盛兆华, 刘亚兵, 杨 军

小型UUV电池组热仿真与试验

盛兆华, 刘亚兵, 杨 军

(中国船舶集团有限公司 第705研究所昆明分部, 云南昆明, 650106)

小型无人水下航行器(UUV)电池组一般使用18650锂离子电池成组, 其产热特性直接影响使用性能与热安全。为了更好地指导电池组的散热设计和安全策略制定, 深入研究其产热特性十分重要。文中搭建了圆柱形锂离子电池单体等效电路-热耦合模型, 辨识了18650电池单体等效电路参数和热参数。针对小型UUV电池组进行了热仿真和试验研究, 结果显示仿真和试验结果吻合度较高, 证明了等效电路-热耦合模型的有效性, 可为UUV电池组热管理提供技术参考。

无人水下航行器; 电池组; 热仿真; 等效电路-热耦合模型

0 引言

锂离子电池具有循环寿命长、比能量高、平台电压高等优点, 在各类水下航行器能源系统使用较为广泛。在实际应用中, 小型无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)因舱段直径较小, 导致空间小、热容小, 经常出现锂电池组因大电流长时间放电造成电子组件异常等情况, 所以锂电池组设计不仅要考虑电管理, 更要重视热管理。

锂离子电池组充放电过程是复杂的动态过程, 其性能与电池单体中电解液特性、活性物质数量、物化反应条件、充放电倍率、温度、荷电状态以及内阻等因素息息相关, 具有较强的非线性特性, 建立较为精确、适用的热模型绝非易事。目前, 常用的电池热模型建模途径有电化学建模、试验建模、等效电路-热耦合建模3种[1-4]。

1) 电化学模型建立在电化学理论基础上, 分析电池内部的化学成分在化学反应过程中的作用和工作时电池化学反应的产热过程。甘云华等[5]、李顶根等[6]使用COMSOL软件电化学仿真模块建立了锂电池电化学-热耦合模型, 分析不同工况下的产热特性。汤依伟等[7]基于电化学热耦合模型研究了动力锂离子电池高倍率充放电过程弛豫行为, 还分析了放电倍率、冷却条件对电池温度变化及分布的影响规律[8]。从理论上讲, 电化学模型最为精准, 但不同厂家不同型号电池正负极浆料配比等参数难以确定, 建模难度大, 科学研究具有一定价值, 但工程应用中一般不采用该方法。

2) 试验建模是通过收集大量电池单体在不同温度、充放电方式、充放电倍率下的温度数据, 利用大数据比对进行拟合建模。王明强等[9]在恒流充放电、开启冷却液条件下进行了三元锂离子动力电池组发热功率试验测试。王子缘等[10]对18650电池进行了压降、温度和瞬时功率分析, 测试得出实际功耗。Quinn等[11]对比分析了18650电池和21700电池的内阻及不同放电倍率下电压平台及温升情况。很明显, 这种建模方法具有较大工程应用价值, 但耗时耗力, 经济成本过高。

3) 等效电路-热耦合模型是一种理论公式与实验数据相结合的热模型, 通过不同温度下少量电池充放电数据, 辨识模型参数, 即可建立较为精准的热模型, 能够反应电池充放电特性和温升情况。程夕明[12]、陈英杰[13]、侯永涛[14]等提出热模参数估计方法。闫回想等[15]建立了锂离子电池2阶Thevenin模型, 通过混合功率脉冲特性(hy- brid pulse power characteristic, HPPC)试验对电池模型参数进行辨识, 验证参数辨识有效性。Lin等[16]建立了圆柱形锂离子电池的集中参数电-热模型, 通过试验对模型参数进行识别, 对模型动力学特性进行分析。

在水下航行器电池组热仿真方面, 王艳峰[17]采用数值仿真和试验测量方法较为全面地研究了放电电流、空气对流换热强度对电池温度特性的影响, 还提出铝基ABS/PPS电池架、热管及石蜡相变等强化散热解决方案。杨威等[18]使用COMSOL软件对某50 kg水下航行器电池组在多航速下的电池温度场进行分析, 获得不同工况下的温度分布。

文章首先建立圆柱形锂离子电池等效电路-热耦合模型, 给出等效电路参数详细辨识方法; 其次针对某型18650电池, 详述内部结构和模型参数的确定方法, 并对其进行热仿真, 得出放电倍率与温度变化规律; 最后, 对某小型UUV电池组进行整组热分析, 并搭建试验平台, 进行电池组放电试验, 通过仿真与试验数据对比分析, 证实了等效电路-热耦合模型的有效性。

