CN117313440B - 基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法 - Google Patents

Abstract

为解决现有技术难以兼顾水下装备的高航速、远航程、安全性、受限空间和轻量化性能的问题，本发明提供一种基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法，在满足不超过装备电池舱段最大设计质量的前提下，首先为水下装备的单个电池组单元配置不同质量被动热管理组件并开展放电实验，以被动热管理组件的重量和单个电池组单元的放电可用能量作为评价指标，基于评价结果为单个电池组单元匹配最佳热管理组件及确定相应的电池组单元的可用能量密度；然后用水下装备电池组设计要求的总能量除以配置最佳热管理组件后单个电池组单元的可用能量密度和质量，即得到满足水下装备设计要求所需电池组单元的数目，且不会造成电池组单元和热管理组件的冗余。

Description

基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法

技术领域

本发明涉及水下装备电池组设计技术领域，尤其涉及一种基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法。本发明所述的水下装备包括水下航行器、水下预置无人可移动平台、水下仿生潜航器和水下滑翔机等。

背景技术

水下装备是开发海洋、走向深蓝的攻坚利器。受益于锂电池技术的发展，电动力水下装备越来越受到关注。

航速和航程是评价电动力水下装备的关键技术指标，而水下装备电池组的性能也与这两个关键技术指标密切相关。

高航速要求水下装备电池组的放电倍率要尽可能大（远远大于电动汽车的放电倍率），而高放电倍率则意味着电池组放电过程中产热会特别剧烈。为了保证水下装备工作的安全可靠性，当其电池组温升超过一定值时会断开电源，导致任务执行的完整性受限。因此，现有的水下装备为了实现高速航行并保证任务执行的完整性，通常采用提高其电池组单元的并联数目从而降低单个电池组单元的放电倍率以减小电池产热。但是，由于水下装备的电池舱段为受限密闭空间，很难容纳更多数目的电池组单元，因此更多时候难以满足高航速要求。此外，为了保证电池组大倍率放电的安全性，本领域通常还采用为电池组增加热管理组件的方法来增强水下装备高速航行过程中其电池组的散热能力。然而，增加热管理组件会增加额外的重量，不利于水下装备的轻量化设计。

远航程需要水下装备电池组携带的能量尽可能多，意味着电池组的体积和重量会较大。

因此，如何兼顾水下装备的高航速、远航程、安全性、受限空间和轻量化性能进行电池组设计为目前亟需且较难解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术难以兼顾水下装备的高航速、远航程、安全性、受限空间和轻量化性能进行电池组设计的技术问题，本发明提供了一种基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法。本发明在对被动热管理组件的性能进行定量评价时，创新性地引入了可用能量密度的概念，以被动热管理组件的重量（或者单位体积的重量）和单个电池组单元的放电可用能量（与可用能量密度相关）作为评价指标。本发明所述的可用能量密度与传统意义上电池的能量密度不同，比如，在大倍率放电的情况下，温升特别剧烈，考虑电池组的安全性通常会终止放电，导致此时虽然电池组的能量密度最大，但根本放不出电量，因而此时可用能量密度很小。

本发明的技术方案是：

基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1：在水下装备电池舱段空间和总重量约束下，为构成水下装备电池组的单个电池组单元配置不同质量的被动热管理组件；

步骤2：对配置被动热管理组件后的单个电池组单元进行可用能量密度分析计算，根据分析计算结果确定所述单个电池组单元的最佳被动热管理组件，以及在所述最佳被动热管理组件进行热管理的措施下，该单个电池组单元的可用能量密度；所述可用能量密度为可用质量能量密度，或者单位体积的可用质量能量密度；

步骤3：用水下装备电池组设计要求的总能量，除以所述单个电池组单元的可用能量密度和质量，得到满足水下装备电池组高航速、远航程、安全性、受限空间和轻量化设计要求所需、且匹配有所述最佳被动热管理组件的电池组单元的数目。

