深海裝備用鋰電池熱傳遞研究

閆 楓， 付 平， 畢 杰

(青島科技大學機電工程學院，山東青島266100)

300KADCP 是一種用于測量水速的水聲學流速計，也是海洋潛標系統(tǒng)中重要的觀測儀器。聲學頻率為300 kHz，利用回聲定位原理，向水中發(fā)射聲波，水中的散射體使聲波產(chǎn)生散射；通過接收散射體返還的回波信號[1]，計算海水在不同深度的流速。

在25 ℃的工作環(huán)境下，300KADCP 工作周期為1.28 s，每發(fā)射一個ping 值，所需脈沖電流約為300 mA，脈沖電壓約為47 V，脈寬0.32 s；發(fā)射完成后，脈沖電流約為7 mA，脈沖電壓約為49.80 V。在4 ℃的工作環(huán)境下，300KADCP 工作周期為1.28 s，每發(fā)射一個ping 值，所需脈沖電流約為200 mA，脈沖電壓約為45.70 V，脈寬0.38 s；發(fā)射完成后，脈沖電流約為17 mA，脈沖電壓約為49 V。

王晉鵬等[2]通過對鋰離子電池進行溫度場分析發(fā)現(xiàn)：電池的放電速率越快，電池內(nèi)部的最高溫度就越高；電池表面的對流換熱系數(shù)越大，電池內(nèi)部的最高溫度就越低。證明了不同對流換熱系數(shù)影響海洋裝備鋰電池的放電效率。

1 鋰電池熱量傳遞方式

鋰電池在放電反應(yīng)的過程中會發(fā)生放熱并進行熱量傳遞。根據(jù)傳熱模式的不同，可將傳熱過程分為熱傳導、熱對流和熱輻射三種形式[3]。

1.1 熱傳導

當兩物體之間發(fā)生熱傳導時，它們一定是相互接觸，因此導熱是一種直接依賴接觸的傳熱方式。如圖1 所示，根據(jù)傅里葉定律，單位時間內(nèi)通過單位面積的導熱熱量與該方向的溫度梯度成正比，即：

圖1 平板的導熱

當溫度只在x 一個方向上發(fā)生變化，則根據(jù)傅里葉定律表達式進行積分可得：

式中：δ 為平板的厚度，mm；tw1、tw2為溫度梯度，℃。

1.2 熱對流

具有不同溫度的流體與固體之間的熱量傳遞過程，稱為對流傳熱。對流傳熱的基本公式是牛頓冷卻公式：

式中：h 為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)。規(guī)定溫差Δt 取正值，當壁面溫度高于流體溫度時，Δt=tw-tf；當壁面溫度低于流體密度時，Δt=tf-tw。其中：tw為壁面溫度，tf為流體溫度，℃。

牛頓冷卻公式表明對流換熱時單位面積的換熱量正比于壁面和流體之間的溫度差。

1.3 熱輻射

熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。一切溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度越高，輻射出的總能量就越大。熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播[4]。

2 鋰電池放電實驗

2.1 實驗裝置

鋰電池放電實驗主要包括單節(jié)電池、步入式高低溫濕熱交變試驗箱、鋰電池綜合測試儀、計算機、數(shù)據(jù)記錄儀等。高低溫箱模擬海洋水溫環(huán)境，鋰電池綜合測試儀實現(xiàn)恒流充放電并對電池的電壓和電流進行實時采集。計算機使用EB 測試系統(tǒng)軟件控制啟動和同步記錄數(shù)據(jù)[5]。圖2 所示為高低溫箱，圖3 所示為鋰電池綜合測試儀。

圖2 防爆實驗室高低溫箱

圖3 鋰電池綜合測試儀

2.2 實驗步驟

分別測試鋰電池在4、25 ℃放電效率的變化，具體步驟如下。

(1)設(shè)置兩組實驗，鋰電池分別在25、4 ℃工況下放電，標記為第①、②組。單節(jié)鋰電池與鋰電池綜合測試儀連接。

(2)將第①組放置于25 ℃環(huán)境中，利用電池測試軟件將鋰電池綜合測試儀與筆記本電腦連接，EB 測試系統(tǒng)軟件將實時監(jiān)測電池容量，設(shè)置鋰電池以200 mA 放電4 h，模擬溫度對電池在放電過程中電壓變化的影響，實驗完成保留數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)1。

(3)將第②組置于高低溫箱內(nèi)，將高低溫箱調(diào)節(jié)至恒溫4 ℃，同樣使用EB 測試軟件進行實時監(jiān)測，設(shè)置鋰電池以200 mA 放電4 h，實驗完成保留數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)2。

(4)整理數(shù)據(jù)并將實驗結(jié)果做對比分析。

2.3 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果如圖4 所示，鋰電池在25 ℃環(huán)境下電壓下降速率遠小于在4 ℃環(huán)境下，經(jīng)過4 h 恒流放電后，第①組電壓約為3.55 V，第②組電壓約為3.02 V。

圖4 25與4 ℃電池電壓下降圖

綜上所述，不同溫度條件下，鋰電池放電效率不同。溫度越低，鋰電池電壓下降越快，放電效率就越低。

3 鋰電池組熱傳遞有限元分析

3.1 鋰電池組建模

根據(jù)300KADCP 儀器工作電壓，將電池組設(shè)計為9 串聯(lián)3并聯(lián)的方式進行連接，獲得功率輸出，如圖5 所示。

圖5 電池組內(nèi)部電路原理

3.2 計算條件

使用有限元軟件Workbench 進行模擬仿真。首先在Solidworks 三維設(shè)計軟件中完成電池組的建模，將模型導入Workbench 中進行有限元分析，具體步驟如下。

