采用铝基注塑电池架改善电池舱段散热效果的研究
摘要：当水下航行器电池舱段长时间大电流工作时,会产生大量热量,如果热量不能被快速传递到 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23 A恒流连续工作5 h时,对其内部瞬态温度和溫 度分布情况进行了试验测量；最后在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 最高温度,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弋），且具有一定的温度 裕量。
锂/亚硫酰氣电池是目前电化学体系中能量密 度最高的一次电池,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 ~ +85 •C)、贮存寿命长等优点⑺，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[4’5]。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,对裡/亚硫酰氣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，降低电池舱段内部最高温 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
善水下航行器电池舱段散热效果，降低电池舱段内 部最高温度的可行性。
1理论分析
水下航行器电池舱段包括:电池舱段壳体、两端 盖板、导轨和电池组模块（壳体、电池架和单体锂/ 亚硫酰氯电池），其结构如图1所示
锂/亚硫酰氣电池是目前应用最为广泛的一次 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，亚硫酰氣是正极活性物质和无机非水电 解液,四氣铝锂是电解质。当锂/亚硫酰氣电池工作 时总化学反应为：
4U + 2S0C12-*4UC1 +S021 +S (1)
正极反应：
2S0C12 + 4e-*4Cl' +S02 T +S (2)
负极反应：
4Li-4e—»4Li* (3)
由于单质锂易燃,亚硫酰氣沸点为79 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 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 即必须采取适当措施将上述水下航行器电池舱段最 高温度控制在70 t以下,这也是本文研究的重点。
锂/亚硫酰氣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。 Bemadi等人认为锂/亚硫酰氯电池内部热流量是均 匀产生的[6],即电池内部区域单位时间内的热生成 率可表达为：
Qk = -E-tdt/dr) - l]Rt/Vb (4)
式中，仏为电池热生成率(W/m3) ;/6为电池工作电 流（A);h为电池体积为电池开路电压 (V) ;£为电池工作电压(V) ；t为电池内部瞬态温度 (*€);"为电池半径为电池电阻(ft),&是 通过实验测量的包含焦耳发热、极化放热和化学反 应放热等的等效电阻。
由此可得出电池舱段内部单位时间内总的热生 成率为
Q = N„NbQh (5)
式中，P为电池舱段内部总热生成率(W/m3) ;^„为 电池组模块个数;％为电池组模块内部单体电池 个数。
根据电池舱段结构示意图可知,从锂/亚硫酰氯 电池到海水的热量传递过程主要包括：
1)电池组模块内部均匀等效多孔介质传热[71;
2)电池组模块壳体圆筒壁导热；
3)电池组模块壳体和电池舱段壳体之间环形 密闭空间传热,包含导热、对流和辐射耦合传热；
4)电池舱段壳体圆筒壁导热；
5)电池舱段壳体和海水之间的强迫对流换热。
即电池舱段工作时热量传递过程为有内热源的
三维非稳态传热[8'1(>]。
根据上述分析建立电池舱段工作时内部区域的 热量传输扩散方程
由.+ 少丨》=少+ (6)