进一步地，步骤2中基于软件仿真进行所述可用能量密度分析计算。

进一步地，步骤1中配置的所述被动热管理组件为固液定型复合相变材料；步骤2中具体基于软件仿真进行所述可用能量密度分析计算的方法是：

步骤2.1：选取不同质量的同一相变材料，并确定相变材料的物性参数，包括密度、比热容、导热系数、潜热和相变温度；

步骤2.2：对电池组单元进行电池产热计算，得到单体电池产热值；

步骤2.3：分别建立配置不同质量相变材料的电池组单元的三维模型，然后进行网格划分并基于所述单体电池产热值和物性参数进行热场计算；

步骤2.4：对电池组单元热场计算结果进行分析，以最高温度达到电池组单元工作温度上限T或者电池组单元放电达到截止电压作为放电时间的计算标准，按照下述公式分别计算配置不同质量相变材料的电池组单元的可用能量密度：

其中：

表示采用第种质量的相变材料进行热管理的措施下，达到所述放电时间的 计算标准时，该相变材料对应的电池组单元的可用能量密度；；

表示采用第种质量相变材料进行热管理的措施下，达到所述放电时间的计算标 准时，该相变材料对应的电池组单元的实际放电时间；

表示相变材料的质量；

表示电池组单元的总质量；

表示电池组单元的总能量；

表示在放电倍率下电池组单元的理论放电时间，，单位 为秒；

步骤2.5：以最大可用能量密度对应的相变材料作为最佳相变材料；

上述步骤2.1和2.2顺序可互换。

进一步地，所述步骤2.2中采用电化学-热耦合模型或者简化的欧姆热计算方法进行电池产热计算。

进一步地，所述步骤2.3中采用UG或SolidWorks软件建立所述三维模型，通过Comsol进行网格划分和热场计算。

或者，本发明的步骤2中可以基于放电实验进行所述可用能量密度分析计算。

进一步地，步骤1中配置的所述被动热管理组件为固液定型复合相变材料；步骤2中具体基于放电实验进行所述可用能量密度分析计算的方法是：

步骤2.1：确定相变材料和电池组单元的质量；

步骤2.2：将相变材料与电池组单元组装，在电池组单元的每个单体电池上布放热电偶，设定电池组单元的放电倍率，开展放电实验，用热电偶监测每个放电时刻下，每一个单体电池的温度；

步骤2.3：选取电池组单元中最高的单体电池温度，以最高的单体电池温度达到电池组单元工作温度上限T或者电池组单元放电达到截止电压作为放电时间的计算标准，根据下式计算配置了当前的相变材料后，电池组单元的可用能量密度：

其中：

表示采用第种质量的相变材料进行热管理的措施下，达到所述放电时间的 计算标准时，该相变材料对应的电池组单元的可用能量密度；；

表示采用第种质量的相变材料进行热管理的措施下，达到所述放电时间的计算 标准时，该相变材料对应的电池组单元的实际放电时间；

表示相变材料的质量；

表示电池组单元的总质量；

表示电池组单元的总能量；

表示在放电倍率下电池组单元的理论放电时间，，单位 为秒；

步骤2.4：选取不同质量的相变材料，按照步骤2.1-2.3的方法，分别获得其相应的可用能量密度，以最大可用能量密度对应的相变材料作为最佳相变材料。

本发明的有益效果是：

1.在满足小于等于水下装备电池舱段空间和最大设计质量的前提下，本发明首先为水下装备的单个电池组单元配置不同质量的被动热管理组件，对配置了被动热管理组件后的单个电池组单元进行可用能量密度分析计算，确定最佳被动热管理组件以及在该最佳被动热管理组件措施下，该单个电池组单元的可用能量密度；然后，用水下装备电池组高航速、远航程、安全性、受限空间和轻量化设计要求的总能量，除以配置最佳被动热管理组件后单个电池组单元的可用能量密度和单个电池组单元的质量，即得到满足水下装备电池组高航速、远航程、安全性、受限空间和轻量化要求所需的电池组单元的数目，且不会造成电池组单元和被动热管理组件的冗余。