1 电池单体热模型

1.1 等效电路-热耦合模型

电池等效电路为

以圆柱形锂离子电池为例, 其热模型为

电池表面采用热流边界, 边界条件为

由式（1）和式（3）可以看出, 等效电路和热模型是通过温度和产热量进行耦合的。

1.2 等效电路参数辨识

等效电路中, 需对开路电压、欧姆内阻、极化电阻和极化电容进行参数辨识。

图1为典型脉冲放电电压曲线。图中: 点之前电池处于长时间搁置状态, 电流为0, 电池内部极化效应逐步减弱, 到点时内部极化效应基本消失, 可认为极化电压为0;段是0.5C放电开始瞬间电压变化, 可认为是在欧姆电阻上的压降;段是放电一段时间后电压变化, 可看作RC环零状态响应;段是放电结束瞬间的电压变化;段是放电结束后搁置期间的电压变化, 此时电流为0, 可看作RC环零输入状态响应。

通过最小二乘拟合法, 可求出RC环极化电阻和电容, 而欧姆内阻可通过段或段的压降计算, 即

图1 脉冲放电电压曲线

1.3 热参数确定

圆柱形电池内部结构一般由正极集流体、负极集流体、正极材料、负极材料和隔膜卷绕而成, 电池径向和轴向导热系数各向异性。为了提高模型的实用性和求解的收敛速度, 对电池的密度、比热容和导热系数均一化处理。

电池密度为

电池比热容为

电池各向导热系数为

2 18650电池单体热仿真

采用上述等效电路-热耦合模型, 通过少量电池单体充放电数据, 识别等效电路-热耦合模型中的关键参数, 通过热仿真得出放电倍率对温度的影响规律。

2.1 内部结构和参数

18650电池制造工序包括配料、涂布、卷绕、入壳等, 其中, 涂布是将正负极配料均匀的喷涂在正负极集流体上, 卷绕是将隔膜、正极片和负极片通过卷绕机制成单个卷芯。电池生产厂家工艺不同, 卷绕层数略有不同, 一般范围在20～24层之间。表1为某型18650电池(3.4 Ah)各结构层材料、厚度和物理参数, 经计算, 该电池卷绕层数达22层。

表1 某18650电池各结构层材料、厚度和物理参数

由式(8)～式(11)得出电池密度为2 415 kg/m3, 电池比热容为1 036 J/(kg·K), 电池径向导热系数为0.7395 W/(m·K), 轴向导热系数为92.295 W/(m·K)。

对该电池进行倍率0.05C放电测试, 放电数据经5次多项式拟合, 得出开路电压对该电池进行不同温度下恒流脉冲放电测试, 数据见图2。

为了便于零状态和零输入响应拟合, 取等效电路RC环个数为2。极化电阻与SOC和温度都呈现强相关性, 拟合关系式为

极化电容与SOC和温度都呈现强相关性, 拟合关系式为

2.2 有限元热仿真

通过ABAQUS软件进行热耦合模型计算, 步骤如下。

1) 建立几何模型。18650电池呈圆柱状, 拉伸实体, 直径0.018 m, 高0.065 m。

2) 创建材料属性。根据表1参数经式(10)和式(11)计算得到电池单体各向导热系数见表2。创建密度、比热容和导热系数3个材料属性, 其中导热系数各向异性, 材料属性赋于几何模型。

表2 18650电池热物属性

3) 创建装配体。

4) 创建分析步。创建热传导分析步, 步数120。

5)创建相互约束。单节18650电池单体内部生热, 通过表面与空气热对流、热辐射2种途径散热, 相互约束考虑表面对流和热辐射。设定表面对流传热系数, 圆柱面10 W/(m·K), 两端面20 W/(m·K), 环境温度20℃; 黑度0.9, 环境温度20℃。

6) 创建边界条件及载荷。预定义初始温度场20℃, 通过用户子程序创建体热流载荷, 单位体积产热量为

7) 划分网格。使用单元类型热传导专用网格DC3D8。

8) 创建分析任务。选择用户子程序分析。

2.3 仿真结果

电池单体不同放电倍率下仿真结果对比见图3。由图可知, 随着放电倍率增加, 电池温升速率显著增快, 这是因为产热量与放电电流平方相关。整个放电周期内, 电池温升呈现先快后慢再快的趋势, 这主要与欧姆电阻和极化电阻随SOC和温度变化有关。放电初期, 温度较低, 欧姆电阻和极化电阻阻值较大, 产热量较大, 电池表现温升较快; 放电中期, 随着温度上升, SOC下降, 欧姆电阻和极化电阻阻值减小, 产热量降低, 电池表现温升变慢; 放电后期, 温度对欧姆电阻和极化电阻阻值影响甚微, SOC起主导作用。随着荷电状态下降, 极化电阻阻值增加, 导致产热量增大, 电池温升变快。

图3 不同放电倍率下18650电池单体表面最高温度温升曲线

3 电池组热仿真与试验

3.1 三维结构

考虑到经济和实用性, 小型UUV电池组设计一般采用18650聚合物锂离子单体电池成组。电池由保持架固定, 保持架设计有燕尾卡槽, 可拼接, 满足任意形状和尺寸的拼接需求。在电池正负极集流体点焊镍片将电池串并联, 组成单元电池。单元电池装入电池架, 组装为电池组。

