深海装备用锂电池热传递研究

闫 枫， 付 平， 毕 杰

(青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266100)

300KADCP 是一种用于测量水速的水声学流速计，也是海洋潜标系统中重要的观测仪器。声学频率为300 kHz，利用回声定位原理，向水中发射声波，水中的散射体使声波产生散射；通过接收散射体返还的回波信号[1]，计算海水在不同深度的流速。

在25 ℃的工作环境下，300KADCP 工作周期为1.28 s，每发射一个ping 值，所需脉冲电流约为300 mA，脉冲电压约为47 V，脉宽0.32 s；发射完成后，脉冲电流约为7 mA，脉冲电压约为49.80 V。在4 ℃的工作环境下，300KADCP 工作周期为1.28 s，每发射一个ping 值，所需脉冲电流约为200 mA，脉冲电压约为45.70 V，脉宽0.38 s；发射完成后，脉冲电流约为17 mA，脉冲电压约为49 V。

王晋鹏等[2]通过对锂离子电池进行温度场分析发现：电池的放电速率越快，电池内部的最高温度就越高；电池表面的对流换热系数越大，电池内部的最高温度就越低。证明了不同对流换热系数影响海洋装备锂电池的放电效率。

1 锂电池热量传递方式

锂电池在放电反应的过程中会发生放热并进行热量传递。根据传热模式的不同，可将传热过程分为热传导、热对流和热辐射三种形式[3]。

1.1 热传导

当两物体之间发生热传导时，它们一定是相互接触，因此导热是一种直接依赖接触的传热方式。如图1 所示，根据傅里叶定律，单位时间内通过单位面积的导热热量与该方向的温度梯度成正比，即：

图1 平板的导热

当温度只在x 一个方向上发生变化，则根据傅里叶定律表达式进行积分可得：

式中：δ 为平板的厚度，mm；tw1、tw2为温度梯度，℃。

1.2 热对流

具有不同温度的流体与固体之间的热量传递过程，称为对流传热。对流传热的基本公式是牛顿冷却公式：

式中：h 为表面传热系数，W/(m2·K)。规定温差Δt 取正值，当壁面温度高于流体温度时，Δt=tw-tf；当壁面温度低于流体密度时，Δt=tf-tw。其中：tw为壁面温度，tf为流体温度，℃。

牛顿冷却公式表明对流换热时单位面积的换热量正比于壁面和流体之间的温度差。

1.3 热辐射

热辐射是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度越高，辐射出的总能量就越大。热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播[4]。

2 锂电池放电实验

2.1 实验装置

锂电池放电实验主要包括单节电池、步入式高低温湿热交变试验箱、锂电池综合测试仪、计算机、数据记录仪等。高低温箱模拟海洋水温环境，锂电池综合测试仪实现恒流充放电并对电池的电压和电流进行实时采集。计算机使用EB 测试系统软件控制启动和同步记录数据[5]。图2 所示为高低温箱，图3 所示为锂电池综合测试仪。

图2 防爆实验室高低温箱

图3 锂电池综合测试仪

2.2 实验步骤

分别测试锂电池在4、25 ℃放电效率的变化，具体步骤如下。

(1)设置两组实验，锂电池分别在25、4 ℃工况下放电，标记为第①、②组。单节锂电池与锂电池综合测试仪连接。

(2)将第①组放置于25 ℃环境中，利用电池测试软件将锂电池综合测试仪与笔记本电脑连接，EB 测试系统软件将实时监测电池容量，设置锂电池以200 mA 放电4 h，模拟温度对电池在放电过程中电压变化的影响，实验完成保留数据，作为数据1。

(3)将第②组置于高低温箱内，将高低温箱调节至恒温4 ℃，同样使用EB 测试软件进行实时监测，设置锂电池以200 mA 放电4 h，实验完成保留数据，作为数据2。

(4)整理数据并将实验结果做对比分析。

2.3 实验结果分析

实验结果如图4 所示，锂电池在25 ℃环境下电压下降速率远小于在4 ℃环境下，经过4 h 恒流放电后，第①组电压约为3.55 V，第②组电压约为3.02 V。

图4 25与4 ℃电池电压下降图

综上所述，不同温度条件下，锂电池放电效率不同。温度越低，锂电池电压下降越快，放电效率就越低。

3 锂电池组热传递有限元分析

3.1 锂电池组建模

根据300KADCP 仪器工作电压，将电池组设计为9 串联3并联的方式进行连接，获得功率输出，如图5 所示。

图5 电池组内部电路原理

3.2 计算条件

使用有限元软件Workbench 进行模拟仿真。首先在Solidworks 三维设计软件中完成电池组的建模，将模型导入Workbench 中进行有限元分析，具体步骤如下。