2.本发明可以通过开展仿真评估或者放电实验，以被动热管理组件的重量和单个电池组单元的放电可用能量（与放电时间相关，达到工作温度上限的放电时间越大，则可用能量密度越大）作为评价指标，基于对不同质量的被动热管理组件的定量评价结果，确定最佳被动热管理组件及在该最佳被动热管理组件措施下，单个电池组单元的可用能量密度。本发明确定最佳被动热管理组件及单个电池组单元的可用能量密度的方法简单易行，可实施性好，实施成本低。

3.本发明在设计水下装备电池组时，为单个电池组单元配置的为被动热管理组件，无需额外功耗，且其重量基于热管理性能定量评价结果确定，能够最大程度地满足水下装备的轻量化、远航程和大倍率放电的安全性要求。

4.本发明能够对水下装备电池组所需的电池组单元数目进行定量化设计，避免了传统水下装备电池组设计方法为了保证高航速而导致电池组单元冗余度过大所造成的水下装备舱体内空间浪费和额外增大水下装备质量的情况，也为水下装备提供了搭载更多的功能载荷的空间，对提高水下装备的航程、航速、作业能力等指标具有重要的工程价值。

5.传统提高电池组能量密度的方法主要有：（1）增大电池尺寸进行扩容；（2）电池化学体系改革；（3）优化电池包内部的零部件排布；（4）通过仿真计算在确保刚度和结构可靠性的前提下，对电池箱体进行减重设计。这些方法要么见效较慢，要么存在明显的技术天花板，要么提升空间有限，要么实现成本较高，且难以在极其有限的水下装备舱体空间内实现。此外，经检索发现，传统对于电池组单元的热管理组件的研究多关注其冷却性能（即温度改善效果），并未将其与指导电池组设计进行关联。而本发明却创新性地从对热管理组件的热管理性能和电池组单元的放电性能评价入手，对电池组单元所匹配的热管理组件以及高航速电池组所需电池组单元的数目进行定量化设计，实现了电池组单元的可用能量密度最大化。相比传统提高电池组能量密度的方法，本发明的方法短期内见效更快、技术上更容易实现，实现成本很低，还能节省电池组的占用空间，非常适用于在舱体空间极其有限的水下装备中应用和推广。

6.本发明的方法具有通用性，可应用但不限于水下航行器、水下预置无人可移动平台、水下仿生潜航器和水下滑翔机等水下装备的电池组设计。

附图说明

图1是本发明实施例中水下装备电池组设计方法的流程图。

图2是本发明实施例中通过仿真评估途径为单个电池组单元配置最佳被动热管理组件的方法流程图。

图3是本发明实施例中通过实验评估途径为单个电池组单元配置最佳被动热管理组件的方法流程图。

图4是本发明实施例中为同一电池组单元分别匹配不同层数的相变材料并开展放电实验的结果对比。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参照图1，以水下航行器为例，本发明所提供的基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法，包括以下步骤：

步骤1：在水下航行器中电池舱段的空间和总重量约束下，为构成水下航行器电池组的单个电池组单元分别配置不同质量的被动热管理组件（例如相变材料）；

步骤2：对配置被动热管理组件后的单个电池组单元进行可用能量密度分析计算，根据分析计算结果确定该单个电池组单元的最佳被动热管理组件及在该最佳被动热管理组件进行热管理的措施下，该单个电池组单元的可用能量密度；

步骤3：用水下航行器电池组高航速、远航程、安全性、受限空间和轻量化设计所要求的总能量，除以步骤2得到的配置最佳被动热管理组件后单个电池组单元的可用能量密度，再除以单个电池组单元的质量，即可得到满足水下航行器电池组高航速、远航程、安全性、受限空间和轻量化设计要求所需的且匹配有最佳被动热管理组件的电池组单元的数目。

