基于ANSYS的钠硫电池保温结构优化设计

张鹏飞，　李任江，　徐　兵

(长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春　130012)



基于ANSYS的钠硫电池保温结构优化设计

张鹏飞，李任江*，徐兵

(长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春130012)

摘要：采用二氧化硅凝胶毡、特制真空材料和岩棉纤维毡构成的保温结构，通过改变保温层结构的体积，使其能达到设计技术要求。ANSYS仿真验证了该结构在电池正常运行工况下外壁温升不超过25 ℃，当将特制真空材料的温度控制在197.2 ℃时，特制真空材料的使用寿命提高了。

关键词：钠硫电池； 保温材料； 有限元分析； 优化设计

0引言

钠硫电池是一种新型的化学电池，因为其具有高能电池的比能量高、可大电流、高功率放电、充放电效率高且释放电量平稳等优点，所以其在削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出等方面使用颇多[1]。同时，新能源电动客车也可以广泛地使用该电池，在各种先进二次电池中最为成熟和具有潜力。但是钠硫电池正常的工作温度为300～350 ℃，为了保证钠硫电池正常的充放电工作，延长其寿命，需要采取加热保温的措施，使其始终运行在270～350 ℃[2]正常的充放电过程中，同时对外壁温升设置阈值。所以对保温结构的材料选择和结构设计方面需要格外的重视，文中针对钠硫储能电池保温结构设计的不足，改用更加经济且耐用性的设计方案。

目前，国内外很多学者针对保温结构进行了多方面的研究。Sun[3]等利用ANSYS有限元仿真技术，在不同的工况条件下对10 kW级DMP机冷却系统进行了模拟仿真,同时对试验结果进行分析。孙波[4]等在实际运行工况下对汽轮机本体的保温装置进行了设计和说明。孙诗琨[5]等在焦炭塔的实际条件的情况下设计了一种新型背带式保温结构。刘立君[6]等对潜油电泵检测装置保温结构进行了优化设计。由此可见，保温结构有广泛的领域，对各个领域的发展起到至关重要的作用，但在储能领域的保温结构设计还有待于完善，尤其是在钠硫电池保温方面，此外，钠硫电池普遍采用的非真空保温结构设计在厚度要求、寿命长短、可靠性等方面存在很多不足。文中针对钠硫储能电池的保温结构进行分析，并提出了一种新型的保温结构优化设计方案。

1保温箱的基本结构

保温箱的结构简易图如图1所示。

图1　钠硫电池保温层的结构示意简图

实际的保温箱是立方体构造，其中钠硫电池存放里面，保温箱壁包括加热层、云母板、保温层和钢板四部分。

研究中将钠硫保温箱正常工作时产生的少量辐射传热量忽略，将其简化为导热与对流模型。同时,因为保温箱结构较大，除顶盖和下部外,各箱体结构相同，所以将材料加工精度和边角结构对箱体产生的影响忽略不计，认为该箱体模型各壁面传热过程基本相似，且传热方式为稳定传热，因此,将保温箱的壁面简化成单壁面半无限大的结构并且是一维稳态导热问题来解决。

设计中采用的保温材料是非真空复合保温材料，根据钠硫电池技术相关指标，其壁厚应S≤50 mm，并且因为其内部工作温度为350 ℃，所以外壁温度与空气温度的差值小于等于25 ℃[7]。由微分方程式、初始条件以及边界条件三部分得知，从而能够详细地说明该研究的一维稳态导热问题。

2数学模型的建立

将保温箱内温度和外界环境温度定义为边界温度条件，根据傅里叶定律和牛顿冷却定律模型[8-9]，即可得出一维稳态导热模型：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：q----热流密度；

λi----各保温材料的导热系数；

δi----各保温材料的厚度；

Tw----保温箱内温度，即靠近云母板侧的材料温度；

Tf----环境温度；

Ti----各保温材料温度；

n----保温层数。

3保温结构的优化设计

3.1原保温层方案与改进保温层方案

原保温结构示意图如图2所示。

图2　改进前保温层结构示意图

从内到外分别是陶瓷纤维板(Ceramic Fiber Board， CFB)、特制真空材料(Special Vacuum Board， SVB)和陶瓷纤维毡(Ceramic Fiber Felt， CFF)。

优化保温结构示意图如图3所示。

图3　改进后的保温层结构示意图

从内到外分别是二氧化硅气凝胶(Silica Blanket， SB)、特制真空材料(Special Vacuum Board， SVB)和岩棉纤维毡(Rock Wool Pan， RWF)，保温结构各材料导热系数见表1。

表1　保温结构各材料参数

3.2原保温结构与改进结构所选材料的对比

原先保温结构第1层选用的是陶瓷纤维材料，因其低廉的价格，其保温导热系数为0.043，所以成为很多保温材料的首选。但是将其用于钠硫电池保温箱时，由于其导热系数太大，并且两者的总厚度达到50 mm，但却只起到15%的阻热效率，直接导致其达不到应该承受的热阻能，并且其厚度大大超出设计值。

第2种特制真空材料是应用在保冷和建筑领域，因其导热率只有0.004，性能优良，用在钠硫电池保温箱中可以起到阻热的效果，但其正常使用的温度范围不能超过180 ℃，厚度只有20 mm，在实际工作过程中要承受85%的热阻，最高温度会达到250 ℃左右，这样对其寿命产生严重影响，甚至可能导致其失效。

优化保温材料的选材第1种是二氧化硅气凝胶，该材料的性能优越，隔热是传统隔热材料的2～5倍，保温后热损失小，空间利用率高。在高温下，以上性能优势更为明显[10]。可以有效地减小特制真空材料的热阻量，延长特制真空材料的使用时间。

