盛兆華, 劉亞兵, 楊 軍

小型UUV電池組熱仿真與試驗(yàn)

盛兆華, 劉亞兵, 楊 軍

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所昆明分部, 云南昆明, 650106)

小型無(wú)人水下航行器(UUV)電池組一般使用18650鋰離子電池成組, 其產(chǎn)熱特性直接影響使用性能與熱安全。為了更好地指導(dǎo)電池組的散熱設(shè)計(jì)和安全策略制定, 深入研究其產(chǎn)熱特性十分重要。文中搭建了圓柱形鋰離子電池單體等效電路-熱耦合模型, 辨識(shí)了18650電池單體等效電路參數(shù)和熱參數(shù)。針對(duì)小型UUV電池組進(jìn)行了熱仿真和試驗(yàn)研究, 結(jié)果顯示仿真和試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高, 證明了等效電路-熱耦合模型的有效性, 可為UUV電池組熱管理提供技術(shù)參考。

無(wú)人水下航行器; 電池組; 熱仿真; 等效電路-熱耦合模型

0 引言

鋰離子電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、比能量高、平臺(tái)電壓高等優(yōu)點(diǎn), 在各類(lèi)水下航行器能源系統(tǒng)使用較為廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中, 小型無(wú)人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)因艙段直徑較小, 導(dǎo)致空間小、熱容小, 經(jīng)常出現(xiàn)鋰電池組因大電流長(zhǎng)時(shí)間放電造成電子組件異常等情況, 所以鋰電池組設(shè)計(jì)不僅要考慮電管理, 更要重視熱管理。

鋰離子電池組充放電過(guò)程是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程, 其性能與電池單體中電解液特性、活性物質(zhì)數(shù)量、物化反應(yīng)條件、充放電倍率、溫度、荷電狀態(tài)以及內(nèi)阻等因素息息相關(guān), 具有較強(qiáng)的非線(xiàn)性特性, 建立較為精確、適用的熱模型絕非易事。目前, 常用的電池?zé)崮Ｐ徒Ｍ緩接须娀瘜W(xué)建模、試驗(yàn)建模、等效電路-熱耦合建模3種[1-4]。

1) 電化學(xué)模型建立在電化學(xué)理論基礎(chǔ)上, 分析電池內(nèi)部的化學(xué)成分在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的作用和工作時(shí)電池化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)熱過(guò)程。甘云華等[5]、李頂根等[6]使用COMSOL軟件電化學(xué)仿真模塊建立了鋰電池電化學(xué)-熱耦合模型, 分析不同工況下的產(chǎn)熱特性。湯依偉等[7]基于電化學(xué)熱耦合模型研究了動(dòng)力鋰離子電池高倍率充放電過(guò)程弛豫行為, 還分析了放電倍率、冷卻條件對(duì)電池溫度變化及分布的影響規(guī)律[8]。從理論上講, 電化學(xué)模型最為精準(zhǔn), 但不同廠(chǎng)家不同型號(hào)電池正負(fù)極漿料配比等參數(shù)難以確定, 建模難度大, 科學(xué)研究具有一定價(jià)值, 但工程應(yīng)用中一般不采用該方法。

2) 試驗(yàn)建模是通過(guò)收集大量電池單體在不同溫度、充放電方式、充放電倍率下的溫度數(shù)據(jù), 利用大數(shù)據(jù)比對(duì)進(jìn)行擬合建模。王明強(qiáng)等[9]在恒流充放電、開(kāi)啟冷卻液條件下進(jìn)行了三元鋰離子動(dòng)力電池組發(fā)熱功率試驗(yàn)測(cè)試。王子緣等[10]對(duì)18650電池進(jìn)行了壓降、溫度和瞬時(shí)功率分析, 測(cè)試得出實(shí)際功耗。Quinn等[11]對(duì)比分析了18650電池和21700電池的內(nèi)阻及不同放電倍率下電壓平臺(tái)及溫升情況。很明顯, 這種建模方法具有較大工程應(yīng)用價(jià)值, 但耗時(shí)耗力, 經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高。

