深海雙層保溫電池艙設計及溫度場數值模擬

吳俊飛， 王 豪，趙文捷

(青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061)

近年來，隨著人口劇增，環境惡化，陸上資源逐步匱乏，對海洋資源的探索和開發越來越受到各界的重視[1]。深海低溫、缺氧、能見度低以及強大的海水壓力等復雜惡劣的工作環境導致無法對其直接觀測、獲取各種海洋參數數據，此時必須借助各種各樣的水下勘測儀器和設備，例如水下機器人、水下施工設備、海洋潛標、浮標、海床基和各類傳感器等，這就離不開電池提供能源動力。

海水溫度一般隨著深度的增加而減小，水深350 m以內減小的速率最大；350～2 000 m減小速率較大；2 000～4 000 m減小速率較緩；4 000 m以下基本保持不變。水深1 000 m時，水溫約為4～5℃，2 000 m水溫約為2～3℃，4 000 m以下水溫約為1～2℃。目前深海勘測儀器設備供電電池，在深海低溫條件下放電能力只能達到正常放電電量的50%。

付平等[2]以潛標系統供電鋰電池為研究對象，分別對加入保溫材料石蠟、聚氨酯發泡、氣凝膠氈的鋰電池以及無保溫材料鋰電池在海水溫度為4℃條件下進行數值模擬與實驗研究，對內部溫度及放電效率進行分析，得出結論：加入保溫材料石蠟、聚氨酯發泡以及氣凝膠氈的鋰電池與無保溫材料鋰電池相比，其放電時間分別提高了7.9%、5.9%以及5.1%，無保溫材料潛標系統工作時間為90天，加入保溫材料可以使工作時間最高提高到99天左右。這證明了保溫結構對于深海觀測儀器設備供電電池艙的實用性以及重要性。

因此，為提升深海勘測儀器設備供電電池放電電量，延長深海勘測儀器設備的使用周期，設計了一種深海耐壓雙層保溫電池艙。以深海觀測儀器設備供電電池艙保溫層厚度為研究對象，利用ANSYS Workbench軟件對不同保溫層厚度下電池艙溫度場進行數值模擬，得到了不同保溫層厚度下電池艙內溫度隨時間變化曲線，以及不同保溫層厚度下電池艙內溫度分布云圖，最終得到在保證鋰電池最佳工作溫度下的最優厚度，以保證深海勘測儀器設備在深水高壓區都能夠持續穩定地工作。

1 雙層保溫電池艙結構設計

1.1 設計參數

(1)設計水深：2 000 m；(2)外層耐壓殼體壁厚：10 mm；(3)內徑：190 mm；(4)艙內凈長：830 mm；(5)外壓筒體長度：877 mm。

1.2 結構設計

該型號電池艙為圓筒形，包括厚壁耐壓外層和真空保溫內層。外層由圓柱形筒體及兩端的平蓋封頭組成，筒體與兩端平蓋封頭采用螺釘連接，并采用O型圈進行密封；內層為焊接在筒體和平蓋封頭內部的薄壁真空保溫層。內外層之間采用抽真空及表面鍍銀處理，實現保溫功能，其結構如圖1所示。

圖1 雙層保溫電池艙結構示意圖

電池艙外層耐壓筒體及兩端的平蓋封頭用于承受海水帶來的全部壓力，采用耐海水腐蝕、隔熱好、高強度以及低密度的TC4鈦合金材料制成。位于真空保溫筒體內側的保溫層采用保溫效果好、性能穩定、耐老化、易加工且無毒無味的聚氨酯保溫材料加工而成。

2 雙層保溫電池艙溫度場分析

通過ANSYS Workbench軟件對雙層保溫電池艙進行溫度場分析，可以計算電池艙內的溫度分布情況以及其他的熱力學參數[3]。

由雙層保溫電池艙結構可知，當電池組為深海勘測儀器設備供電時，電池組作為電池艙內熱源產生熱量[4]，并通過空氣、聚氨酯保溫層、真空保溫層，以及外層耐壓殼體等傳播到海水中，即熱量在雙層保溫電池艙內的傳遞過程由以下6個環節組成[5]：(1)電池組殼體外壁面到聚氨酯保溫層內壁面間的空氣傳熱；(2)聚氨酯保溫層內壁到外壁的導熱；(3)聚氨酯保溫層外壁面(真空耐壓筒體內壁面)到真空耐壓筒體外壁面的圓筒壁導熱；(4)真空耐壓筒體外壁面到電池艙耐壓殼體內壁面間的輻射傳熱；(5)電池艙外層耐壓殼體內壁面到外壁面的圓筒壁導熱；(6)電池艙外層耐壓殼體外壁面到海水的對流換熱[6]。

