基于Icepak的水下航行器電池艙段散熱仿真分析

吳 磊，羅 升，張卓然，歐陽鋒

應(yīng)用研究

基于Icepak的水下航行器電池艙段散熱仿真分析

吳 磊，羅 升，張卓然，歐陽鋒

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對水下航行器的鋰電池組發(fā)熱問題，利用ANSYS Icepak軟件對不同散熱條件下的電池艙段內(nèi)溫度氣流分布情況進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：相比于艙內(nèi)空氣自然對流冷卻，使用風(fēng)冷散熱可大幅降低電池組平均溫度，并改善電芯之間的溫差，有利于提高電池組的環(huán)境適應(yīng)性和放電功率，進(jìn)而提升水下航行器的安全性和可靠性。

鋰電池 Icepak 散熱仿真 水下航行器溫度場

0 引言

隨著鋰電池的蓬勃發(fā)展，水下航行器越來越多的使用鋰電池作為動(dòng)力能源。為滿足水下航行器的能量和功率需求，鋰電池組常采用單體密堆積方式成組，且水下航行器的電池艙段為密封環(huán)境，鋰電池組長時(shí)間高倍率放電所產(chǎn)生的熱量容易積累，導(dǎo)致部分單體電池溫度過高，發(fā)生內(nèi)短路，進(jìn)而引發(fā)熱失控[1]。因此，對水下航行器的電池艙段進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)及仿真分析，對保證水中裝備鋰電池組的安全可靠工作具備重要意義。

本文以水下航行器電池艙段為研究對象，利用Icepak有限元分析軟件對不同條件下艙內(nèi)空氣自然對流散熱和風(fēng)冷散熱的電池艙段溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同風(fēng)機(jī)功率、風(fēng)機(jī)方向、電池單元間隙條件下電池艙段內(nèi)部的溫度氣流分布，分析了電池艙段內(nèi)部傳熱特性，并研究了影響電池艙段溫度場的主要因素。

1 計(jì)算模型

1.1 模型簡化

水下航行器電池艙段一般較長，電池艙段內(nèi)沿軸向的熱量傳遞極少，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，將電池艙段的熱仿真簡化電池模塊艙段熱仿真分析。此外，電池艙段內(nèi)各種螺釘、導(dǎo)線和鋁合金外框等對電池溫度場的影響很小，故在熱仿真分析時(shí)也將其省略。電池模塊由8個(gè)電池單元堆積組成，電池單元由8個(gè)單體電芯串聯(lián)組成，對64個(gè)電芯從左下方開始，順時(shí)針依次編號，電池模塊艙段模型及電芯標(biāo)號如圖1所示。

圖1 電池模塊艙段模型示意圖

1.2 熱交換過程

鋰電池組工作時(shí)，電池單體所產(chǎn)生的熱量主要由電池單元?dú)んw與電池艙段內(nèi)的空氣對流進(jìn)行換熱，再由電池艙內(nèi)的空氣與電池艙殼的內(nèi)表面對流進(jìn)行熱交換，最終通過電池艙殼外表面與海水的對流將熱量導(dǎo)出[2,3]。

1.3 各材料熱物性

電池艙段各組成部分材料及熱物理屬性如表1所示[4]。

表1 電池艙段各組成部分材料熱物理屬性

1.4 對流換熱系數(shù)

電池艙段唯一的換熱途徑為其外表面與海水的強(qiáng)制對流換熱，可由下述公式進(jìn)行計(jì)算[5]：

2 仿真計(jì)算

3 結(jié)果分析

利用ANSYS Workbench 19.2 Icepak軟件仿真環(huán)境溫度為20攝氏度時(shí)，電池模塊在自然對流和不同風(fēng)扇功率、不同風(fēng)扇方向、不同電池單體間隙條件下的溫度分布和空氣流速分布。