3) 等效電路-熱耦合模型是一種理論公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的熱模型, 通過(guò)不同溫度下少量電池充放電數(shù)據(jù), 辨識(shí)模型參數(shù), 即可建立較為精準(zhǔn)的熱模型, 能夠反應(yīng)電池充放電特性和溫升情況。程夕明[12]、陳英杰[13]、侯永濤[14]等提出熱模參數(shù)估計(jì)方法。閆回想等[15]建立了鋰離子電池2階Thevenin模型, 通過(guò)混合功率脈沖特性(hy- brid pulse power characteristic, HPPC)試驗(yàn)對(duì)電池模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí), 驗(yàn)證參數(shù)辨識(shí)有效性。Lin等[16]建立了圓柱形鋰離子電池的集中參數(shù)電-熱模型, 通過(guò)試驗(yàn)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行識(shí)別, 對(duì)模型動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析。

在水下航行器電池組熱仿真方面, 王艷峰[17]采用數(shù)值仿真和試驗(yàn)測(cè)量方法較為全面地研究了放電電流、空氣對(duì)流換熱強(qiáng)度對(duì)電池溫度特性的影響, 還提出鋁基ABS/PPS電池架、熱管及石蠟相變等強(qiáng)化散熱解決方案。楊威等[18]使用COMSOL軟件對(duì)某50 kg水下航行器電池組在多航速下的電池溫度場(chǎng)進(jìn)行分析, 獲得不同工況下的溫度分布。

文章首先建立圓柱形鋰離子電池等效電路-熱耦合模型, 給出等效電路參數(shù)詳細(xì)辨識(shí)方法; 其次針對(duì)某型18650電池, 詳述內(nèi)部結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)的確定方法, 并對(duì)其進(jìn)行熱仿真, 得出放電倍率與溫度變化規(guī)律; 最后, 對(duì)某小型UUV電池組進(jìn)行整組熱分析, 并搭建試驗(yàn)平臺(tái), 進(jìn)行電池組放電試驗(yàn), 通過(guò)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析, 證實(shí)了等效電路-熱耦合模型的有效性。

1 電池單體熱模型

1.1 等效電路-熱耦合模型

電池等效電路為

以圓柱形鋰離子電池為例, 其熱模型為

電池表面采用熱流邊界, 邊界條件為

由式（1）和式（3）可以看出, 等效電路和熱模型是通過(guò)溫度和產(chǎn)熱量進(jìn)行耦合的。

1.2 等效電路參數(shù)辨識(shí)

等效電路中, 需對(duì)開(kāi)路電壓、歐姆內(nèi)阻、極化電阻和極化電容進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。

圖1為典型脈沖放電電壓曲線(xiàn)。圖中: 點(diǎn)之前電池處于長(zhǎng)時(shí)間擱置狀態(tài), 電流為0, 電池內(nèi)部極化效應(yīng)逐步減弱, 到點(diǎn)時(shí)內(nèi)部極化效應(yīng)基本消失, 可認(rèn)為極化電壓為0;段是0.5C放電開(kāi)始瞬間電壓變化, 可認(rèn)為是在歐姆電阻上的壓降;段是放電一段時(shí)間后電壓變化, 可看作RC環(huán)零狀態(tài)響應(yīng);段是放電結(jié)束瞬間的電壓變化;段是放電結(jié)束后擱置期間的電壓變化, 此時(shí)電流為0, 可看作RC環(huán)零輸入狀態(tài)響應(yīng)。

通過(guò)最小二乘擬合法, 可求出RC環(huán)極化電阻和電容, 而歐姆內(nèi)阻可通過(guò)段或段的壓降計(jì)算, 即

圖1 脈沖放電電壓曲線(xiàn)