根據上述分析，雙層耐壓保溫電池艙的熱傳遞過程可簡化成常物性、有內熱源的三維非穩態傳熱問題[7]。

2.1 數學模型

2.1.1 內部熱生成率的計算

當電池組為深海勘測儀器設備供電時，電池組作為電池艙內熱源產生熱量。電池內部區域單位體積的熱生成率計算公式如式(1)所示[7]：

式中：Qb為電池內部熱生成率，W/m3；Ib為電池工作電流，A；Vb為電池總體積，m3；Eoc為電池開路電壓，V；E為電池放電電壓，V；Rb為電池內阻，Ω；r為電池半徑，m。

2.1.2 電池艙外壁面與海水間的對流換熱

電池艙外壁與海水間的熱量傳遞方式為對流換熱，其計算公式如式(2)所示[8]：

式中：Φo為電池艙段與海水交換的熱量，W；Ao為電池艙外壁面與海水對流換熱面積，m2；hf為海水與電池艙外壁面間對流換熱系數，W/(m2·K)；tco為電池艙外壁面溫度，℃；tf為海水溫度，℃。

2.1.3 聚氨酯保溫層、真空層耐壓筒體以及電池艙殼體內壁到外壁的導熱

聚氨酯保溫層內壁到外壁的導熱、真空層耐壓筒體內壁到外壁的導熱以及電池艙耐壓殼體內壁到外壁的導熱，這三種情況的計算方程相同，為圓筒壁的導熱方程，如式(3)所示[8]：

式中：Φ為通過圓筒壁面的熱流量，W；t1為內壁溫度，℃；t2為外壁溫度，℃；r2為外壁半徑，m；r1為內壁半徑，m；lc為保溫層長度，m。

2.1.4 真空耐壓筒體到電池艙耐壓殼體內壁面間的輻射傳熱

真空耐壓筒體與電池艙耐壓殼體內壁面間采用抽真空的保溫方式。熱量主要以輻射傳熱為主，因此他們之間的凈熱量傳遞可用斯蒂芬-玻爾茲曼方程來計算：

式中：q為熱流率，W；ε為輻射率(黑度)；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，約為 5.6×10－8W/(m2·K)；A1為輻射面 1的面積，m2；F12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數；T1為輻射面1的絕對溫度，K；T2為輻射面2的絕對溫度，K。

2.1.5 電池組殼體外壁面到聚氨酯保溫層內壁面間的空氣傳熱σ

電池組殼體外壁面與聚氨酯保溫層內壁面間通過空氣進行對流換熱，其計算方程如下所示：

式中：Φi為電池組殼體外壁與聚氨酯保溫層內壁空氣對流換熱量，W；Ai為電池組換熱表面積，m2；hai為空氣對流換熱系數，W/(m2·K)；tmo為電池組殼體外壁面溫度，℃；tci為聚氨酯保溫層內壁溫度，℃；λaε為空氣當量導熱系數，W/(m·K)；di為聚氨酯保溫層內徑，m；do為電池組模塊外徑，m。

2.2 材料信息

電池艙外層耐壓殼體材料為TC4鈦合金，真空耐壓殼體材料為304不銹鋼，保溫層材料為聚氨酯，電池為鋰/亞硫酰氯電池[9]，材料的熱力學參數如表1所示。

表1 材料熱力學參數表

2.3 邊界條件

對內部電池定義熱生成率，大小由式(1)計算，為2.148 8×10－6W/mm3；對與海水接觸的表面施加對流換熱邊界條件，可計算出對流換熱系數為2×10－4W/(mm2·℃)，海水環境溫度為4℃；對真空耐壓筒體外側設置輻射類型為Surface to Surface，輻射率為0.35，環境溫度為4℃；對耐壓筒體內側設置輻射類型為Surface to Surface，輻射率為0.5，環境溫度為4℃。