具体的，对于本发明上述的步骤2，可以通过仿真评估或者实验评估这两种不同的途径实现，以下以相变材料为例分别进行详述。

仿真评估途径（参照图2）：

步骤2.1：选取不同质量、同种类的相变材料（为便于仿真建模及计算，本实施例选取仅厚度不同，其余结构尺寸相同的相变材料），确定相变材料的物性参数，包括密度、比热容、导热系数、潜热和相变温度；

步骤2.2：确定电池组单元的类型（一次电池或者二次电池），为了更为精准地评估电池产热，采用电化学-热耦合模型或者简化的欧姆热计算方法进行电池产热计算，得到单体电池产热值；

步骤2.3：采用UG或者SolidWorks等三维建模软件分别建立配置了不同质量相变材料的电池组单元的三维模型，然后通过Comsol进行网格划分和热场计算，向电池组单元中的每个单体电池模块中输入步骤2.2计算的单体电池产热值，向相变材料模块中输入电池和相变材料的物性参数值，设定边界条件和计算时间步长，监测电池组单元的最高温度，开展电池组单元热场计算；

步骤2.4：对电池组单元热场计算结果进行分析，以最高温度达到电池组单元工作温度上限T或者电池组单元放电达到截止电压作为放电时间的计算标准，分别计算配置不同质量相变材料的电池组单元的可用能量密度。可用能量密度具体通过下述公式(1)- (4)计算。

(1)

其中：表示电池组单元中单体电池个数，表示电池组单元中单体电池的质 量，表示电池组单元的总质量；

(2)

其中：表示电池组单元中单体电池的能量，表示电池组单元的总能量；

(3)

其中：表示电池组单元的放电倍率，表示该放电倍率下电池 组单元的理论放电时间，单位为秒；

(4)

其中：表示采用第种质量的相变材料进行热管理的措施下，最高温度达到 电池组单元工作温度上限T或者电池组单元放电达到截止电压时，该相变材料对应的电池 组单元的可用能量密度；表示采用第种质量的相变材料进行热管理的措施下，最高温度 达到电池组单元工作温度上限T或者电池组单元放电达到截止电压时，该相变材料对应的 电池组单元的实际放电时间；表示相变材料的质量；

步骤2.5以最大可用能量密度对应的相变材料作为最佳相变材料。

步骤2.6：对各相变材料的热管理性能进行定量评价；

步骤2.6.1按照下式计算没有配置相变材料时，电池组单元的可用能量密度：

(5)

其中：表示没有相变材料进行热管理的措施下，最高温度达到电池组单元工 作温度上限T时电池组单元的可用能量密度；表示没有相变材料进行热管理的措施下，最 高温度达到电池组单元工作温度上限T时，电池组单元的实际放电时间；

步骤2.6.2按照下式分别计算不同质量相变材料的定量评价参数：

(6)

其中：表示评价热管理性能的无量纲参数。

需要说明的是，上述步骤2.6主要用于定量给出不同质量相变材料的热管理性能的好坏，不是仿真评估的必要步骤。当然，也可以基于步骤2.6得到的定量评价参数，为电池组单元选取和配置最佳质量的相变材料。

实验评估途径（参照图3）：

步骤2.1：确定相变材料的质量和电池组单元的质量；

步骤2.2：将相变材料与电池组单元进行组装，需要注意的是要在相变材料和电池组单元中单体电池接触的部分涂覆导热硅脂以降低热阻，确保两者之间的高效传热；在电池组单元的每个单体电池上布放热电偶，热电偶采用高导热固定胶（降低热电偶与电池间的接触热阻）粘贴在单体电池表面中心，确保温度测量的准确性，在放电仪设备上设定电池组单元的放电倍率，开展放电实验，用热电偶监测每个放电时刻下，每一个单体电池的温度；

步骤2.3：选取电池组单元中最高的单体电池温度，进行数据分析；以最高的单体电池温度达到电池组单元工作温度上限T，或者电池组单元放电达到截止电压作为放电时间的计算标准，根据上述公式(1)- (4)计算配置了当前相变材料后电池组单元的可用能量密度，利用上述公式(5)- (6)计算定量评价参数；

