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(guó)開(kāi)始水下自航器(unmanned underwater vehicle,UUV)的研究工作.隨著海洋的深入開(kāi)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(lái),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(guò)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(yáng)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(guò)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(méi)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(guò)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(jiàn)圖1,測(cè)溫點(diǎn)見(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程見(jiàn)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(wèn)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(guò)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(guò)程和電池組內(nèi)部的傳熱過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)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(guò)采用相變材料進(jìn)行散熱處理.相變材料在發(fā)生相變過(guò)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(guò)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(guò)密閉電池艙內(nèi)空氣介質(zhì)的自然對(duì)流無(wú)法將電池組(中倍率放電)溫度控制在安全溫度內(nèi).通過(guò)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(guò)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(kāi)展散熱處理的綜合優(yōu)化研究.

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