2.4 溫度場仿真結果與分析

2.4.1 真空保溫層厚度的確定

利用ANSYS Workbench軟件分析了當只采用真空保溫層進行保溫時艙內溫度的分布情況，計算了真空保溫層厚度為2和3 mm兩種情況下電池艙內最高溫度隨放電時間的變化情況。計算結果如圖2和圖3所示。

圖2 只采用2 mm真空層保溫時，電池艙溫度分布及隨放電時間變化曲線圖

圖3 只采用3 mm真空層保溫時，電池艙溫度分布及隨放電時間變化曲線圖

由圖2和圖3可得，當只采用2 mm真空保溫層保溫時，電池艙內最高溫度約為4.9℃，海水溫度為4℃，此時與外界海水溫度近似一致，基本起不到保溫作用；當只采用3 mm真空保溫層保溫時，電池艙內最高溫度約為43.3℃，已超過電池最適宜的工作溫度，因此真空保溫層厚度選用2 mm。

2.4.2 聚氨酯保溫層厚度的確定

為確定聚氨酯保溫層厚度，利用ANSYS Workbench軟件分別分析了在真空保溫層厚度為2 mm時，不同聚氨酯保溫層厚度下電池艙內溫度的分布情況。對真空保溫層厚度2 mm，聚氨酯保溫層厚度2 mm；真空保溫層厚度2 mm，聚氨酯保溫層厚度3 mm；真空保溫層厚度2 mm，聚氨酯保溫層厚度5 mm以及真空保溫層2 mm，聚氨酯保溫層6 mm這4組不同的厚度組合進行模擬計算，計算結果如圖4～圖7所示。

圖4 保溫層2 mm，真空層2 mm時電池艙溫度分布及隨放電時間變化曲線圖

圖5 保溫層3 mm，真空層2 mm時電池艙溫度分布及隨放電時間變化曲線圖

圖6 保溫層5 mm，真空層2 mm時電池艙溫度分布及隨放電時間變化曲線圖

圖7 保溫層6 mm，真空層2 mm時電池艙溫度分布及隨放電時間變化曲線圖

由圖4到圖7可知，當用2 mm真空保溫層，2 mm聚氨酯保溫層保溫時，電池艙最高溫度約為4.9℃，而海水環境溫度為4℃，溫度達到穩定的時間約為6.8×103s，此時基本起不到保溫作用；當聚氨酯保溫層厚度為3 mm，真空保溫層厚度為2 mm時，電池艙最高溫度為15℃，溫度開始顯著提升，開始能夠起到保溫的作用，同樣溫度達到穩定的時間開始增加，溫度達到穩定時的時間約為5×104s；隨著聚氨酯保溫層厚度的不斷增加，艙內的溫度也開始提升，溫度達到穩定的時間也不斷增加，當聚氨酯保溫層厚度為5 mm，真空保溫層厚度為2 mm時，艙內最高溫度為21℃，溫度達到穩定的時間約為9×104s；當聚氨酯保溫層厚度為6 mm，真空保溫層厚度為2 mm時，艙內最高溫度為58℃，溫度達到穩定的時間為2×105s。

深海用勘測儀器設備供電電池的標準工作溫度范圍通常在20～40℃之間[10]，但電池工作溫度過高將影響電池使用壽命，安全性得不到保證；溫度過低又會影響電池放電量，無法滿足深海觀測儀器設備的正常工作周期，因此為保證電池工作溫度適宜，選用真空保溫層厚度2 mm，聚氨酯保溫層厚度5 mm的組合保溫方式進行保溫。

3 總結

本文以深海觀測儀器設備供電電池艙保溫層厚度為研究對象，利用ANSYS Workbench軟件對不同保溫層厚度下電池艙溫度場進行數值模擬。對模擬結果進行分析發現，當只用真空保溫層進行保溫時，無法使艙內溫度維持在鋰電池的正常工作溫度下，因此采用組合保溫的方式進行保溫，對不同厚度組合進行模擬，最終得到在保證鋰電池最佳工作溫度下的最優厚度，并最終選擇真空層2 mm，保溫層5 mm的組合保溫方式進行保溫。