電動力水下航行器電池組溫度場仿真

楊 威, 胡欲立, 劉鴻瑨

電動力水下航行器電池組溫度場仿真

楊 威, 胡欲立, 劉鴻瑨

(西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

電動力水下航行器航行中, 電池組存在因散熱不利而導致升溫迅速, 電池性能下降甚至發(fā)生爆炸等熱安全問題。文中基于電化學-熱耦合模型對水下航行器在多航速下的電池溫度場進行熱分析研究, 應用有限元分析軟件建立了18650型三元鋰離子電池的電化學-熱耦合模型, 通過實驗驗證了模型的精確性, 并對某型50 kg級水下航行器電池組的溫度場進行仿真計算, 獲取電池組在不同工況下的溫度分布。結果表明, 該電池模型能精確預測電池在放電過程中的溫度變化; 水下航行器電池組在工作時溫度隨航速增大而升高; 并確定了在3種工況下的溫度變化范圍及最高溫度位置。文中研究可為水下航行器電池組的熱分析提供參考。

電動力水下航行器; 鋰離子電池; 電化學-熱耦合模型; 電池組; 溫度

0 引言

鋰離子電池因具有比能量高, 工作溫度范圍寬等優(yōu)點, 被廣泛運用于電子產品、交通工具及航空航天等領域。近年來, 電動力水下航行器憑借其噪聲低, 結構簡單, 易充能等優(yōu)點得以迅速發(fā)展。其能量通常由單體電池成組提供, 而鋰電池成組使用會產生大量熱量, 同時水下航行器內部空氣流通差, 如果熱量不能很快傳遞出去, 將會導致電池組溫度迅速升高, 從而造成電池性能下降甚至發(fā)生爆炸[1]。對密閉艙段電池組溫度場進行熱分析, 可以獲取電池組在工作過程中溫度場分布情況, 確保電池組的安全及可靠性。

目前常用的電池溫度場計算模型有電化學-熱耦合模型和熱-電耦合模型[2]。上世紀90年代, Dolye等[3]建立了電池經典電化學模型, 并得以廣泛應用。Hosseinzadeh等[4]建立了一種53 Ah大尺寸鋰離子電池的電化學-熱耦合模型, 用于獲取單體電池在汽車測試工況下的放電特性及溫度特性。Ye等[5]對一種錳酸鋰電池建立了電化學-熱耦合模型并進行了實驗驗證, 結果吻合良好, 同時發(fā)現(xiàn)在高速充/放電(2C)過程中應采取適當?shù)睦鋮s方法。但是上述研究局限于單體電池, 并未對電池組的熱特性進行探究。因此, 文中以18650型三元鋰離子電池為對象, 應用有限元仿真軟件Comsol Multiphysics5.4建立該型電池的電化學-熱耦合模型, 并在恒溫條件下進行充放電實驗, 以驗證電池模型的準確性; 依據(jù)航行器技術要求構建電池組, 對航行器電池組的溫度場進行仿真計算, 從而獲取電池組在不同工況下的溫度分布, 以確保其熱安全性。

1 單體電池電化學-熱耦合模型

1.1 控制方程

文中基于多孔電極理論建立了所選鋰電池的電化學模型[3], 結構如圖1所示。

圖1 鋰電池電化學模型示意圖

該模型由一對正負極集電器、負極、隔膜和正極組成。電化學反應過程可用如下方程描述[4]。

固相擴散方程

式中:c為電極固體顆粒中的鋰離子濃度;為時間;D為鋰離子固相擴散系數(shù);為徑向粒子半徑。

液相擴散方程

由歐姆定律得固相電荷守恒方程

電解液電勢變化由歐姆電壓降和濃差極化過電勢造成, 有液相電荷守恒方程

Butler-Volmer方程

式中:0為交換電流密度;為過電位;為理想氣體常數(shù)。

交換電流密度

式中:0為反應速率系數(shù);為電極對應傳遞系數(shù)。可以看出,0與固相鋰離子濃度c和液相鋰離子濃度c有關。

過電位

式中, 等式右邊三項分別對應固相電勢、液相電勢和平衡電勢, 忽略固體電解質界面膜(solid el- ectrolyte interface, SEI)電阻影響。

充放電過程中包含三部分熱源, 分別為反應熱1, 極化熱2和歐姆熱3。鋰電池能量守恒可表示為[5-6]