(1)打开项目Engineering Data，定义材料属性，使用亚硫酰氯锂电池，经查阅文献[6]知：ρ=1 959.3 kg/m3，k =1.08 W/(m·K)，c=1 159.3 J/(kg·K)。

(2)定义单元类型，使用Mesh 进行网格划分，根据几何特征，选择六面体网格。

(3)施加条件，根据电池组9 串3 并结构，设置观测仪器发射ping 值所需电流，放电5 771 250 s，环境温度设置为4 ℃，设置体热源，对流传热系数为2、10 W/(m2·K)。

(4)绘制内部温度云图。

3.3 数值模拟结果及分析

经过软件计算，得到了锂电池组温度云图，如图6、图7 所示，在对流换热系数为10 W/(m2·K)的条件下，电池组温度由内到外逐渐降低，电池组内部最高温度在中心位置，约为20.75 ℃，最低温度在边缘位置约为12.97 ℃；在对流换热系数为2 W/(m2·K)的条件下，电池组温度依然是由内到外逐渐降低，电池组内部最高温度在中心位置，约为63.09 ℃，最低温度在边缘位置约为53.84 ℃。

图6 10 W/(m2·K)温度云图

图7 2 W/(m2·K)温度云图

由图8、图9 所示温度变化曲线可知：在对流换热系数为10 W/(m2·K)的条件下，电池内部达到稳态的时间约为1.23×105s，最低温度与最高温度温差约为7.864 ℃；在对流换热系数为2 W/(m2·K)的条件下，电池内部达到稳态的时间约为3.08×105s，最低温度与最高温度温差约为9.25 ℃。两者达到稳态的时间相差1.85×105s。

图8 10 W/(m2·K)电池组温度变化曲线

图9 2 W/(m2·K)电池组温度变化曲线

在2 W/(m2·K)的条件下，电池组放电的过程中温度在逐渐升高，而10 W/(m2·K)的条件下，电池组温度逐渐降低，说明前者减缓热量流失的速度远高于后者，所以，要保证电池组的温度，就要减小电池组与周围环境的对流换热系数。

4 实验验证

将电池组分别在对流换热系数为10、2 W/(m2·K)的条件下进行实验，实验装置如第2 节所示。

4.1 实验步骤

(1)设置两组实验，锂电池分别在10、2 W/(m2·K)条件下进行放电，标记为第①、②组。锂电池组与锂电池综合测试仪连接。

(2)第①组利用电池测试软件将锂电池综合测试仪与笔记本电脑连接，EB 测试系统软件将实时监测电池容量，设置锂电池按300KADCP 工作功率放电1 h，记录电池组电流和电压数据。

(3)第②组同样设置锂电池按300KADCP 工作功率放电1 h，记录电池组电流和电压数据。

(4)整理数据并将实验结果做对比分析。

4.2 实验结果分析

实验结果如图10、图11。由图10 可得，在对流换热系数为10 W/(m2·K)的条件下，最低脉冲电压为27.26 V，脉冲电流为171.60 mA；由图11 可得，在对流换热系数为2 W/(m2·K)的条件下，最低脉冲电压为28.86 V，脉冲电流为301.60 mA。

对流换热系数越高，300KADCP 所需要的脉冲电压越低，电池组的放电效率就越低。与电池组数值模拟结果一致。因此，在深海低温环境下，要减小电池组的对流换热系数，进而减缓热量的流失，提高电池组的放电效率。

图10 10 W/(m2·K)的电压和电流变化曲线

图11 2 W/(m2·K)的电压和电流变化曲线

5 结语

本文通过实验证明环境温度越低，锂电池放电效率就越低。继而对锂电池组在相同温度、不同对流换热系数下放电进行数值模拟与实验研究，结果表明对流换热系数越低，电池组在放电过程中温度越高。

因此在深海低温的环境下，为了保证观测仪器能够完成既定的任务，就需要减缓电池组工作时对流传热所释放的热量，对流换热系数增加，电池表面热量传递越快，电池内部温度降低，温差也随之变大；同时，温度降低导致电池电化学反应效率降低，使电池的放电时间缩短。在深海低温环境下工作，电池组周围要包覆合适的材料来减缓热量传递，提高电池的放电效率，延长300KADCP 的工作时间。