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    基于Icepak的水下航行器電池艙段散熱仿真分析

    2022-10-20 06:49:24張卓然歐陽鋒
    船電技術(shù) 2022年10期
    關(guān)鍵詞:艙段電芯風(fēng)冷

    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)約計算時間,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,故在熱仿真分析時也將其省略。電池模塊由8個電池單元堆積組成,電池單元由8個單體電芯串聯(lián)組成,對64個電芯從左下方開始,順時針依次編號,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,電池單體所產(chǎn)生的熱量主要由電池單元殼體與電池艙段內(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)行計算[5]:

    2 仿真計算

    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,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,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,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,右側(cè)電芯溫度與間隙9 mm時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. 鋰離子動力電池?zé)岚踩匝芯窟M(jìn)展[J]. 電源技術(shù), 2014, 38(002): 382-385.

    [2] 李軒,胡欲立,王艷鋒,等.水下航行器電池艙段溫度場數(shù)值模擬[J]電源技術(shù), 2015, 39(002): 307-309.

    [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.

    [4] 林成濤,李騰,陳全世. 錳酸鋰動力蓄電池組散熱影響因素分析[J], 兵工學(xué)報, 2010.

    [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, 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

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