1.3 熱參數(shù)確定

圓柱形電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般由正極集流體、負(fù)極集流體、正極材料、負(fù)極材料和隔膜卷繞而成, 電池徑向和軸向?qū)嵯禂?shù)各向異性。為了提高模型的實(shí)用性和求解的收斂速度, 對(duì)電池的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)均一化處理。

電池密度為

電池比熱容為

電池各向?qū)嵯禂?shù)為

2 18650電池單體熱仿真

采用上述等效電路-熱耦合模型, 通過(guò)少量電池單體充放電數(shù)據(jù), 識(shí)別等效電路-熱耦合模型中的關(guān)鍵參數(shù), 通過(guò)熱仿真得出放電倍率對(duì)溫度的影響規(guī)律。

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)

18650電池制造工序包括配料、涂布、卷繞、入殼等, 其中, 涂布是將正負(fù)極配料均勻的噴涂在正負(fù)極集流體上, 卷繞是將隔膜、正極片和負(fù)極片通過(guò)卷繞機(jī)制成單個(gè)卷芯。電池生產(chǎn)廠(chǎng)家工藝不同, 卷繞層數(shù)略有不同, 一般范圍在20～24層之間。表1為某型18650電池(3.4 Ah)各結(jié)構(gòu)層材料、厚度和物理參數(shù), 經(jīng)計(jì)算, 該電池卷繞層數(shù)達(dá)22層。

表1 某18650電池各結(jié)構(gòu)層材料、厚度和物理參數(shù)

由式(8)～式(11)得出電池密度為2 415 kg/m3, 電池比熱容為1 036 J/(kg·K), 電池徑向?qū)嵯禂?shù)為0.7395 W/(m·K), 軸向?qū)嵯禂?shù)為92.295 W/(m·K)。

對(duì)該電池進(jìn)行倍率0.05C放電測(cè)試, 放電數(shù)據(jù)經(jīng)5次多項(xiàng)式擬合, 得出開(kāi)路電壓對(duì)該電池進(jìn)行不同溫度下恒流脈沖放電測(cè)試, 數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。

為了便于零狀態(tài)和零輸入響應(yīng)擬合, 取等效電路RC環(huán)個(gè)數(shù)為2。極化電阻與SOC和溫度都呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性, 擬合關(guān)系式為

極化電容與SOC和溫度都呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性, 擬合關(guān)系式為

2.2 有限元熱仿真

通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行熱耦合模型計(jì)算, 步驟如下。

1) 建立幾何模型。18650電池呈圓柱狀, 拉伸實(shí)體, 直徑0.018 m, 高0.065 m。

2) 創(chuàng)建材料屬性。根據(jù)表1參數(shù)經(jīng)式(10)和式(11)計(jì)算得到電池單體各向?qū)嵯禂?shù)見(jiàn)表2。創(chuàng)建密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)3個(gè)材料屬性, 其中導(dǎo)熱系數(shù)各向異性, 材料屬性賦于幾何模型。

表2 18650電池?zé)嵛飳傩?/p>

3) 創(chuàng)建裝配體。

4) 創(chuàng)建分析步。創(chuàng)建熱傳導(dǎo)分析步, 步數(shù)120。

5)創(chuàng)建相互約束。單節(jié)18650電池單體內(nèi)部生熱, 通過(guò)表面與空氣熱對(duì)流、熱輻射2種途徑散熱, 相互約束考慮表面對(duì)流和熱輻射。設(shè)定表面對(duì)流傳熱系數(shù), 圓柱面10 W/(m·K), 兩端面20 W/(m·K), 環(huán)境溫度20℃; 黑度0.9, 環(huán)境溫度20℃。

6) 創(chuàng)建邊界條件及載荷。預(yù)定義初始溫度場(chǎng)20℃, 通過(guò)用戶(hù)子程序創(chuàng)建體熱流載荷, 單位體積產(chǎn)熱量為