(1)打開項目Engineering Data，定義材料屬性，使用亞硫酰氯鋰電池，經(jīng)查閱文獻[6]知：ρ=1 959.3 kg/m3，k =1.08 W/(m·K)，c=1 159.3 J/(kg·K)。

(2)定義單元類型，使用Mesh 進行網(wǎng)格劃分，根據(jù)幾何特征，選擇六面體網(wǎng)格。

(3)施加條件，根據(jù)電池組9 串3 并結(jié)構(gòu)，設(shè)置觀測儀器發(fā)射ping 值所需電流，放電5 771 250 s，環(huán)境溫度設(shè)置為4 ℃，設(shè)置體熱源，對流傳熱系數(shù)為2、10 W/(m2·K)。

(4)繪制內(nèi)部溫度云圖。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

經(jīng)過軟件計算，得到了鋰電池組溫度云圖，如圖6、圖7 所示，在對流換熱系數(shù)為10 W/(m2·K)的條件下，電池組溫度由內(nèi)到外逐漸降低，電池組內(nèi)部最高溫度在中心位置，約為20.75 ℃，最低溫度在邊緣位置約為12.97 ℃；在對流換熱系數(shù)為2 W/(m2·K)的條件下，電池組溫度依然是由內(nèi)到外逐漸降低，電池組內(nèi)部最高溫度在中心位置，約為63.09 ℃，最低溫度在邊緣位置約為53.84 ℃。

圖6 10 W/(m2·K)溫度云圖

圖7 2 W/(m2·K)溫度云圖

由圖8、圖9 所示溫度變化曲線可知：在對流換熱系數(shù)為10 W/(m2·K)的條件下，電池內(nèi)部達到穩(wěn)態(tài)的時間約為1.23×105s，最低溫度與最高溫度溫差約為7.864 ℃；在對流換熱系數(shù)為2 W/(m2·K)的條件下，電池內(nèi)部達到穩(wěn)態(tài)的時間約為3.08×105s，最低溫度與最高溫度溫差約為9.25 ℃。兩者達到穩(wěn)態(tài)的時間相差1.85×105s。

圖8 10 W/(m2·K)電池組溫度變化曲線

圖9 2 W/(m2·K)電池組溫度變化曲線

在2 W/(m2·K)的條件下，電池組放電的過程中溫度在逐漸升高，而10 W/(m2·K)的條件下，電池組溫度逐漸降低，說明前者減緩熱量流失的速度遠高于后者，所以，要保證電池組的溫度，就要減小電池組與周圍環(huán)境的對流換熱系數(shù)。

4 實驗驗證

將電池組分別在對流換熱系數(shù)為10、2 W/(m2·K)的條件下進行實驗，實驗裝置如第2 節(jié)所示。

4.1 實驗步驟

(1)設(shè)置兩組實驗，鋰電池分別在10、2 W/(m2·K)條件下進行放電，標記為第①、②組。鋰電池組與鋰電池綜合測試儀連接。

(2)第①組利用電池測試軟件將鋰電池綜合測試儀與筆記本電腦連接，EB 測試系統(tǒng)軟件將實時監(jiān)測電池容量，設(shè)置鋰電池按300KADCP 工作功率放電1 h，記錄電池組電流和電壓數(shù)據(jù)。

(3)第②組同樣設(shè)置鋰電池按300KADCP 工作功率放電1 h，記錄電池組電流和電壓數(shù)據(jù)。

(4)整理數(shù)據(jù)并將實驗結(jié)果做對比分析。

4.2 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果如圖10、圖11。由圖10 可得，在對流換熱系數(shù)為10 W/(m2·K)的條件下，最低脈沖電壓為27.26 V，脈沖電流為171.60 mA；由圖11 可得，在對流換熱系數(shù)為2 W/(m2·K)的條件下，最低脈沖電壓為28.86 V，脈沖電流為301.60 mA。

對流換熱系數(shù)越高，300KADCP 所需要的脈沖電壓越低，電池組的放電效率就越低。與電池組數(shù)值模擬結(jié)果一致。因此，在深海低溫環(huán)境下，要減小電池組的對流換熱系數(shù)，進而減緩熱量的流失，提高電池組的放電效率。

圖10 10 W/(m2·K)的電壓和電流變化曲線

圖11 2 W/(m2·K)的電壓和電流變化曲線

5 結(jié)語

本文通過實驗證明環(huán)境溫度越低，鋰電池放電效率就越低。繼而對鋰電池組在相同溫度、不同對流換熱系數(shù)下放電進行數(shù)值模擬與實驗研究，結(jié)果表明對流換熱系數(shù)越低，電池組在放電過程中溫度越高。

因此在深海低溫的環(huán)境下，為了保證觀測儀器能夠完成既定的任務(wù)，就需要減緩電池組工作時對流傳熱所釋放的熱量，對流換熱系數(shù)增加，電池表面熱量傳遞越快，電池內(nèi)部溫度降低，溫差也隨之變大；同時，溫度降低導致電池電化學反應(yīng)效率降低，使電池的放電時間縮短。在深海低溫環(huán)境下工作，電池組周圍要包覆合適的材料來減緩熱量傳遞，提高電池的放電效率，延長300KADCP 的工作時間。