采用铝基注塑电池架改善电池舱段散热效果的研究

　　西北工业大学学报采用铝基注塑电池架改善电池舱段散热效果的研究王艳峰U，胡欲立u（1.西北工业大学航海学院，陕西西安710072；2.西北工业大学水下航行器研究所，陕西西安710072）外界环境时，容易导致电池舱段内部单体电池发生短路、泄放和爆炸等安全事故，所以研究采用铝基注塑电池架改善电池舱段散热效果的可行性非常必要。首先建立了电池舱段热传递的数学物理模型；其次当电池舱段采用铝基导热塑料电池架以23A恒流连续工作5h时，对其内部瞬态温度和温度分布情况进行了试验测量；后在FLUENT环境下，对几种电池架的辅助散热能力进行了数值计算。通过仔细对比试验结果和仿真结果发现，采用铝基导热塑料电池架能够显著降低电池舱段内部高温度，满足该型水下航行器电池舱段在温度控制方面的工程要求（矣70°C），且具有一定的温度裕量。

　　善水下航行器电池舱段散热效果，降低电池舱段内部高温度的可行性。

　　1理论分析锂/亚硫酰氯电池是目前电化学体系中能量密度高的一次电池，具有比体积小、自放电率低、工作电压高且平稳、工作温度范围宽（-50~+85C）、贮存寿命长等优点，已经被广泛应用于航空、航天、航海等许多领域。美国、法国、以色列等国家早已生产并销售该型电池，我国也已经研制成功并获得应用。但是锂/亚硫酰氯电池也存在明显缺点，即工作电压滞后，存在热安全隐患等。锂/亚硫酰氯电池自从上世纪80年代问世以来，世界各地的科学研究人员对它的各种性能做了深人而广泛的研究。但是绝大多数研究工作都集中在电化学领域，对锂/亚硫酰氯电池热物理方面的研究几乎无人问津。本文中先将一系列锂/亚硫酰氯电池组装成电池组模块，再将若干个电池组模块组装成电池舱段整体。当电池舱段工作时，锂/亚硫酰氯电池产生大量热量，如果不能将热量快速传递到外界环境时，就会严重影响电池舱段的工作效率，并可能导致安全事故。所以研究采用铝基注塑电池架改善水下航行器电池舱段散热效果，降低电池舱段内部高温度是非常重要的。本文通过理论分析、试验测量和数值计算的方法重点探究了采用铝基注塑电池架改：2011-）647电池架结构材料分别为：ABS工程塑料、导热塑料、铝基/铜基ABS工程塑料和铝基/铜基导热塑料，其中ABS工程塑料电池架如所示，铝基ABS工程塑料电池架如所示。

　　根据传热学知识可知，材料的传热能力主要和该材料的导热系数有关，即导热系数越高，该型材料的传热能力就越好。本文中涉及到的几种材料的导热系数在表1中给出。

　　表1电池架结构材料的导热系数名称单位数值ABS塑料导热塑料铝铜锂/亚硫酰氯电池是目前应用为广泛的一次电池之一，电池正极材料是多孔碳，负极材料是锂或者锂合金，亚硫酰氯是正极活性物质和无机非水电解液，四氯铝锂是电解质。当锂/亚硫酰氯电池工作时总化学反应为：正极反应：负极反应：由于单质锂易燃，亚硫酰氯沸点为79°C，且上述反应中有气体生成易使电池内压大于外压，因此温度过高容易导致电池发生泄放、爆炸等安全事故，所以从理论上讲，锂/亚硫酰氯电池的工作温度应不大于79°C，但在水中兵器领域，为使温度控制具有一定裕量，规定该型电池使用温度不得超过70°C，即必须采取适当措施将上述水下航行器电池舱段高温度控制在70C以下，这也是本文研究的重点。

　　锂/亚硫酰氯电池是电池舱段的热源，热量主要由电池内部焦耳效应、极化反应和化学反应产生。Bernadi等人认为锂/亚硫酰氯电池内部热流量是均产生的，即电池内部区域单位时间内的热生成率可表达为：；Ib为电池工作电流（A）；Vb为电池体积（m3）；Ec为电池开路电压；E为电池工作电压（V）；t为电池内部瞬态温度；r为电池半径（m）；Rb为电池电阻（⑶，Rb是通过。

　　根据可知，当试验现场初始温度为10C，电池组模块放电电流为23A，放电时间为5h时，电池舱段内部通过试验测量的高温度为64°C，通过仿真计算出的高温度为67°C.仔细比较试验测量结果和数值计算结果可知，同一时间内的试验测量值总是比数值计算值低3C左右，主要原因是试验过程中热电偶紧贴在被测电池侧面，测量的是电池表面温度，而数值计算过程中，高温度为计算区域内体高温度，即电池中心温度。电池放电过程中产生的热量沿径向向外传递，导致电池中心温度高，表面温度小于中心温度，且温度呈梯度分布。所以仿真结果总是高于试验结果。