图4为某小型UUV电池组三维布局。电池组28并7串, 共使用196节18650电池。电池架采用尼龙材料, 满足强度的同时质量较轻, 且具有极佳绝缘性能, 缺点是材料导热性能较差。

图4 某小型UUV电池组结构

3.2 有限元热仿真

电池组放置于UUV能源舱段内, 忽略舱内空气热对流, 仅考虑热传导过程, 建模需要考虑舱内空气。有限元仿真步骤与电池单体基本相同, 不同之处如下。

1) 建立几何模型。模型由舱段壳体、电池架、空气和196枚18650电池组成。

2) 创建材料属性。创建铝合金、空气和尼龙材料属性见表3, 连同表2电池相关材料属性一同赋于几何模型。

表3 材料热物属性

3) 创建相互约束。舱段壳体、电池架、18650电池以及空气两两之间建立绑定约束, 用于传递界面温度。舱段壳体外侧浸入海水中, 考虑与海水表面对流, 设定表面对流传热系数30 W/(m·K), 环境温度15℃。

3.3 仿真结果

不同放电倍率下电池组仿真结果见图5。每幅图从左到右依次为电池组舱段轴侧温度场(不含空气)、径向截面温度场和轴向截面温度场。从仿真结果看出: 1) 4种放电倍率下温度场分布类似, 电池组内部中心温度最高, 最高温度分别为26.8℃、51.3℃、79.4℃和108.1℃, 温度由中心向周围逐步降低, 两端电池单体与中心处电池单体温差较大, 上方空气平均温度分别为20.9℃、33.4℃、47.5℃和61.9℃; 2) 2C放电倍率下, 中心最高温度108.1℃,已达到锂离子电池热失控初级阶段, 可能造成固体电解质界面(solid electrolyte interphase, SEI)膜分解和破坏, 存在热失控风险; 3) 舱段壳体、电池架与电池单体温差较大, 说明电池架尼龙材料导热性能较差, 无法将电池单体产热传导至舱段壳体; 4) 空气热阻较高, 电池单体产热无法有效传导至舱段壳体, 造成舱段内空气平均温度较高, 可能影响上方电子组件的工作性能。

3.4 试验结果

搭建如图6所示放电试验平台。试验平台由电池组、接触器、电子负载和线缆组成, 接触器用于回路接通和关断, 可编程电子负载用于控制放电电流的大小。负极线缆连接电池组负极和电子负载负极, 正极电缆通过接触器将电池组正极和电子负载正极相连。温度成像选择Fluke热成像仪。

图5 不同放电倍率下电池组温度场云图

图 6 放电试验平台

1C倍率放电结束时, 电池组热成像见图7。电池组、线缆和接触器都呈现出较高温度, 电池组中心最高温度为49.5～50.3℃, 与仿真结果相近。

4 总结与展望

文中首先搭建了圆柱形锂离子电池单体等效电路-热耦合模型, 对等效电路参数、热参数进行辨识和确认。其次, 对18650电池单体进行热仿真, 结果显示电池单体温升呈现先快后慢再快的趋势。最后, 对小型UUV电池组进行热仿真和试验研究, 结果显示仿真结果和试验结果吻合度较高, 从而证明了等效电路-热耦合模型有效性。后续工作将开展热失控机理、防控策略研究。以热失控为特征的锂离子电池安全事故时有发生, 故安全性是锂离子电池大规模应用过程首要解决的问题, 后续将针对此方向开展深入研究。

图7 1C倍率放电结束时电池组热成像

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Thermal Simulation and Experiment of Small UUV Battery Pack

SHENG Zhao-huaLIU Ya-bingYANG Jun

(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Kunming 650106, China)

Small unmanned undersea vehicles(UUVs) generally use 18650 lithium-ion battery packs, whose thermal characteristics directly affect the service performance and thermal safety of the UUVs. To design a heat dissipation system and develop a safety strategy for this battery pack, it is crucial to study its heat generation characteristics. In this study, an equivalent circuit-thermal coupled model of the cylindrical lithium-ion battery is established, and the equivalent circuit parameters and thermal parameters of the 18650 battery are identified. Further, a thermal simulation and experiment are performed on a small UUV battery pack, and the simulation results are in good agreement with the experimental results; thus, the validity of the equivalent circuit-thermal coupled model is proved. This study provides a technical reference for the thermal management of battery packs of undersea vehicles.

unmanned undersea vehicle; battery pack; thermal simulation; equivalent circuit-thermal coupled model

TJ630; TB131

A

2096-3920(2021)06-0725-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.012

盛兆华, 刘亚兵, 杨军. 小型UUV电池组热仿真与试验[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(6): 725-732.

2021-10-06;

2021-12-06.

盛兆华(1992-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为水下航行器动力推进技术.

(责任编辑: 陈 曦)