其中

式中:A為活化比面積;loc為局部電流密度;OCV為開路電壓;為各向導熱率;為厚度;為溫度。

根據(jù)牛頓冷卻定律, 鋰電池的邊界條件

式中:amb為周圍環(huán)境溫度;surf為電池表面溫度;為電池外殼導熱系數(shù);為電池徑向矢量;為對流傳熱系數(shù)。

1.2 模型參數(shù)

關鍵模型參數(shù)見表1~表3[4-8]。表中, 電池熱物性參數(shù)經均一化處理, 由加權平均所得。

表1 一維電池模型參數(shù)

表2 電化學參數(shù)

表中

表3 電池熱物性參數(shù)

文中荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)定義為對應電極所含鋰離子濃度與對應電極最大鋰離子濃度之比[9]。且

式中:為該電極某時鋰離子濃度;max為電極最大鋰離子濃度。通過上述參數(shù)建立該型電池對應的電化學-熱耦合模型。

2 仿真模型實驗驗證

該型三元鋰電池標稱電壓3.6 V, 額定容量2.75 Ah, 放電截止電壓為2.7 V。實驗設備為恒溫箱、藍電電池測試系統(tǒng)CT2001C和激光測溫儀。通過恒溫條件下的放電實驗驗證電化學-熱耦合模型的準確性。

在23℃恒溫條件下進行電池的1C和0.75C放電測試, 獲取電池表面平均溫度。仿真與實驗擬合結果如圖2所示。

圖2 電池溫度擬合曲線

由圖2可見初始溫度相同, 單體電池在放電過程中溫度呈上升趨勢, 單位時間內電流越大, 溫度上升越快。0.75C和1C放電結束時電池溫度由初始的21.6℃分別上升至25.53℃和30.36℃。電化學-熱耦合模型溫度擬合準確性良好, 結果中最大相對誤差僅為約0.2%。

3 電池組溫度場仿真

3.1 電池組模型及邊界條件

水下航行器在航行過程中, 動力電機的功率隨航速變化而變化。電池組由動力電池組和儀器電池組構成, 其額定電壓皆為25.2 V。整個電池組分為6層, 動力電池組與儀器電池組各占3層。動力電池組采用先并聯(lián)后串聯(lián)的方式連接[10], 共7串27并; 儀器電池組為7串14并, 共287節(jié)電池。電池組結構如圖3所示。

圖3 電池組結構示意圖

用靜止流體的導熱系數(shù)來描述電池艙內密閉空氣的對流換熱[11], 鋰離子電池組與海水間的熱量傳遞過程主要為:

1) 電池組電池活性區(qū)域與中心鎳柱的導熱;

2) 電池組電池內部活性區(qū)域由內向外導熱;

3) 電池組外表面與艙內密閉空氣傳熱;

4) 艙內密閉空氣與電池艙內壁傳熱;

5) 電池艙段內壁與外壁的導熱;

6) 電池艙外壁與海水之間強制對流換熱。

上述過程中, 電池內部導熱過程簡化為常物性、有內熱源的均勻介質非穩(wěn)態(tài)傳熱問題, 電池產熱量由式(8)和式(9)計算可得, 忽略輻射換熱。

設定航行器初始溫度20℃, 海水溫度為15℃, 電池初始狀態(tài)為滿電, 截止工作電壓為2.7 V。航行器航速分別為5、7、10 kn時, 與工況對應的外殼與海水對流換熱系數(shù)經計算分別為4 223、6161、8 880 W/(m2·K)[1]。

對于儀器電池, 用電功率86.3 W, 可知單體電池放電電流為0.25 A; 對于動力電池, 航行器功率和速度的關系式

由此可得航行器航速為5、7、10 kn時, 單體電池對應的放電電流分別為0.33、0.9、2.62 A。

3.2 仿真結果分析

通過電化學-熱耦合模型可獲取不同航速下的動力電池和儀器產熱量如圖4所示。其中, 橫軸為放電深度(depth of discharge, DOD); 縱軸表示電池熱源大小, 正值表示放熱, 負值表示吸熱。

圖4 電池產熱量隨DOD變化曲線

從圖4(a)可知, 當<90%時, 5、7、10 kn的動力電池產熱量分別為0、1800、15000 W/m3。當>90%時, 由于電池內阻增大而導致產熱量極速上升至2 500、13 500、76 500 W/ m3。由圖4(b)可知, 儀器電池的電流不受航速變化影響, 產熱量保持在900 W/m3以內。