7) 劃分網(wǎng)格。使用單元類(lèi)型熱傳導(dǎo)專(zhuān)用網(wǎng)格DC3D8。

8) 創(chuàng)建分析任務(wù)。選擇用戶(hù)子程序分析。

2.3 仿真結(jié)果

電池單體不同放電倍率下仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖3。由圖可知, 隨著放電倍率增加, 電池溫升速率顯著增快, 這是因?yàn)楫a(chǎn)熱量與放電電流平方相關(guān)。整個(gè)放電周期內(nèi), 電池溫升呈現(xiàn)先快后慢再快的趨勢(shì), 這主要與歐姆電阻和極化電阻隨SOC和溫度變化有關(guān)。放電初期, 溫度較低, 歐姆電阻和極化電阻阻值較大, 產(chǎn)熱量較大, 電池表現(xiàn)溫升較快; 放電中期, 隨著溫度上升, SOC下降, 歐姆電阻和極化電阻阻值減小, 產(chǎn)熱量降低, 電池表現(xiàn)溫升變慢; 放電后期, 溫度對(duì)歐姆電阻和極化電阻阻值影響甚微, SOC起主導(dǎo)作用。隨著荷電狀態(tài)下降, 極化電阻阻值增加, 導(dǎo)致產(chǎn)熱量增大, 電池溫升變快。

圖3 不同放電倍率下18650電池單體表面最高溫度溫升曲線(xiàn)

3 電池組熱仿真與試驗(yàn)

3.1 三維結(jié)構(gòu)

考慮到經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性, 小型UUV電池組設(shè)計(jì)一般采用18650聚合物鋰離子單體電池成組。電池由保持架固定, 保持架設(shè)計(jì)有燕尾卡槽, 可拼接, 滿(mǎn)足任意形狀和尺寸的拼接需求。在電池正負(fù)極集流體點(diǎn)焊鎳片將電池串并聯(lián), 組成單元電池。單元電池裝入電池架, 組裝為電池組。

圖4為某小型UUV電池組三維布局。電池組28并7串, 共使用196節(jié)18650電池。電池架采用尼龍材料, 滿(mǎn)足強(qiáng)度的同時(shí)質(zhì)量較輕, 且具有極佳絕緣性能, 缺點(diǎn)是材料導(dǎo)熱性能較差。

圖4 某小型UUV電池組結(jié)構(gòu)

3.2 有限元熱仿真

電池組放置于UUV能源艙段內(nèi), 忽略艙內(nèi)空氣熱對(duì)流, 僅考慮熱傳導(dǎo)過(guò)程, 建模需要考慮艙內(nèi)空氣。有限元仿真步驟與電池單體基本相同, 不同之處如下。

1) 建立幾何模型。模型由艙段殼體、電池架、空氣和196枚18650電池組成。

2) 創(chuàng)建材料屬性。創(chuàng)建鋁合金、空氣和尼龍材料屬性見(jiàn)表3, 連同表2電池相關(guān)材料屬性一同賦于幾何模型。

表3 材料熱物屬性

3) 創(chuàng)建相互約束。艙段殼體、電池架、18650電池以及空氣兩兩之間建立綁定約束, 用于傳遞界面溫度。艙段殼體外側(cè)浸入海水中, 考慮與海水表面對(duì)流, 設(shè)定表面對(duì)流傳熱系數(shù)30 W/(m·K), 環(huán)境溫度15℃。