第3种选择岩棉纤维毡，导热率为0.039，具有较为低廉的售价且性能适中，广泛应用在船舶和建筑领域。同时，岩棉纤维毡可以将特制真空材料与钢板隔开，保护特制真空材料。

4保温结构的ANSYS仿真和结果分析

4.1创建实体模型与划分网格

在ANSYS有限元软件中保温材质属性均定义为各向同性的导热型结构,实体模型定义为单元类型的Thermal Solid类别中的Quad 4node 55，然后可以根据表1数据定义保温实体下材料的性能参数，如图4和图5所示。

图4　原保温结构的几何模型

图5　改进方案结构的几何模型

这样完成保温结构模型的建立。

利用ANSYS软件的mesh模块定义等分AREAS,采用自由网格划分模式划分网格，网格划分如图6和图7所示。

图6　原保温结构的网格划分

图7　改进方案结构的网格划分

4.2加载和求解

对实体模型进行施加的载荷操作。考虑云母板要隔绝一部分热量将保温材料靠近加热板一侧施加339 ℃的载荷温度，根据实际的运行工况，将设定对流换热系数边界条件施加在保温材料的最外侧，对流换热系数设定为5.5，最外侧温度设定为20 ℃。

将时间步长参数与计算类型设定完成后，运行ANSYS求解器，进行求解计算，最终得到有限元模拟仿真图，如图8所示。

(a) 原方案

(b) 改进方案

4.3结果分析

根据数学模型分为原保温结构的陶瓷纤维板与特制真空材料、特制真空材料与陶瓷纤维毡和陶瓷纤维毡、金属外壳间的温度，设置为测量点1、测量点2、测量点3，改进方案的二氧化硅气凝胶与特制真空材料和特制真空材料与岩棉纤维毡和岩棉纤维毡与金属外壳间的温度设定为测量点4、测量点5、测量点6。具体值详见表3。

表3　仿真得到测量点温度值　　　℃

从表3可以看出,原保温结构方案的外壁最高温升为14.3 ℃，在设计需求的范围内。但是，该结构的保温层厚度超过阈值，其厚度达到80 mm，这样就会带来电流电池的安装和使用等方面的问题，并且会增加成本。另外，根据仿真结果可以发现，其特制真空材料的实际运行温度会达到250 ℃左右，这样也超出特制真空材料的正常运行时的温度阈值，会造成特制真空材料的寿命严重降低甚至可能导致更严重的电池破损情况。

改进方案的保温层结构的最外侧温度为31.5 ℃，假设外界温度为20 ℃时，那么温升就为15.5 ℃，满足设计需求。并且，该方案的特制真空材料实际运行温度为180.2 ℃，满足设计需要，这样可以延长特制真空材料的使用寿命和可靠性。同时，保温材料的厚度是50 mm，在设计规定的范围内。

5结语

针对如何选择保温层材料和厚度的问题建立了数学模型，以保温材料的厚度看作决策变量，外表面温度和内壁温度看作约束条件，保温效率为目标。该优化方案是在钠硫电池的实际运行工况和保温材料性能基础上设计完成的，为钠硫电池保温箱的设计、更换保温层等问题提供了理论基础，并且还对钠硫电池配套保温装置的生产提供了重要指导。

参考文献：

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[4]孙波，孙晓东，桑丽杰，等.汽轮机本体保温装置结构设计计算及说明[J].汽轮机技术，2001,43(2):78-80.

[5]孙诗琨，郭敏铎.新型背带式保温技术在焦炭塔上的应用[J].石油化工设备技术,2005,26(3):22-24.

[6]刘立君，刘晓燕，李晓庆，等.潜油电泵检测装置保温结构优化设计[J].科学技术与工程，2009,9(14)：4140-4145.

[7]张建平，韩熠，刘宇，等.储能钠硫电池保温层优化设计[J].中国航空航天大学学报,2014,40(12):1469-1471.

[8]Holman J P. Heat transfer[M]. 6th. New York:McGraw-Hill Professional Publishing,2001:38-41.

[9]张天宇.激光拼焊异厚度6005A铝合金板的热过程数值模拟研究[D].长春：长春工业大学,2012.

[10]虞仲义.二氧化碳气凝胶毡DR06系列亮相节能建材展[J].中国化工学报,2011(2)：3-6.

Structural optimization design of sodium sulfur battery insulation based on ANSYS

ZHANG Pengfei，LI Renjiang*，XU Bing

(School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Abstract：Silica gel mat, special vacuum material, and rock cotton fiber blanket are used to design an insulation structure. The insulation structure is varied by changing its volume to meet the technical requirements. ANSYS based simulation results show that the temperature at out layer of the structure is less than 25 ℃ while the special vacuum material temperature is controlled at 197.2 ℃ which demonstrates that the lifespan of the special vacuum material is prolonged.

Key words：sodium-sulfur battery； insulations materials； finite element analysis； optimal design.

中图分类号：TH 122

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2016)01-0078-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.1.16

作者简介：张鹏飞(1989-)，男，汉族，山东滨州人，长春工业大学硕士研究生，主要从事驻车加热器方向研究,E-mail:1107471936@qq.com. *通讯作者：李任江(1968-)，男，汉族，吉林长春人，长春工业大学副教授，博士，主要从事机电一体化综合技术方向研究,E-mail:lirenjiang@ccut.edu.cn.

基金项目：吉林省科技型中小企业技术创新资金项目(SC20140467)

收稿日期：2015-12-10