锂离子电池因具有比能量高, 工作温度范围宽等优点, 被广泛运用于电子产品、交通工具及航空航天等领域。近年来, 电动力水下航行器凭借其噪声低, 结构简单, 易充能等优点得以迅速发展。其能量通常由单体电池成组提供, 而锂电池成组使用会产生大量热量, 同时水下航行器内部空气流通差, 如果热量不能很快传递出去, 将会导致电池组温度迅速升高, 从而造成电池性能下降甚至发生爆炸[1]。对密闭舱段电池组温度场进行热分析, 可以获取电池组在工作过程中温度场分布情况, 确保电池组的安全及可靠性。
目前常用的电池温度场计算模型有电化学-热耦合模型和热-电耦合模型[2]。上世纪90年代, Dolye等[3]建立了电池经典电化学模型, 并得以广泛应用。Hosseinzadeh等[4]建立了一种53 Ah大尺寸锂离子电池的电化学-热耦合模型, 用于获取单体电池在汽车测试工况下的放电特性及温度特性。Ye等[5]对一种锰酸锂电池建立了电化学-热耦合模型并进行了实验验证, 结果吻合良好, 同时发现在高速充/放电(2C)过程中应采取适当的冷却方法。但是上述研究局限于单体电池, 并未对电池组的热特性进行探究。因此, 文中以18650型三元锂离子电池为对象, 应用有限元仿真软件Comsol Multiphysics5.4建立该型电池的电化学-热耦合模型, 并在恒温条件下进行充放电实验, 以验证电池模型的准确性; 依据航行器技术要求构建电池组, 对航行器电池组的温度场进行仿真计算, 从而获取电池组在不同工况下的温度分布, 以确保其热安全性。
1.1 控制方程 文中基于多孔电极理论建立了所选锂电池的电化学模型[3], 结构如图1所示。 图1 锂电池电化学模型示意图 该模型由一对正负极集电器、负极、隔膜和正极组成。电化学反应过程可用如下方程描述[4]。 固相扩散方程 液相扩散方程 由欧姆定律得固相电荷守恒方程 Butler-Volmer方程 …… 1.2 模型参数 关键模型参数见表1~表3[4-8]。表中, 电池热物性参数经均一化处理, 由加权平均所得。 表1 一维电池模型参数 表2 电化学参数 表3 电池热物性参数 文中荷电状态(state of charge, SOC)定义为对应电极所含锂离子浓度与对应电极最大锂离子浓度之比[9]。 该型三元锂电池标称电压3.6 V, 额定容量2.75 Ah, 放电截止电压为2.7 V。实验设备为恒温箱、蓝电电池测试系统CT2001C和激光测温仪。通过恒温条件下的放电实验验证电化学-热耦合模型的准确性。 在23℃恒温条件下进行电池的1C和0.75C放电测试, 获取电池表面平均温度。仿真与实验拟合结果如图2所示。 图2 电池温度拟合曲线 实物仿真部分的主控系统由计算处理模块、电源转换模块、串口通信模块、A/D转换模块、电机驱动模块和数据存储模块等部分组成, 并通过RS232串口、A/D、D/A等硬件接口与虚拟仿真部分连接, 从而可以完成水下滑翔机的运动控制、与岸站接收机通信、传感器数据采集和存储等任务。 由图2可见初始温度相同, 单体电池在放电过程中温度呈上升趋势, 单位时间内电流越大, 温度上升越快。0.75C和1C放电结束时电池温度由初始的21.6℃分别上升至25.53℃和30.36℃。电化学-热耦合模型温度拟合准确性良好, 结果中最大相对误差仅为约0.2%。 3.1 电池组模型及边界条件 水下航行器在航行过程中, 动力电机的功率随航速变化而变化。电池组由动力电池组和仪器电池组构成, 其额定电压皆为25.2 V。整个电池组分为6层, 动力电池组与仪器电池组各占3层。动力电池组采用先并联后串联的方式连接[10], 共7串27并; 仪器电池组为7串14并, 共287节电池。电池组结构如图3所示。 图3 电池组结构示意图 用静止流体的导热系数来描述电池舱内密闭空气的对流换热[11], 锂离子电池组与海水间的热量传递过程主要为: 1) 电池组电池活性区域与中心镍柱的导热; 2) 电池组电池内部活性区域由内向外导热; 3) 电池组外表面与舱内密闭空气传热; 4) 舱内密闭空气与电池舱内壁传热; 5) 电池舱段内壁与外壁的导热; 6) 电池舱外壁与海水之间强制对流换热。 上述过程中, 电池内部导热过程简化为常物性、有内热源的均匀介质非稳态传热问题, 电池产热量由式(8)和式(9)计算可得, 忽略辐射换热。 