摘    要：針對水下航行器的鋰電池組發熱問題，利用ANSYS Icepak軟件對不同散熱條件下的電池艙段內溫度氣流分布情況進行了仿真分析。結果表明：相比于艙內空氣自然對流冷卻，使用風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境適應性和放電功率，進而提升水下航行器的安全性和可靠性。

關鍵詞：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境，鋰電池組長時間高倍率放電所產生的熱量容易積累，導致部分單體電池溫度過高，發生內短路，進而引發熱失控[1]。因此，對水下航行器的電池艙段進行散熱設計及仿真分析，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空氣自然對流散熱和風冷散熱的電池艙段溫度場進行數值模擬，得到不同風機功率、風機方向、電池單元間隙條件下電池艙段內部的溫度氣流分布，分析了電池艙段內部傳熱特性，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，電池艙段內沿軸向的熱量傳遞極少，為節約計算時間，將電池艙段的熱仿真簡化電池模塊艙段熱仿真分析。此外，電池艙段內各種螺釘、導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，電池單體所產生的熱量主要由電池單元殼體與電池艙段內的空氣對流進行換熱，再由電池艙內的空氣與電池艙殼的內表面對流進行熱交換，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

電池艙段唯一的換熱途徑為其外表面與海水的強制對流換熱，可由下述公式進行計算[5]:

式中，為電池艙段外表面與海水的對流換熱系數，W/(m2·K);Nu為努塞爾數；為海水的導熱系數，W/(m·K)，常溫下可取0.6;l為水下航行器電池段總長，m;Re為雷諾數；Pr為海水普朗特數，常溫下可取7;u為水下航行器的航行速度，m/s;v為海水的動力粘度，m2/s，常溫下可取1.06×10-6;

2 仿真計算

將電池模塊艙段熱仿真模型導入Icepak，使用Macros,Polygonal Enclosure命令建立一個圓柱形空間，該圓柱空間表面由多個Hollow Block和傾斜的Wall拼成，對所有Wall施加對流換熱系數即可等效電池艙殼外表面與海水的對流換熱。將航行器相關值帶入計算公式，計算得電池艙段外表面與海水的對流換熱系數，這一數值與水的強迫對流換熱系數經驗值相仿。經測量，該型水下航行器所用的錳酸鋰電池單體穩定放電工作時，其發熱功率為0.78 W。

3 結果分析

利用ANSYS Workbench 19.2 Icepak軟件仿真環境溫度為20攝氏度時，電池模塊在自然對流和不同風扇功率、不同風扇方向、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域溫度最高，最高可達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℃。電池艙內空氣溫度分層，電池模塊周圍的氣體受熱，進而上升，在頂端遇到較冷的電池艙段內壁后，沿內壁下降，隨后在底部繼續受熱上升并進行循環，自然對流條件下，艙內空氣流動緩慢，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 風冷散熱

在電池模塊下方設置2個離心風機以加強艙內散熱效果，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58℃，由于風機的作用，艙內空氣流速加快，氣流沿艙壁進行循環，平均速度可達0.5m/s，沿艙壁艙內空氣與電池艙段內壁的對流換熱增大，使得電池模塊的溫度出現明顯的降低，電池模塊最大溫度和平均溫度均下降5℃左右。

圖3 風冷散熱中心截面溫度氣流分布圖 

自然對流和風冷散熱條件下的電芯最高溫度曲線如圖4所示，風冷散熱可明顯降低電池艙段內的電芯最高溫度，最大降幅在頂部33號電芯處可達8℃，在底部64號電芯的最小降幅也可達2.5℃。此外，風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 自然對流和風冷散熱的電芯最高溫度對比 

3.3 風機功率對風冷散熱的影響

調節離心風機的散熱功率并匹配風量風壓P-Q曲線，使風機的功率分別為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機功率18W和3W時相差可達16℃，電芯之間的最大溫差也從8.7℃降低到5.7℃。由此可見，增大風機功率，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 不同風扇功率電芯最高溫度對比 

3.4 風機方向對風冷散熱的影響

風機在電池艙段內有多種安裝方式，如風機出口方向同向或異向，風機進口朝上或朝下，不同風機出口方向條件下的電芯最高溫度曲線如圖6所示，風機出口不同即反向上吸時，電池艙段內氣流更加紊亂，使得風冷散熱效果降低，電池模塊的整體溫度更高，但是紊亂氣流同時使艙段內的溫度分布更加均與，電芯之間的溫差更低。對比風機進口朝上即同向上吸，風機進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，風機進口朝上，出口方向一致，對電池模塊的降溫效果更好。

圖6 不同風機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，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離心風機的風冷散熱效果。相較于使用風冷散熱，調節單元間隙進行散熱可明顯節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 單元間隙對風冷散熱的影響

對單元間隙值為3 mm、9 mm、15 mm時的風冷散熱進行熱仿真，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，風冷散熱的效果提升緩慢，甚至間隙15 mm時，右側電芯溫度與間隙9 mm時的電芯溫度基本一致，這是由于離心風機的進口在間隙下方，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艙壁，氣流與較冷的艙壁不在產生對流換熱，風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1 0 間隙9 mm風冷散熱中心截面溫度分布圖 

圖1 1 間隙15 mm風冷散熱中心截面溫度分布圖 

圖1 2 不同間隙風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行對比如圖13所示，隨著單元間隙的增加和風機功率的增加，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℃，而風機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1 3 不同條件下電池模塊的平均溫度與極差 

4 結論

本文針對水下電池艙段電池模塊的自然對流散熱和風冷散熱進行了仿真分析，得出如下結論：

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

文章來源：船電技術