3.1 自然對流散熱

圖2為自然對流條件下，電池模塊艙段中心截面的溫度氣流分布，其中電池模塊中上部的紅色區(qū)域溫度最高，最高可達(dá)63.4℃，電池模塊溫度沿中心向外逐漸降低，且底部電池單元的溫度比頂部電池單元的溫度低，最低約51℃。電池艙內(nèi)空氣溫度分層，電池模塊周圍的氣體受熱，進(jìn)而上升，在頂端遇到較冷的電池艙段內(nèi)壁后，沿內(nèi)壁下降，隨后在底部繼續(xù)受熱上升并進(jìn)行循環(huán)，自然對流條件下，艙內(nèi)空氣流動(dòng)緩慢，最大氣流速度僅0.18m/s。電池模塊中心留有3 mm的縫隙，但縫隙較小，從縫隙中通過的氣流較少，無明顯散熱效果。

圖2 自然對流中心截面溫度氣流分布圖

3.2 風(fēng)冷散熱

在電池模塊下方設(shè)置2個(gè)離心風(fēng)機(jī)以加強(qiáng)艙內(nèi)散熱效果，電池模塊艙段中心截面的溫度氣流分布如圖3所示，電池模塊中心溫度依舊最高，最高可達(dá)58℃，由于風(fēng)機(jī)的作用，艙內(nèi)空氣流速加快，氣流沿艙壁進(jìn)行循環(huán)，平均速度可達(dá)0.5m/s，沿艙壁艙內(nèi)空氣與電池艙段內(nèi)壁的對流換熱增大，使得電池模塊的溫度出現(xiàn)明顯的降低，電池模塊最大溫度和平均溫度均下降5℃左右。

圖3 風(fēng)冷散熱中心截面溫度氣流分布圖

自然對流和風(fēng)冷散熱條件下的電芯最高溫度曲線如圖4所示，風(fēng)冷散熱可明顯降低電池艙段內(nèi)的電芯最高溫度，最大降幅在頂部33號電芯處可達(dá)8℃，在底部64號電芯的最小降幅也可達(dá)2.5℃。此外，風(fēng)冷散熱對電芯之間的溫差無明顯改善作用，電芯的溫度分布情況也基本一致。

圖4 自然對流和風(fēng)冷散熱的電芯最高溫度對比

3.3 風(fēng)機(jī)功率對風(fēng)冷散熱的影響

調(diào)節(jié)離心風(fēng)機(jī)的散熱功率并匹配風(fēng)量風(fēng)壓P-Q曲線，使風(fēng)機(jī)的功率分別為3 W、8 W和18 W，電芯最高溫度曲線如圖5所示，電芯的最高溫度在風(fēng)機(jī)功率18W和3W時(shí)相差可達(dá)16℃，電芯之間的最大溫差也從8.7℃降低到5.7℃。由此可見，增大風(fēng)機(jī)功率，可明顯降低電池模塊的整體溫度和電芯之間的溫差，改善電池的使用條件，提高電池艙段的安全性和可靠性。

圖5 不同風(fēng)扇功率電芯最高溫度對比

3.4 風(fēng)機(jī)方向?qū)︼L(fēng)冷散熱的影響

風(fēng)機(jī)在電池艙段內(nèi)有多種安裝方式，如風(fēng)機(jī)出口方向同向或異向，風(fēng)機(jī)進(jìn)口朝上或朝下，不同風(fēng)機(jī)出口方向條件下的電芯最高溫度曲線如圖6所示，風(fēng)機(jī)出口不同即反向上吸時(shí)，電池艙段內(nèi)氣流更加紊亂，使得風(fēng)冷散熱效果降低，電池模塊的整體溫度更高，但是紊亂氣流同時(shí)使艙段內(nèi)的溫度分布更加均與，電芯之間的溫差更低。對比風(fēng)機(jī)進(jìn)口朝上即同向上吸，風(fēng)機(jī)進(jìn)口朝下即同向下吸時(shí)，電池模塊的整體溫度更高，電芯之間的溫差無明顯差別。因此，風(fēng)機(jī)進(jìn)口朝上，出口方向一致，對電池模塊的降溫效果更好。

