水下自航器用鋰/二氧化錳電池組的散熱處理

余江洪， 張祥功， 王 敏

(中船重工第712研究所四室,湖北 武漢 430064)

自20世紀(jì)50年代,世界海洋強(qiáng)國開始水下自航器(unmanned underwater vehicle,UUV)的研究工作.隨著海洋的深入開發(fā)、反潛以及反水雷等新需求的提出,UUV的功能被不斷地賦予新的內(nèi)容,還需具備長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離的續(xù)航能力[1],這要求其動(dòng)力電源具備高質(zhì)量比能.

鋰/二氧化錳電池以其高電壓、高比能量、貯存壽命長(zhǎng)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)引起人們關(guān)注,尤其是采用鋁塑膜軟包裝技術(shù)后[2],其比能量得到大幅提高,是新型UUV動(dòng)力電源的備選之一.鋰/二氧化錳電池自誕生以來,研究重點(diǎn)主要集中于單體電池組的電化學(xué)機(jī)理方面,而對(duì)大型鋰/二氧化錳電池組的工程應(yīng)用研究尤其是散熱處理的研究至今少有報(bào)道.當(dāng)鋰/二氧化錳電池成組后,在密閉UUV電池艙段內(nèi)部長(zhǎng)時(shí)間大電流工作時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量廢熱,若廢熱未及時(shí)被傳遞到海水時(shí),易導(dǎo)致電池組的溫度快速升高,將影響電池組的使用性能,且存在嚴(yán)重的熱失控風(fēng)險(xiǎn)[3].文中首先分析了鋰/二氧化錳電池組的熱源,然后測(cè)量了電池?zé)崃亢屯扑汶姵亟M總熱量,并通過模擬電池組的廢熱功率研究散熱方法對(duì)溫度的影響.

1 鋰/二氧化錳電池的熱源

鋰/二氧化錳電池的電池反應(yīng)為:

Li+MnO2→MnOOLi

放電時(shí),鋰失去電子發(fā)生陽極溶解,鋰離子進(jìn)入電解液,MnO2被還原成三價(jià)錳的同時(shí),鋰離子進(jìn)入MnO2晶格形成MnOOLi[3].

電池工作時(shí),因存在焓變、過電位和歐姆阻抗,電池將產(chǎn)生熱量Q,包括焦耳熱和化學(xué)反應(yīng)熱.焦耳熱主要取決于電極/電液界面、隔膜、電解液、集流體和極耳的電阻等;化學(xué)反應(yīng)熱指組成電池的物質(zhì)間化學(xué)反應(yīng)熱,其值隨溫度不同而變化,在電池組的安全溫度范圍內(nèi)(70℃)[4],主要物質(zhì)之間未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[5],此部分熱可忽略.

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)電池及設(shè)備

電池:30 Ah軟包裝鋰錳電池(用于廢熱功率的測(cè)定試驗(yàn),重約260 g).

假電池:尺寸外形同30 Ah電池,其外殼為0.3 mm環(huán)氧板粘接,發(fā)熱元件為φ1 mm康銅絲(用于組裝電池組).

電池組:將假電池按37串4并進(jìn)行組合且安裝于鋁材質(zhì)電池架內(nèi)(用于電池組的散熱處理試驗(yàn)).

設(shè)備：放電柜、測(cè)溫系統(tǒng)、恒溫箱、電池艙殼、整流柜和電子稱.

2.2 鋰錳電池?zé)崃康臏y(cè)定

熱量測(cè)定方法有量熱計(jì)法、脈沖加熱法和比較法等[6].文中采用下落式量熱計(jì)法,冷卻工質(zhì)采用25號(hào)變壓器油[7].

將電池與放電柜連接,浸沒于盛放冷卻工質(zhì)的容器中,連接測(cè)溫系統(tǒng).啟動(dòng)放電柜,將電池以0.2C(中倍率)放電,通過電池與冷卻工質(zhì)的熱平衡求出電池的廢熱功率.