　　3仿真计算为了进一步探究金属基板注塑电池架对电池舱段内部瞬态温度变化情况和温度分布云图的影响，本文在上述试验测量的基础上，利用FLUENT软件仿真分析了采用不同类型的电池架辅助散热时电池舱段内部瞬态温度变化情况和温度分布云图。

　　3.1计算网格境下，建立电池舱段的几何模型，并对部分区域进行适当简化，然后利用四面体非结构化网格技术和混合网格技术对上述几何模型划分三维非结构化网格，并采用边界层网格技术对界面网格进行加密，后利用网格局部加密技术对网格进行细化，结果如所示。

　　3.2边界条件在GAMBIT环境下完成电池舱段的网格划分后，对其定义热分析边界条件，各计算区域和界面的边界条件在表2中给出。边界条件设置完成后，导出网格文件。

　　表2电池舱段部分参数及边界条件名称单位数值边界类型电池直径电池高度电池密度固体区域电池比热容界面流固耦合换热电池导热率W/（mK）体热源根据公式（4）计算电池容量电池内阻电池组模块固体区域界面流固耦合换热固体区域电池舱段内部流固耦合换热外部对流换热空气夹层流体区域界面流固耦合换热3.3计算结果启动FLUENT三维单精度运算平台，导人上述网格文件，设置好计算条件后开始对电池舱段热过程进行数值计算。将计算结果导人TECPLOT环境，绘制各工况下瞬态温度变化曲线和扫掠面温度分布云图，结果如~1所示。

　　中3条曲线分别为ABS工程塑料电池架（人0.26）、铝基ABS工程塑料电池架（0.26 +人203）和铜基ABS工程塑料电池架（X0.26+X388）对电池舱段内部高温度的影响。由图可知，金属板外敷工程塑料制作的电池架均能很好地降低电池舱段内部高温度，且金属导热系数越高，高温度越低，但是铝基ABS塑料电池架和铜基ABS塑料电池架在降低高温度方面的差别并不是很明显，且都没有将高温度降低到70°C以下，即采用铝基/铜基ABS塑料电池架还不能满足电池舱段温度控制方面的要求。

　　中3条曲线分别为导热塑料电池架（X10）、铝基导热塑料电池架（10 +X203）和铜基导热塑料电池架（10+X388）对电池舱段内部高温度的影响。由图可知，铝基导热塑料电池架和铜基导热塑料电池架都能将电池舱段内部高温度降低到70°C以下，且还有一定的温度裕量。但是铜基导热塑料电池架和铝基导热塑料电池架在降低高温度方面的差别并不是很大，考虑到电池舱段质量控制方面的要求，建议采用铝基导热塑料电池架改善该型水下航行器电池舱段散热效果。

　　26+X203）和铝基导热塑料电池架（10 +X203）相比，虽然也能很好地降低电池舱段内部高温度，但是还不能满足工程要求（矣70°C）根据0可知，当电池舱段采用铝基导热塑料电池架辅助散热，以23A连续工作5h时，受电池舱段结构限制，XY平面温度分布左右对称，下高上低，次内层电池温度高，且温度分布沿径向向两侧逐渐降低。

　　根据1可知，采用铝基导热塑料电池架辅助散热时，电池舱段内部轴向高温度出现在每层电池腰部，且温度在每层电池内周期性分布。结合可知，铝基注塑电池架紧贴电池底部，且与电池组模块壳体紧密贴合，电池组模块壳体和电池舱段壳体之间通过导轨紧密连接，所以采用铝基注塑电池架能够很好地将电池放电时产生的热量传导至电池组模块壳体，并且通过导轨进一步传导至电池舱段壳体和外界环境。另外，由于导热塑料的导热系数远高于ABS塑料，所以相比铝基ABS塑料电池架，铝基导热塑料电池架能够更好地降低电池舱段内部高温度，改善散热效果，并且很好地满足该型水下航行器电池舱段在温度控制方面的工程要求（矣70°C）。

　　4结论结合传热学和工程热力学的相关知识，通过仔细对比试验测量结果和数值计算结果，进一步深化认识了电池舱段的传热机理和铝基注塑电池架对电池舱段散热效果的影响，并得出如下结论：电池架与电池底部和电池组模块壳体紧密贴合，在热量传递过程中起桥梁作用，通过提高电池架导热系数改善电池舱段内部散热效果是可行的；和塑料电池架相比，金属基板外敷塑料制作的电池架能够很好地降低电池舱段内部高温度；和铝基注塑电池架相比，铜基注塑电池架在降低温度方面的差别不是很大；和铝基ABS塑料电池架相比，铝基导热塑料电池架能够更好地降低电池舱段内部高温度，满足温度控制要求，且还有一定的温度裕量。