYS軟件; 溫度場

0 引言

電動(dòng)力水下航行器與熱動(dòng)力水下航行器相比, 具有噪聲低、無航跡、性能不受航深影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn), 得到了廣泛應(yīng)用。為使電動(dòng)力水下航行器有較遠(yuǎn)的航程, 可使用比能高的鋰離子電池作為能源[1], 但受水下航行器空間所限, 電池艙段的散熱條件較差, 勢必影響到鋰離子電池性能和使用的安全性, 因此有必要對(duì)電池艙段進(jìn)行熱分析。

目前, 對(duì)鋰離子電池的熱分析主要集中在對(duì)單個(gè)鋰離子電池的熱分析上[2-3], 對(duì)鋰離子電池成組后的熱分析未見有文獻(xiàn)報(bào)道。本文應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS[4]和文獻(xiàn)[3]對(duì)單個(gè)鋰離子電池?zé)岱治龅姆椒? 對(duì)水下航行器電池艙段鋰離子電池組所產(chǎn)生的溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 導(dǎo)熱微分方程

電池艙段3D導(dǎo)熱的微分方程為

式中:為導(dǎo)熱材料密度;為導(dǎo)熱材料比熱比;為熱導(dǎo)率;為溫度;為時(shí)間;為電池單位體積的發(fā)熱功率, 由文獻(xiàn)[3]給出。

1.2 邊界條件

1.2.1 電池艙段殼體

1.2.2 電池艙段前端

在電池艙段前端, 電池艙段的空氣向航行器前段的空氣進(jìn)行傳熱, 此處邊界條件為第2類邊界條件。假設(shè)電池艙段前段的空氣為290 K, 電池艙段前端邊界條件近似為[5]

1.2.3 電池艙段后端

在電池艙段后端, 電池艙段的空氣向航行器后段的空氣進(jìn)行傳熱, 此處邊界條件為第2類邊界條件?？紤]到航行器后段有推進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的熱量, 為簡便起見, 邊界條件形式如式(2), 僅將傳熱系數(shù)減小。因此, 電池艙段后端邊界條件近似為

2 溫度場仿真結(jié)果與分析

2.1 實(shí)體模型的網(wǎng)格生成

本文以電動(dòng)力水下航行器為例, 應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其電池艙段的溫度場進(jìn)行了仿真。該水下航行器動(dòng)力電池采用ICR65/400型鋰離子電池, 其標(biāo)稱容量100 Ah; 儀表電池采用ICR50/ 380型鋰離子電池, 其標(biāo)稱容量60 Ah。電池組實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 電池組有限元實(shí)體模型

對(duì)電池組的實(shí)體建模作如下簡化。

1) 電池艙段內(nèi)各種螺紋、接線柱以及導(dǎo)線對(duì)電池溫度場的影響非常小, 故建模時(shí)省略這些結(jié)構(gòu); 2) 由于電池架的尺寸較電池艙段的半徑小得多, 因此電池架對(duì)電池溫度場的影響也非常小, 建模時(shí)也將其省略。

采用自由法對(duì)電池組和電池艙段進(jìn)行了網(wǎng)格劃分, 網(wǎng)格生成如圖2和圖3所示。

2.2 仿真結(jié)果及分析

水下航行器工作時(shí)動(dòng)力電池組以40 A電流放電, 儀表電池組以15 A電流放電, 由文獻(xiàn)[3]可得到此時(shí)電池單位體積的發(fā)熱功率。

圖2 電池組有限元網(wǎng)格生成

由ANSYS軟件仿真得到水下航行器航行0.5 h, 1 h, 1.5 h, 2 h和2.5 h(動(dòng)力電池組放電截止時(shí)刻)時(shí)電池組的溫度場, 如圖4~圖8所示, 電池艙段兩端的溫度場如圖9和圖10所示, 電池組中心溫度隨時(shí)間變化的曲線圖如圖11所示。

