密闭电池舱段温度场数值仿真

李 尉, 宋保维, 胡欲立



密闭电池舱段温度场数值仿真

李 尉, 宋保维, 胡欲立

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

针对锂离子电池在密闭电池舱段内大功率、长时间连续组合放电时会产生大量热量, 可能严重影响电池舱段的工作效率和安全性能的问题, 采用ANSYS软件对水下航行器电池舱段内部温度场分布建立了数学模型, 并进行了仿真分析。仿真结果显示, 水下航行器电池舱段以40 A连续工作2.5 h时, 最高温度低于临界温度(150 ℃), 表明锂离子电池组在该工况下能够维持热安全。

水下航行器; 锂离子电池; ANSYS软件; 温度场

0 引言

电动力水下航行器与热动力水下航行器相比, 具有噪声低、无航迹、性能不受航深影响、结构简单等优点, 得到了广泛应用。为使电动力水下航行器有较远的航程, 可使用比能高的锂离子电池作为能源[1], 但受水下航行器空间所限, 电池舱段的散热条件较差, 势必影响到锂离子电池性能和使用的安全性, 因此有必要对电池舱段进行热分析。

目前, 对锂离子电池的热分析主要集中在对单个锂离子电池的热分析上[2-3], 对锂离子电池成组后的热分析未见有文献报道。本文应用有限元分析软件ANSYS[4]和文献[3]对单个锂离子电池热分析的方法, 对水下航行器电池舱段锂离子电池组所产生的温度场进行了数值模拟。

1 数学模型的建立

1.1 导热微分方程

电池舱段3D导热的微分方程为

式中:为导热材料密度;为导热材料比热比;为热导率;为温度;为时间;为电池单位体积的发热功率, 由文献[3]给出。

1.2 边界条件

1.2.1 电池舱段壳体

1.2.2 电池舱段前端

在电池舱段前端, 电池舱段的空气向航行器前段的空气进行传热, 此处边界条件为第2类边界条件。假设电池舱段前段的空气为290 K, 电池舱段前端边界条件近似为[5]

1.2.3 电池舱段后端

在电池舱段后端, 电池舱段的空气向航行器后段的空气进行传热, 此处边界条件为第2类边界条件。考虑到航行器后段有推进电机产生的热量, 为简便起见, 边界条件形式如式(2), 仅将传热系数减小。因此, 电池舱段后端边界条件近似为

2 温度场仿真结果与分析

2.1 实体模型的网格生成

本文以电动力水下航行器为例, 应用有限元分析软件ANSYS对其电池舱段的温度场进行了仿真。该水下航行器动力电池采用ICR65/400型锂离子电池, 其标称容量100 Ah; 仪表电池采用ICR50/ 380型锂离子电池, 其标称容量60 Ah。电池组实体模型如图1所示。

图1 电池组有限元实体模型

对电池组的实体建模作如下简化。

1) 电池舱段内各种螺纹、接线柱以及导线对电池温度场的影响非常小, 故建模时省略这些结构; 2) 由于电池架的尺寸较电池舱段的半径小得多, 因此电池架对电池温度场的影响也非常小, 建模时也将其省略。

采用自由法对电池组和电池舱段进行了网格划分, 网格生成如图2和图3所示。

2.2 仿真结果及分析

水下航行器工作时动力电池组以40 A电流放电, 仪表电池组以15 A电流放电, 由文献[3]可得到此时电池单位体积的发热功率。

图2 电池组有限元网格生成

由ANSYS软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(动力电池组放电截止时刻)时电池组的温度场, 如图4~图8所示, 电池舱段两端的温度场如图9和图10所示, 电池组中心温度随时间变化的曲线图如图11所示。

从图4~图8中可以看出, 放电0. 5 h时电池组的最高温度为21.15 ℃, 最低温度为22.96 ℃; 放电1 h时电池组的最高温度为25.26 ℃, 最低温度为29.15 ℃; 放电1.5 h时电池组的最高温度为29.25 ℃, 最低温度为35.57 ℃; 放电2 h时电池组的最高温度为33.15 ℃, 最低温度为42.12 ℃; 放电2.5 h时电池组的最高温度为36.97 ℃, 最低温度为48.75 ℃。由此可得到, 随着水下航行器工作时间的增加, 电池组的温度是升高的。动力电池组放电截止时, 即2.5 h时, 电池组最高温度仅为48.75 ℃, 表明在此放电速率下, 即动力电池组和仪表电池组都以0.4 CA放电, 水下航行器所使用的锂离子电池组是安全的。还可以看出, 随着放电时间的增加, 电池组温度的均匀性逐渐变差; 靠近电池舱段壳体的电池温度相对较低, 放电截止时比电池组的中心温度低3 ℃左右; 动力电池组的温度明显高于仪表电池组的温度, 在两者的交界处有明显的温度变化。从图9和图10中可以看出, 电池舱段后端的温度明显要比前端的温度要高。从图11中可以看出, 电池内部的温度在放电的过程中是直线升高的。

图3 电池舱段有限元网格生成

图4 放电0.5 h时电池组温度场云图

图5 放电1 h时电池组温度场云图

图6　放电1.5 h时电池组温度场云图

图7 放电2 h时电池组温度场云图

图8 放电2.5 h时电池组温度场云图

图9 电池舱段后端温度场云图

图10 电池舱段前端温度场云图

图11 电池组中心温度随时间的变化

3 结束语

随着对海洋的开发和利用, 电动力水下航行器的应用更广泛, 对使用高比能锂离子电池的安全性越来越被重视, 尤其是锂离子电池成组后的安全性更为重要。

本文应用有限元分析软件ANSYS, 利用对单体锂离子电池发热机理研究的结果, 对选用的水下航行器电池舱段的温度场进行了数值仿真,由此得到了该型水下航行器使用的锂离子电池组是安全的。本文工作只是对数值仿真锂离子电池组的温度场进行了初步探索。

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[3] 王晋鹏, 胡欲立. 锂离子蓄电池温度场分析[J]. 电源技术, 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有限元分析实用教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.

[5] 陶文铨. 传热学[M]. 西安: 西北工业大学, 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, 在读博士, 主要研究领域为武器系统与运用工程.

(责任编辑: 陈 曦)