2.3 鋰錳電池組的散熱處理試驗(yàn)

將電池組與整流柜連接后放置于電池艙殼內(nèi),兩端密封.調(diào)節(jié)整流柜電壓和電流,以輸出不同廢熱功率.電池組示意圖見圖1,測(cè)溫點(diǎn)見圖1的A點(diǎn)(中心)和C點(diǎn)(表面).電池組的散熱處理試驗(yàn)分為以下幾種情況:

圖1 電池組的示意圖Fig.1 Sketch map of battery file

1) 以電池艙殼內(nèi)空氣為介質(zhì)的自然對(duì)流(視為空白試驗(yàn));

2)將1)的自然對(duì)流改為強(qiáng)制對(duì)流,風(fēng)機(jī)功率為20 W,風(fēng)量為2.5 m3/min;

3)在1)基礎(chǔ)上,增加導(dǎo)軌散熱處理,導(dǎo)軌與殼體接觸部分均勻涂覆導(dǎo)熱硅脂(導(dǎo)熱系數(shù)為3.5 W/m·k);

4)在1)基礎(chǔ)上,增加相變材料儲(chǔ)能的散熱處理,相變材料結(jié)構(gòu)為骨架/相變物質(zhì)復(fù)合材料(固-固相變),放置于各電池間;

5)在1)基礎(chǔ)上,增加散熱肋以降低電池組的溫度梯度.

3 結(jié)果與討論

3.1 鋰錳電池的廢熱

表1 鋰錳電池的熱功率(0.2C)Table 1 Value of heat produced by lithium manganese dioxide battery(0.2C)

從表1可以發(fā)現(xiàn),鋰錳電池在放電各階段的熱量呈現(xiàn)出始末段高、中間段平穩(wěn)的特點(diǎn).放電初期,因電池反應(yīng)的電壓低及能量轉(zhuǎn)換效率低,熱量產(chǎn)生大,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,電池反應(yīng)的電壓升高并趨于穩(wěn)定,此時(shí)產(chǎn)生的熱量降低且較平穩(wěn),當(dāng)電池處于反應(yīng)末期時(shí),鋰離子向MnO2晶格的嵌入變得愈加困難,電池反應(yīng)極化內(nèi)阻增大、電壓平臺(tái)降低,故電池產(chǎn)生的熱量又變大.從應(yīng)用研究看,電池的熱量可以采用放電全過程的平均熱量作為電池組熱處理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),電池組的熱量為n1.41 W(n為電池個(gè)數(shù)),即209 W.

3.2 鋰錳電池組的傳熱過程

鋰錳電池組的熱源是每個(gè)參與放電工作的單體電池.電池組通過電池架的導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)與電池艙殼體的安裝,熱量自電池組內(nèi)部傳導(dǎo)至海水的過程見圖2.因電池艙殼通常選用鋁制材料,UUV電池艙殼內(nèi)壁與其外壁之間的熱量傳導(dǎo)以及其外壁與海水之間因存在強(qiáng)制換熱,這兩處不是熱量傳導(dǎo)受限點(diǎn);電池組外部與電池艙內(nèi)壁之間雖有導(dǎo)軌連接,但因有大量空氣夾層,此部分傳熱應(yīng)為受限環(huán)節(jié);電池組內(nèi)部與電池架外壁之間傳熱可簡(jiǎn)化為有內(nèi)熱源的傳熱問題,因單體電池為平堆結(jié)構(gòu)、僅有電池側(cè)面與電池架接觸傳熱,導(dǎo)熱能力較差,易造成電池組中心位置高溫和形成徑向高溫度梯度.結(jié)合電池組艙段穩(wěn)態(tài)熱分析[8],電池組的傳熱過程存在2個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):電池架外壁到電池艙殼內(nèi)壁的傳熱過程和電池組內(nèi)部的傳熱過程.