從圖4~圖8中可以看出, 放電0. 5 h時(shí)電池組的最高溫度為21.15 ℃, 最低溫度為22.96 ℃; 放電1 h時(shí)電池組的最高溫度為25.26 ℃, 最低溫度為29.15 ℃; 放電1.5 h時(shí)電池組的最高溫度為29.25 ℃, 最低溫度為35.57 ℃; 放電2 h時(shí)電池組的最高溫度為33.15 ℃, 最低溫度為42.12 ℃; 放電2.5 h時(shí)電池組的最高溫度為36.97 ℃, 最低溫度為48.75 ℃。由此可得到, 隨著水下航行器工作時(shí)間的增加, 電池組的溫度是升高的。動(dòng)力電池組放電截止時(shí), 即2.5 h時(shí), 電池組最高溫度僅為48.75 ℃, 表明在此放電速率下, 即動(dòng)力電池組和儀表電池組都以0.4 CA放電, 水下航行器所使用的鋰離子電池組是安全的。還可以看出, 隨著放電時(shí)間的增加, 電池組溫度的均勻性逐漸變差; 靠近電池艙段殼體的電池溫度相對(duì)較低, 放電截止時(shí)比電池組的中心溫度低3 ℃左右; 動(dòng)力電池組的溫度明顯高于儀表電池組的溫度, 在兩者的交界處有明顯的溫度變化。從圖9和圖10中可以看出, 電池艙段后端的溫度明顯要比前端的溫度要高。從圖11中可以看出, 電池內(nèi)部的溫度在放電的過程中是直線升高的。

圖3 電池艙段有限元網(wǎng)格生成

圖4 放電0.5 h時(shí)電池組溫度場云圖

圖5 放電1 h時(shí)電池組溫度場云圖

圖6　放電1.5 h時(shí)電池組溫度場云圖

圖7 放電2 h時(shí)電池組溫度場云圖

圖8 放電2.5 h時(shí)電池組溫度場云圖

圖9 電池艙段后端溫度場云圖

圖10 電池艙段前端溫度場云圖

圖11 電池組中心溫度隨時(shí)間的變化

3 結(jié)束語

隨著對(duì)海洋的開發(fā)和利用, 電動(dòng)力水下航行器的應(yīng)用更廣泛, 對(duì)使用高比能鋰離子電池的安全性越來越被重視, 尤其是鋰離子電池成組后的安全性更為重要。

本文應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS, 利用對(duì)單體鋰離子電池發(fā)熱機(jī)理研究的結(jié)果, 對(duì)選用的水下航行器電池艙段的溫度場進(jìn)行了數(shù)值仿真,由此得到了該型水下航行器使用的鋰離子電池組是安全的。本文工作只是對(duì)數(shù)值仿真鋰離子電池組的溫度場進(jìn)行了初步探索。

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Numerical Simulation on Temperature Field inside Sealed Battery Chamber

LI Wei, SONG Bao-wei, HU Yu-li

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

When a Li-ion battery bank discharges continuously at large power inside a sealed battery chamber for a long time, much heat energy will be produced and accumulated, which may cause batteries leaking, metamorphosing, exploding, and so on, and further decrease the efficiency and safety of the battery bank. So it is necessary to investigate the temperature field inside the chamber. This paper establishes a finite element model with the software ANSYS to simulate the temperature field distribution inside the battery chamber of an underwater vehicle. Simulation result indicates that the maximum temperature is lower than the critical temperature of 150 ℃ when the battery bank discharges for 2.5 hours at 40 A.

underwater vehicle; Li-ion battery; software ANSYS; temperature field

TJ630.32; TM912.9

A

1673-1948(2011)04-0295-04

2011-07-04;

2011-07-25.

李 尉(1963-), 男, 在讀博士, 主要研究領(lǐng)域?yàn)槲淦飨到y(tǒng)與運(yùn)用工程.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)