AUV锂电池成组散热特性与多物理场耦合失效机理研究

This project focuses on the safety problems for Li-battery stack of autonomous underwater vehicle. With a combined method of energy conservation equation, heat transfer and topology optimization, characteristic of heat transfer and Coupling of multi-physics Failure mechanism for AUV Li-battery stack will be studied as well.The main content and innovations of this project are summarized as follows. Firstly, the model is developed for heat transfer process occurring in underwater vehicle based on the energy conservation equation to study the performance of heat transfer of the battery stack. The heat transfer performance of battery stack will be analyzed under different array configurations. Secondly, concerning the Coupling of multi-physics Failure mechanism of battery stack, the characterization parameter and the relationship model will be studied and the rules of topological optimization for heat transfer will be given. The influence of array configurations and operating mode of AUV on the heat transfer characteristic will be studied. Thirdly, the heat transfer performance analysis and configuration optimization of battery stack will be applied to AUV developed by our group, and a series of experimental tests will be performed with the aim of validating the developed model and the optimization results.

本项目针对水下航行器锂电池成组使用安全性问题，结合能量守恒方程、热力学理论和拓扑结构优化理论，开展锂电池成组散热特性与多物理场耦合失效分析研究。主要研究内容和创新点包括：①分析航行器电池组对外散热的热交换环节，建立适用于电池舱密闭空间的自然对流与传热模型，研究不同空间布局下锂电池组对外散热的传热特性；②研究水下航行器锂电池成组在多物理场耦合失效下的表征参数和关系模型，给出多物理场耦合失效下的电池组散热结构拓扑优化准则，获得电池组空间结构布局、航行器工作模式等对结构散热特性的影响规律；③以某型水下航行器为对象，开展锂电池成组空间布局设计分析。. 通过本项目研究，可揭示AUV锂电池组多物理场耦合失效机理，提出一种适用于水下航行器的锂电池成组空间结构布局设计分析方法，为开展水下航行器设计和工程应用提供理论支持。

水下航行器在航行过程中，需要电池组持续不断的提供能量。供能系统的可靠性能直接影响到水下航行器的工作的稳定性，但是大规模的电池组长时间大电流的连续工作，容易引起热失控问题。另外，航行器电池架结构在航行器发射过程中，会受到很大的冲击载荷，导致电池架结构的破坏，这些问题都严重制约了水下航行器的进一步发展和应用。因此，本文采用了数学模拟方法，探究如何加强电池舱段的散热能力，同时提高水下航行器电池架结构的抗冲击载荷能力。.（1）分析了水下航行器电池舱段锂电池组发热机理、建立电池舱段三维非稳态热传递数学物理模型，并得到了影响电池舱温度的主要因素。分析不同初始条件对温度梯度的影响。研究不同工况下的电池舱散热情况，包括不同的海水温度、不同的航行速度和不同的散热肋片形状。.（2）分别建立了以结构最小柔顺度和结构最小散热弱度为目标函数的拓扑优化模型，并在此基础上完成了热力耦合拓扑优化模型的建立。在对AUV锂电池成组散热特性分析研究基础上，基于铝基ABS电池组安装结构材料，开展锂电池热效应分析和电池成组散热分析，设计了电池组空间结构布局方案。通过比较试验测量和数值模拟结果，从而验证数值模拟方法的合理性及模拟结果的准确性。