圖2 電池組的熱量傳導(dǎo)Fig.2 Heat-transfer process of battery file

3.3 鋰錳電池組的散熱處理

電池組的散熱處理對(duì)于溫升控制有著積極的作用,合適的散熱處理一方面不會(huì)過度增加重量而降低比能；另一方面可避免電池組內(nèi)部溫度過高、且可提高安全性.

電池組工作時(shí),影響其溫升的主要因素是熱量功率、散熱處理及電池艙外部環(huán)境溫度等因素.電池組設(shè)計(jì)中,可以改進(jìn)的因素主要是降低散熱功率和改善散熱方式.圖3為不同條件下(表2)電池組中心溫度曲線圖,對(duì)比曲線a(空白試驗(yàn))和b,在相同熱量功率下(100 W),通過促使密閉電池艙內(nèi)空氣形成強(qiáng)制對(duì)流,增強(qiáng)空氣對(duì)流散熱效果,300 min時(shí),強(qiáng)制對(duì)流下電池組溫度較自然對(duì)流下的約低5℃;對(duì)比曲線a和c,在熱量功率增加50%(150 W)的前提下,由于增加了電池架導(dǎo)軌與電池艙外殼進(jìn)行傳熱,全程電池組溫度并未出現(xiàn)大幅度上升,末期時(shí)低于曲線a的同比溫度.但導(dǎo)軌與電池艙外殼的接觸面積、接觸熱阻均會(huì)影響傳熱的性能.對(duì)比結(jié)果表明:通過增空氣強(qiáng)制對(duì)流和導(dǎo)軌傳導(dǎo),可以改善散熱性能.

圖3 不同條件下電池組中心溫度變化曲線Fig.3 Curves of temperature-center of battery file under different conditions

表2 圖3的曲線條件說明Table 2 Description of conditions in the FIG.3

當(dāng)電池組的溫度升至某一溫度時(shí)(安全溫度范圍),可以通過采用相變材料進(jìn)行散熱處理.相變材料在發(fā)生相變過程中能夠吸收或釋放潛熱,利用這一性質(zhì),選擇相變溫度在安全溫度范圍內(nèi)的相變材料可以吸收電池組的部分熱量.影響相變材料吸熱性能的因素主要是材料的相變熱、相變界面的移動(dòng)速率和比熱容.因水下航行器要求電池組高比能,故不能大量使用相變材料.

圖4為相變材料對(duì)電池組溫度影響的對(duì)比曲線圖(相變材料的主要參數(shù):相變溫度為52℃、定壓比熱容為2.0 J/g·K、相變熱為120 kJ/kg·K、傳熱系數(shù)為0.1 W/m·K、用量為2 kg).在環(huán)境溫度為27 ℃、發(fā)熱功率為150 W的條件下,相變材料使電池組的溫升得到一定抑制,尤其是相變區(qū)及其鄰近溫度區(qū),如圖中49 ℃～53 ℃間,相變材料的溫度曲線明顯有個(gè)吸熱區(qū),這是因?yàn)槔昧讼嘧儾牧系南嘧兾鼰嵝阅?另外利用相變材料的定壓熱熔吸熱性質(zhì),可使全程電池組的溫度均有一定下降.

圖4 相變材料對(duì)電池組溫度的影響曲線Fig.4 Curves of temperaturer of battery file with phase-transformating materials

在電池組的散熱過程中,因電池呈平堆放結(jié)構(gòu),內(nèi)部的熱量難以及時(shí)傳至電池架表面,采用在相鄰電池之間安裝散熱肋的方法可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)傳熱[9],減小電池組內(nèi)部到電池架表面的徑向溫度梯度(圖5),散熱肋為0.5 mm×150 mm×140 mm鋁合金材質(zhì)薄板,導(dǎo)熱系數(shù)為203 W/(m·K).

圖5 散熱肋與電池組合Fig.5 Schematic diagram of aluminum sheet assembled for battery

圖6為采用散熱肋后,電池組溫度梯度ΔTAC(A，C兩點(diǎn)溫度差)的曲線,從圖中看出,采用散熱肋后,電池組的溫度梯度大幅度降低,最大可降低約26℃,且溫度梯度曲線變化幅度較小、較平緩.