设定航行器初始温度20℃, 海水温度为15℃, 电池初始状态为满电, 截止工作电压为 2.7 V。 航行器航速分别为5、7、10 kn时, 与工况对应的外壳与海水对流换热系数经计算分别为4 223、6 161、8 880 W/(m2·K)[1]。 对于仪器电池, 用电功率86.3 W, 可知单体电池放电电流为0.25 A; 对于动力电池, 航行器功率和速度的关系式 式中: P为推进功率; ρ为海水密度; v为航行器速度; Cd为正面水阻系数; ηt为推进系数; S为航行器横截面积。 由此可得航行器航速为5、7、10 kn时, 单体电池对应的放电电流分别为0.33、0.9、2.62 A。 3.2 仿真结果分析 通过电化学-热耦合模型可获取不同航速下的动力电池和仪器产热量如图4所示。其中, 横轴为放电深度(depth of discharge, DOD); 纵轴表示电池热源大小, 正值表示放热, 负值表示吸热。 图4 电池产热量随DOD变化曲线 从图4(a)可知, 当DOD<90%时, 5、7、10 kn的动力电池产热量分别为0、1 800、15 000 W/m3。当DOD>90%时, 由于电池内阻增大而导致产热量极速上升至2 500、13 500、76 500 W/ m3。由图4(b)可知, 仪器电池的电流不受航速变化影响, 产热量保持在900 W/m3以内。 受电池产热量影响, 电池组中2种电池的平均温度随DOD变化曲线如图5所示。由图可知, 动力电池温度随航速增加而上升, 当SOC低于0.2时, 动力电池内阻逐渐增大导致产热量增加, 电池温度上升趋势增大。放电结束时, 动力电池平均温度到达最大值, 分别为19.15℃, 26.1℃和39.8℃。仪器电池放电电流不随航速变化而变化, 并且受动力电池限制, 不同工况下的DOD不同,其温度受动力电池发热影响导致随航速增加而略微升高, 工作过程中最高平均温度分别为20.15℃, 20.55℃和21.15℃。 图5 电池组平均温度随DOD变化曲线 放电结束时刻空气温度分布如图6所示。此时空气最大温差随航速增大而增大, 分别约为4.3℃, 11.9℃和26.2℃。而空气层厚度约2 cm, 所以尽管外壳与海水换热良好, 但是舱内空气导热性差, 电池产生的热量难以迅速排出。 第3层电池由仪器和动力电池混合, 在放电过程中存在温度分布不均匀现象。在放电结束时刻, 其温度分布不均最为明显, 如图7所示。 由图7(a)可知, 第3层的电池组位于中心区域的动力电池温度比四周要高。综合来看, 温差随着航速的增加而增大。最大温差分别为1℃, 3.5℃和15℃。 图6 截面空气温度场分布 图7 第3层电池温度场分布 图8 电池组最高温度分布 文中 通过COMSOL Multiphysics软件建立锂离子电池的电化学-热耦合模型, 并对50 kg级水下航行器动力舱段的电池温度场进行了仿真计算。发现由于水下良好的换热条件, 航行器航速在10 kn以下时, 电池组的温度变化不会引起热安全问题。具体结论如下: 1) 通过恒温放电实验验证了电化学-热耦合模型可精确计算电池单体在0.75C倍率和1C倍率的温度变化, 其拟合结果相对误差在0.2%以内; 2) 在航速分别为5 kn, 7 kn和10 kn时, 电池舱段温度随航速的增大而升高, 10 kn时最高温度可达41.3℃, 最大温度出现在电池组的中心区域。尽管海水与外壁对流换热良好, 但是舱段内空气流通性差, 电池产生的热量难以迅速排出, 在更高工况时, 需要考虑针对电池的散热设计; 3) 该型电池组的第3层电池由仪器与动力电池组合构成, 导致了其在工作过程中存在相对的温度不均匀。并且随着航速的增大, 温度不均匀性也在增加。 下一步的工作将变换应用场景, 在更大倍率充放电下, 对换热环境较为严苛的锂离子电池组进行热分析研究。
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能量密度：125-160Wh/kg
充放电能力：5-10C（20-80%DOD）
温度范围：-40℃—65℃
自耗电：≤3%/月
过充电、过放电、针刺、 挤压、短路、
撞击、高温、枪击时电池不燃烧、爆炸。
动力电池循环寿命不低于2000次，
80%容量保持率；
电池管理系统可靠、稳定、适应性 强，
符合国军标要求。