受電池產熱量影響, 電池組中2種電池的平均溫度隨DOD變化曲線如圖5所示。由圖可知, 動力電池溫度隨航速增加而上升, 當SOC低于0.2時, 動力電池內阻逐漸增大導致產熱量增加, 電池溫度上升趨勢增大。放電結束時, 動力電池平均溫度到達最大值, 分別為19.15℃, 26.1℃和39.8℃。儀器電池放電電流不隨航速變化而變化, 并且受動力電池限制, 不同工況下的DOD不同,其溫度受動力電池發(fā)熱影響導致隨航速增加而略微升高, 工作過程中最高平均溫度分別為20.15℃, 20.55℃和21.15℃。

放電結束時刻空氣溫度分布如圖6所示。此時空氣最大溫差隨航速增大而增大, 分別約為4.3℃, 11.9℃和26.2℃。而空氣層厚度約2 cm, 所以盡管外殼與海水換熱良好, 但是艙內空氣導熱性差, 電池產生的熱量難以迅速排出。

第3層電池由儀器和動力電池混合, 在放電過程中存在溫度分布不均勻現(xiàn)象。在放電結束時刻, 其溫度分布不均最為明顯, 如圖7所示。

由圖7(a)可知, 第3層的電池組位于中心區(qū)域的動力電池溫度比四周要高。綜合來看, 溫差隨著航速的增加而增大。最大溫差分別為1℃, 3.5℃和15℃。

電池組工作過程最高溫度出現(xiàn)的時刻和位置如圖8所示。其中5 kn工況下電池組最高溫度出現(xiàn)在放電初始階段的3 000 s時, 位于儀器電池組中心; 另外2種工況最高溫度都位于動力電池底部中心區(qū)域, 出現(xiàn)在放電結束時刻。隨航速增大而增大, 最高溫度分別為20.4℃, 27℃和41.3℃, 屬于鋰離子電池安全工作溫度范圍–10~55℃內,不會導致電池熱安全問題[12]。

圖6 截面空氣溫度場分布

圖7 第3層電池溫度場分布

圖8 電池組最高溫度分布

4 結論

文中通過COMSOL Multiphysics軟件建立鋰離子電池的電化學-熱耦合模型, 并對50 kg級水下航行器動力艙段的電池溫度場進行了仿真計算。發(fā)現(xiàn)由于水下良好的換熱條件, 航行器航速在10 kn以下時, 電池組的溫度變化不會引起熱安全問題。具體結論如下:

1) 通過恒溫放電實驗驗證了電化學-熱耦合模型可精確計算電池單體在0.75C倍率和1C倍率的溫度變化, 其擬合結果相對誤差在0.2%以內;

2) 在航速分別為5 kn, 7 kn和10 kn時, 電池艙段溫度隨航速的增大而升高, 10 kn時最高溫度可達41.3℃, 最大溫度出現(xiàn)在電池組的中心區(qū)域。盡管海水與外壁對流換熱良好, 但是艙段內空氣流通性差, 電池產生的熱量難以迅速排出, 在更高工況時, 需要考慮針對電池的散熱設計;

3) 該型電池組的第3層電池由儀器與動力電池組合構成, 導致了其在工作過程中存在相對的溫度不均勻。并且隨著航速的增大, 溫度不均勻性也在增加。

下一步的工作將變換應用場景, 在更大倍率充放電下, 對換熱環(huán)境較為嚴苛的鋰離子電池組進行熱分析研究。

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Temperature Field Simulation of Electric Power Undersea Vehicle’s Battery Pack

YANG Wei, HU Yu-li, LIU Hong-jin

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Due to the poor heat dissipation, The electric power undersea vehicle battery pack has thermal safety problems such as rapid heating, the degradation of battery performance and explosion. In this paper, the electrochemical-thermal coupling model of 18650 ternary lithium-ion battery was established by using finite element analysis software. The accuracy of the model was verified by experiments, and the temperature field of a 50 kg grade undersea vehicle battery pack was simulated. The temperature distribution of the battery pack under different operating conditions is obtained. The results show that the battery model can accurately predict the temperature change of the battery during discharge. The temperature of the undersea vehicle’s battery pack increases with the speed. Moreover, the temperature variation range and the highest temperature position under three different conditions have been determined. The research in this paper can provide a reference for the thermal analysis of undersea vehicle’s battery pack.

electric power undersea vehicle; lithium-ion battery; electrochemical-thermal coupling model; battery pack; temperature

TJ630; TM911.3

A

2096-3920(2020)04-0446-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.014

2019-06-12;

2019-12-28.

楊 威(1995-), 男, 碩士, 主要研究方向為鋰離子電池熱分析仿真研究.

楊威, 胡欲立, 劉鴻瑨. 電動力水下航行器電池組溫度場仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2020, 28(4): 446-451.

(責任編輯: 楊力軍)