3.3 仿真結(jié)果

不同放電倍率下電池組仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。每幅圖從左到右依次為電池組艙段軸側(cè)溫度場(chǎng)(不含空氣)、徑向截面溫度場(chǎng)和軸向截面溫度場(chǎng)。從仿真結(jié)果看出: 1) 4種放電倍率下溫度場(chǎng)分布類(lèi)似, 電池組內(nèi)部中心溫度最高, 最高溫度分別為26.8℃、51.3℃、79.4℃和108.1℃, 溫度由中心向周?chē)鸩浇档? 兩端電池單體與中心處電池單體溫差較大, 上方空氣平均溫度分別為20.9℃、33.4℃、47.5℃和61.9℃; 2) 2C放電倍率下, 中心最高溫度108.1℃,已達(dá)到鋰離子電池?zé)崾Э爻跫?jí)階段, 可能造成固體電解質(zhì)界面(solid electrolyte interphase, SEI)膜分解和破壞, 存在熱失控風(fēng)險(xiǎn); 3) 艙段殼體、電池架與電池單體溫差較大, 說(shuō)明電池架尼龍材料導(dǎo)熱性能較差, 無(wú)法將電池單體產(chǎn)熱傳導(dǎo)至艙段殼體; 4) 空氣熱阻較高, 電池單體產(chǎn)熱無(wú)法有效傳導(dǎo)至艙段殼體, 造成艙段內(nèi)空氣平均溫度較高, 可能影響上方電子組件的工作性能。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

搭建如圖6所示放電試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)由電池組、接觸器、電子負(fù)載和線(xiàn)纜組成, 接觸器用于回路接通和關(guān)斷, 可編程電子負(fù)載用于控制放電電流的大小。負(fù)極線(xiàn)纜連接電池組負(fù)極和電子負(fù)載負(fù)極, 正極電纜通過(guò)接觸器將電池組正極和電子負(fù)載正極相連。溫度成像選擇Fluke熱成像儀。

圖5 不同放電倍率下電池組溫度場(chǎng)云圖

圖 6 放電試驗(yàn)平臺(tái)

1C倍率放電結(jié)束時(shí), 電池組熱成像見(jiàn)圖7。電池組、線(xiàn)纜和接觸器都呈現(xiàn)出較高溫度, 電池組中心最高溫度為49.5～50.3℃, 與仿真結(jié)果相近。

4 總結(jié)與展望

文中首先搭建了圓柱形鋰離子電池單體等效電路-熱耦合模型, 對(duì)等效電路參數(shù)、熱參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)和確認(rèn)。其次, 對(duì)18650電池單體進(jìn)行熱仿真, 結(jié)果顯示電池單體溫升呈現(xiàn)先快后慢再快的趨勢(shì)。最后, 對(duì)小型UUV電池組進(jìn)行熱仿真和試驗(yàn)研究, 結(jié)果顯示仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高, 從而證明了等效電路-熱耦合模型有效性。后續(xù)工作將開(kāi)展熱失控機(jī)理、防控策略研究。以熱失控為特征的鋰離子電池安全事故時(shí)有發(fā)生, 故安全性是鋰離子電池大規(guī)模應(yīng)用過(guò)程首要解決的問(wèn)題, 后續(xù)將針對(duì)此方向開(kāi)展深入研究。

圖7 1C倍率放電結(jié)束時(shí)電池組熱成像

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Thermal Simulation and Experiment of Small UUV Battery Pack

SHENG Zhao-huaLIU Ya-bingYANG Jun

(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Kunming 650106, China)

Small unmanned undersea vehicles(UUVs) generally use 18650 lithium-ion battery packs, whose thermal characteristics directly affect the service performance and thermal safety of the UUVs. To design a heat dissipation system and develop a safety strategy for this battery pack, it is crucial to study its heat generation characteristics. In this study, an equivalent circuit-thermal coupled model of the cylindrical lithium-ion battery is established, and the equivalent circuit parameters and thermal parameters of the 18650 battery are identified. Further, a thermal simulation and experiment are performed on a small UUV battery pack, and the simulation results are in good agreement with the experimental results; thus, the validity of the equivalent circuit-thermal coupled model is proved. This study provides a technical reference for the thermal management of battery packs of undersea vehicles.

unmanned undersea vehicle; battery pack; thermal simulation; equivalent circuit-thermal coupled model

TJ630; TB131

A

2096-3920(2021)06-0725-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.012

盛兆華, 劉亞兵, 楊軍. 小型UUV電池組熱仿真與試驗(yàn)[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(6): 725-732.

2021-10-06;

2021-12-06.

盛兆華(1992-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向?yàn)樗潞叫衅鲃?dòng)力推進(jìn)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)