步骤2.4：选取不同重量的相变材料，按照步骤2.1-2.3的方法，分别获得其相应的可用能量密度和定量评价参数，基于可用能量密度或者定量评价参数，为电池组单元选取和配置最佳质量的相变材料。同样，定量评价参数主要是用于定量给出不同质量相变材料的热管理性能好坏，不是实验评估途径的必要步骤。

以上仅以相变材料为例对如何进行可用能量密度分析计算以配置最佳被动热管理组件进行了说明，对于其他类型的被动热管理组件（例如散热翅片或者热管），其最佳配置的选取方法与相变材料的选取方法原理相同，区别仅在于：相变材料占用的是单体电池之间的间隙，不会增大电池组单元自身的体积，因此性能评价时考虑的是相变材料的可用质量能量密度；散热翅片和热管是通过建立电池组与电池舱壳体之间的热桥而进行热管理，会在电池组单元自身体积的基础上增加额外体积，因此在性能评价时应考虑散热翅片和热管的单位体积的可用质量能量密度。

实施例：

以37串1并三元电池组单元实验测试为例，该电池组在2C倍率下放电，监测电池组单元中心位置的单体电池作为最高温度，采用不同层数、相同物性参数的相变材料进行热管理性能分析，单体电池的质量为46.5g，每一层相变材料的厚度为10mm，分别研究不同层数相变材料对电池组单元热管理性能的影响，单层相变材料的质量为97.7g，双层相变材料的质量为193.4g，三层相变材料的质量为289.7g，四层相变材料的质量为377.2g，放电结束时，温升曲线如图4所示。

以电池组单元工作温度上限达到50摄氏度作为放电截止条件，图4中无相变材料的电池组单元的用时为785 s，配置了单层相变材料的电池组单元的用时为1035s，配置了双层相变材料的电池组单元的用时为1281s，配置了三层相变材料的电池组单元的用时为1500s，配置了四层相变材料的电池组单元由于达到电池组单元的放电截止电压，用时为1500s。

根据上述计算公式(1) -(6)，可以得到本例中所配置的相变材料质量占电池组单 元质量的百分比分别为5.68%、11.24%、16.84%和21.92%，也即电池组的总质量分别增加 5.68%、11.24%、16.84%和21.92%情况下，可用能量密度分别提高了24.76%、46.70%、63.55% 和56.73%，相对最优的相变材料层数为3层，对应的质量增加为16.84%。

为了得到最优的相变材料添加量，可以通过改变单层相变材料的厚度，进行细分，重复以上过程，便可得到相变材料添加量的最优值。

同时，利用上述公式(1)- (4)计算也能得到在为电池组单元配置了最优添加量的相变材料后，电池组单元中最高温度达到电池组单元工作温度上限时，电池组单元的可用能量密度。

然后，用水下航行器电池组高航速、远航程、安全性、受限空间和轻量化设计所要求的总能量密度，除以上一步得到的电池组单元的可用能量密度，再除以单个电池组单元的质量，即可得到满足水下航行器电池组高航速、远航程、安全性、受限空间和轻量化设计要求所需的、匹配有最优添加量的相变材料后的电池组单元的数目，实现水下航行器电池组的设计。

最后需要解释说明的是，本发明所涉及的相变材料具体指固液定型复合相变材料（简称定性相变材料），具有受热融化后不会泄漏的特点，能满足电池组热管理的应用需求。

Claims (7)

1.基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在水下装备电池舱段空间和总重量约束下，为构成水下装备电池组的单个电池组单元配置不同质量的被动热管理组件；

步骤2：对配置被动热管理组件后的单个电池组单元进行可用能量密度分析计算，根据分析计算结果确定所述单个电池组单元的最佳被动热管理组件，以及在所述最佳被动热管理组件进行热管理的措施下，该单个电池组单元的可用能量密度；所述可用能量密度为可用质量能量密度，或者单位体积的可用质量能量密度；

