密閉電池艙段溫度場數值仿真

李 尉, 宋保維, 胡欲立

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密閉電池艙段溫度場數值仿真

李 尉, 宋保維, 胡欲立

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

針對鋰離子電池在密閉電池艙段內大功率、長時間連續組合放電時會產生大量熱量, 可能嚴重影響電池艙段的工作效率和安全性能的問題, 采用ANSYS軟件對水下航行器電池艙段內部溫度場分布建立了數學模型, 并進行了仿真分析。仿真結果顯示, 水下航行器電池艙段以40 A連續工作2.5 h時, 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

電動力水下航行器與熱動力水下航行器相比, 具有噪聲低、無航跡、性能不受航深影響、結構簡單等優點, 得到了廣泛應用。為使電動力水下航行器有較遠的航程, 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, 因此有必要對電池艙段進行熱分析。

目前, 對鋰離子電池的熱分析主要集中在對單個鋰離子電池的熱分析上[2-3], 對鋰離子電池成組后的熱分析未見有文獻報道。本文應用有限元分析軟件ANSYS[4]和文獻[3]對單個鋰離子電池熱分析的方法, 對水下航行器電池艙段鋰離子電池組所產生的溫度場進行了數值模擬。

1 數學模型的建立

1.1 導熱微分方程

電池艙段3D導熱的微分方程為

式中:為導熱材料密度;為導熱材料比熱比;為熱導率;為溫度;為時間;為電池單位體積的發熱功率, 由文獻[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行傳熱, 此處邊界條件為第2類邊界條件。假設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行傳熱, 此處邊界條件為第2類邊界條件。考慮到航行器后段有推進電機產生的熱量, 為簡便起見, 邊界條件形式如式(2), 僅將傳熱系數減小。因此, 電池艙段后端邊界條件近似為

2 溫度場仿真結果與分析

2.1 實體模型的網格生成

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

圖1 電池組有限元實體模型

對電池組的實體建模作如下簡化。

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

采用自由法對電池組和電池艙段進行了網格劃分, 網格生成如圖2和圖3所示。

2.2 仿真結果及分析

水下航行器工作時動力電池組以40 A電流放電, 儀表電池組以15 A電流放電, 由文獻[3]可得到此時電池單位體積的發熱功率。

圖2 電池組有限元網格生成

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(動力電池組放電截止時刻)時電池組的溫度場, 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時電池組的最高溫度為21.15 ℃, 最低溫度為22.96 ℃; 放電1 h時電池組的最高溫度為25.26 ℃, 最低溫度為29.15 ℃; 放電1.5 h時電池組的最高溫度為29.25 ℃, 最低溫度為35.57 ℃; 放電2 h時電池組的最高溫度為33.15 ℃, 最低溫度為42.12 ℃; 放電2.5 h時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間的增加, 電池組的溫度是升高的。動力電池組放電截止時, 即2.5 h時, 電池組最高溫度僅為48.75 ℃, 表明在此放電速率下, 即動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較低, 放電截止時比電池組的中心溫度低3 ℃左右; 動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 電池艙段有限元網格生成

圖4 放電0.5 h時電池組溫度場云圖

圖5 放電1 h時電池組溫度場云圖

圖6　放電1.5 h時電池組溫度場云圖

圖7 放電2 h時電池組溫度場云圖

圖8 放電2.5 h時電池組溫度場云圖

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間的變化

3 結束語

隨著對海洋的開發和利用, 電動力水下航行器的應用更廣泛, 對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。

本文應用有限元分析軟件ANSYS, 利用對單體鋰離子電池發熱機理研究的結果, 對選用的水下航行器電池艙段的溫度場進行了數值仿真,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。本文工作只是對數值仿真鋰離子電池組的溫度場進行了初步探索。

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[2] 王松蕊, 付亞娟, 盧立麗, 等. 鋰離子電池溫度變化熱模擬研究[J]. 電源技術, 2010, 34(1): 41-44. Wang Song-rui, Fu Ya-juan, Lu Li-li, et al. Research of Thermal Simulation on Temperature Changing of Li-ion Battery[J]. Chinese Journal of Power Source, 2010, 34(1): 41-44.

[3] 王晉鵬, 胡欲立. 鋰離子蓄電池溫度場分析[J]. 電源技術, 2008, 32(2): 120-121. Wang Jin-peng, HU Yu-li. Analysis on Temperature Field of Li-ion Battery[J]. Chinese Journal of Power Source, 2008, 32(2): 120-121.

[4] 李黎明. ANSYS有限元分析實用教程[M]. 北京: 清華大學出版社, 2005.

[5] 陶文銓. 傳熱學[M]. 西安: 西北工業大學, 2006.

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, 主要研究領域為武器系統與運用工程.

(責任編輯: 陳 曦)