圖6 不同風(fēng)機(jī)方向電芯最高溫度對比

3.5 單元間隙對自然對流的影響

為改善電芯之間的溫差，電池模塊分為左右兩部分，兩部分之間的間隙對電池模塊散熱具有明顯的影響，調(diào)整間隙值為3 mm、9 mm、15 mm，電池艙段中心截面的溫度氣流分布如圖2、圖7和圖8所示，電芯最高溫度如圖9所示，隨著間隙的增加，從間隙中通過的氣流明顯加強(qiáng)，散熱效果更好，電池模塊的整體溫度和電芯之間的溫差都得到了一定的降低，間隙15 mm條件下，電池模塊自然對流散熱效果可接近8 W離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)冷散熱效果。相較于使用風(fēng)冷散熱，調(diào)節(jié)單元間隙進(jìn)行散熱可明顯節(jié)約電池艙段的電力能源。

圖7 間隙9 mm自然對流中心截面溫度氣流分布圖

3.6 單元間隙對風(fēng)冷散熱的影響

對單元間隙值為3 mm、9 mm、15 mm時(shí)的風(fēng)冷散熱進(jìn)行熱仿真，電池艙段中心截面的溫度氣流分布如圖3、圖10和圖12所示，電芯最高溫度如圖11所示，隨著間隙的增加，風(fēng)冷散熱的效果提升緩慢，甚至間隙15 mm時(shí)，右側(cè)電芯溫度與間隙9 mm時(shí)的電芯溫度基本一致，這是由于離心風(fēng)機(jī)的進(jìn)口在間隙下方，隨著間隙的增加，更多的氣流從中心處的間隙流下而非沿著右側(cè)艙壁，氣流與較冷的艙壁不在產(chǎn)生對流換熱，風(fēng)冷散熱的效果也不再提升。

圖8 間隙15mm自然對流中心截面溫度氣流分布圖

圖9 不同間隙自然對流電芯最高溫度對比

圖10 間隙9 mm風(fēng)冷散熱中心截面溫度分布圖

圖11 間隙15 mm風(fēng)冷散熱中心截面溫度分布圖

圖12 不同間隙風(fēng)冷散熱電芯最高溫度對比

3.7 不同條件下電池模塊溫度的平均值和極差

對以上各條件下的電池模塊溫度平均值和極差進(jìn)行對比如圖13所示，隨著單元間隙的增加和風(fēng)機(jī)功率的增加，電池模塊溫度的平均值和極差分別從60℃和8℃降低到45℃和5℃，而風(fēng)機(jī)安裝方式對電池模塊溫度的平均無明顯改變，但對溫度極差具有一定的改善。

圖13 不同條件下電池模塊的平均溫度與極差

4 結(jié)論

本文針對水下電池艙段電池模塊的自然對流散熱和風(fēng)冷散熱進(jìn)行了仿真分析，得出如下結(jié)論：

1）電池模塊最高溫度集中在中心電池單元上，增大電池單元之間的間隙可提高電池模塊與空氣的自然對流效果，降低電池模塊的平均溫度和電芯之間的溫度極差，其散熱效果接近風(fēng)冷散熱，可在降低電池組溫度的情況下有效降低能耗，提高航行器航程。

2）對電池模塊進(jìn)行風(fēng)冷散熱可有效降低電池模塊的平均溫度，最大降幅可達(dá)15℃，對提高電池組的使用環(huán)境溫度和放電功率提供了有力支撐條件。

[1] 歐陽陳志, 梁波, 劉燕平, 等. 鋰離子動(dòng)力電池?zé)岚踩匝芯窟M(jìn)展[J]. 電源技術(shù), 2014, 38(002): 382-385.

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[3] 張大千, 孔祥意, 楊兵,等. 溫度場對水下航行器電池艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的影響[J] 艦船科學(xué)技術(shù), 2018,,v.40(13):51-55.

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[5] 王艷鋒, 胡欲立, 孟生, 等. 某型水下航行器電池艙段熱過程CFD分析[J] 兵工學(xué)報(bào), 2012(04): 307-309.

Heat dissipation simulation analysis of underwater vehicle battery section based on Icepak

Wu Lei, Luo Sheng, Zhang Zhuoran,Ou Yangfeng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U674.941

A

1003-4862（2022）10-0076-04

2021-09-09

吳磊（1995-），男，碩士研究生。研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)及仿真。E-mail：2568187464@qq.com