步骤3：用水下装备电池组设计要求的总能量，除以所述单个电池组单元的可用能量密度和质量，得到满足水下装备电池组高航速、远航程、安全性、受限空间和轻量化设计要求所需、且匹配有所述最佳被动热管理组件的电池组单元的数目。

2.根据权利要求1所述的基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法，其特征在于：步骤2中基于软件仿真进行所述可用能量密度分析计算。

3.根据权利要求2所述的基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法，其特征在于：步骤1中配置的所述被动热管理组件为固液定型复合相变材料；步骤2中具体基于软件仿真进行所述可用能量密度分析计算的方法是：

步骤2.1：选取不同质量的同种相变材料，并确定相变材料的物性参数，包括密度、比热容、导热系数、潜热和相变温度；

步骤2.2：对电池组单元进行电池产热计算，得到单体电池产热值；

步骤2.3：分别建立配置不同质量相变材料的电池组单元的三维模型，然后进行网格划分并基于所述单体电池产热值和物性参数进行热场计算；

步骤2.4：对电池组单元热场计算结果进行分析，以最高温度达到电池组单元工作温度上限T或者电池组单元放电达到截止电压作为放电时间的计算标准，按照下述公式分别计算配置不同质量相变材料的电池组单元的可用能量密度：

其中：

表示采用第/>种质量的相变材料进行热管理的措施下，达到所述放电时间的计算标准时，该相变材料对应的电池组单元的可用能量密度；/>；

表示采用第/>种质量相变材料进行热管理的措施下，达到所述放电时间的计算标准时，该相变材料对应的电池组单元的实际放电时间；

表示相变材料的质量；

表示电池组单元的总质量；

表示电池组单元的总能量；

表示在放电倍率/>下电池组单元的理论放电时间，/>，单位为秒；

步骤2.5：以最大可用能量密度对应的相变材料作为最佳相变材料；

上述步骤2.1和2.2顺序可互换。

4.根据权利要求3所述的基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法，其特征在于：所述步骤2.2中采用电化学-热耦合模型或者简化的欧姆热计算方法进行电池产热计算。

5.根据权利要求3所述的基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法，其特征在于：所述步骤2.3中采用UG或SolidWorks软件建立所述三维模型，通过Comsol进行网格划分和热场计算。

6.根据权利要求1所述的基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法，其特征在于：步骤2中基于放电实验进行所述可用能量密度分析计算。

7.根据权利要求6所述的基于热管理性能定量评价的水下装备电池组设计方法，其特征在于：步骤1中配置的所述被动热管理组件为固液定型复合相变材料；步骤2中具体基于放电实验进行所述可用能量密度分析计算的方法是：

步骤2.1：确定相变材料和电池组单元的质量；

步骤2.2：将相变材料与电池组单元组装，在电池组单元的每个单体电池上布放热电偶，设定电池组单元的放电倍率，开展放电实验，用热电偶监测每个放电时刻下，每一个单体电池的温度；

步骤2.3：选取电池组单元中最高的单体电池温度，以最高的单体电池温度达到电池组单元工作温度上限T或者电池组单元放电达到截止电压作为放电时间的计算标准，根据下式计算配置了当前的相变材料后，电池组单元的可用能量密度：

其中：

表示采用第/>种质量的相变材料进行热管理的措施下，达到所述放电时间的计算标准时，该相变材料对应的电池组单元的可用能量密度；/>；

表示采用第/>种质量的相变材料进行热管理的措施下，达到所述放电时间的计算标准时，该相变材料对应的电池组单元的实际放电时间；

表示相变材料的质量；

表示电池组单元的总质量；

表示电池组单元的总能量；

表示在放电倍率/>下电池组单元的理论放电时间，/>，单位为秒；

步骤2.4：选取不同质量的相变材料，按照步骤2.1-2.3的方法，分别获得其相应的可用能量密度，以最大可用能量密度对应的相变材料作为最佳相变材料。