圖6 散熱肋對(duì)電池組溫度梯度的影響曲線Fig.6 Curves of temperature gradient of battery file with heat-transferring-sheet

散熱處理的試驗(yàn)結(jié)果表明:僅通過密閉電池艙內(nèi)空氣介質(zhì)的自然對(duì)流無法將電池組(中倍率放電)溫度控制在安全溫度內(nèi).通過改善導(dǎo)軌傳熱性能、增加強(qiáng)制對(duì)流和采用相變材料等散熱方式,在一定程度上可強(qiáng)化電池組的散熱.但當(dāng)電池組作供電功率增大、其熱量隨之增大時(shí),則需要考慮采用如水冷、熱管等散熱能力更強(qiáng)的散熱方式,并應(yīng)采用綜合散熱方式以控制電池組的溫度.

4 結(jié)論

文中闡述了鋰錳電池?zé)嵩吹男纬蓹C(jī)理,并測(cè)量了其散熱功率,分析了水下自航器用鋰錳電池組的傳熱過程和傳熱受限環(huán)節(jié).采用模擬電池組定功率發(fā)熱的方法,探索了電池組散熱方式對(duì)電池組溫度的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明:鋰錳電池組以中低倍率放電工作時(shí),采用強(qiáng)制對(duì)流、導(dǎo)軌傳熱和相變材料的散熱組合設(shè)計(jì)方法,可以將電池組的溫度控制在安全工作溫度范圍內(nèi).當(dāng)水下自航器用鋰錳電池組以高倍率放電工作時(shí),仍需進(jìn)一步開展散熱處理的綜合優(yōu)化研究.

[1] 孫現(xiàn)有,焦?jié)山?宋長(zhǎng)會(huì).無人水下航行器發(fā)展與應(yīng)用[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù),2012,20(2):51-54.

[2] Brundage M.Development of Li/MnO2pouch cell batteries for military communications electronics equipment[C]//13thAnnualBatteryConferenceonApplicationsandAdvances.Long Beach:CA,1998.

[3] 郭炳焜,李新海,楊松青.化學(xué)電源：電池原理及制造技術(shù)[M].湖南長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2003:309-313.

[4] 王艷峰,胡欲立.采用鋁基注塑電池架改善電池艙段散熱效果的研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,30(3):428-434.

Wang Yanfeng,Hu Yuli.Success fully Improving heat dissipation effect inside battery compartment using aluminium-basedand plastic-covered battery frame work[J].JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversity,2012,30(3):428-434.(in Chinese)

[5] 黃海江.鋰離子電池安全性研究及影響因素分析[D].上海:中國科學(xué)院,2005:22-23.

[6] 胡梵,陳則韶.量熱技術(shù)和熱物性測(cè)定[M].安徽合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2009:56-82.

[7] 白清源,張興娟,楊春信.鋰/二氧化硫電池比熱容的測(cè)量與分析[J].電子機(jī)械工程,2011,27(6):1-3.

Bai Qingyuan,Zhang Xingjuan,Yang Chunxin.Test and analysis of the specific heat capadty of Lithium/Sulfur dioxide battery[J].Electro-MechanicalEngineering,2011,27(6):1-3.(in Chinese)

[8] 郭敏,陳杰.水下航行器鋰動(dòng)力電池組的被動(dòng)熱控結(jié)構(gòu)方案[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù),2010,18(4):15-20.

[9] 李茂德,李義,周方.聚合物鋰離子電池溫升及散熱特性研究[J].電源技術(shù),2010,34(9): 885-888.

Li Maode,Li Yi,Zhou Fang.Research of temperature rising and heat dissipation of lithium- ionpoly merbattery[J].ChineseJournalofPowerSources,2010,34(9): 885-888.(in Chinese)