SSB蓄电池无人水下航行器浸没式油冷电池热管理系统研究

2026-04-09 20:18:26

无人水下航行器(UUVs)的电池热管理面临空间限制与高能量密度电池组设计的重大挑战。本研究提出一种创新的浸没式油冷策略，将电池直接浸没在绝缘冷却油中。该策略通过利用油质优异的热导率与热容特性，旨在增强电池模块的表面散热效能。研究系统评估了电池排列方式、注油量及散热鳍片设计对冷却性能的影响。结果表明，油冷系统中自然对流换热的占比显著高于风冷系统。与风冷电池包相比，油冷电池包的最高温度降低了22.44 K，相当于约52.43%的降幅。采用N型翅片且电池间距为20 mm的全浸没式油冷方案展现出最佳冷却性能。研究引入了一个综合热性能、系统重量与可用电能的无量纲评价指标。最优油冷设计方案使该指标较无冷却基准降低了约28.62%。这些发现为UUV油冷电池热管理系统的设计与优化提供了量化依据。

引言

海洋作为国家发展的重要战略领域，因其丰富的资源和国际贸易主要通道的特性正变得日益关键。海洋资源涵盖生物、矿物和能源储备，构成可持续经济增长的重要物质基础。此外，维护海洋权益对国家主权与安全至关重要。作为海洋勘探开发不可或缺的工具，无人水下航行器（UUVs）在资源开发和海洋安全领域均发挥着关键作用[1]。
在资源开发领域，无人水下航行器（UUVs）通过先进传感技术实现对海底资源的精确探测，为海洋资源利用提供科学依据[2][3]。就海上安全而言，其隐蔽作业特性与高机动性在执行反潜作战和扫雷任务中至关重要，既能维护国家海洋权益，又能保障航行安全。此外，该技术对海洋环境监测贡献显著，既能维护海洋生态系统健康，又能支持可持续发展目标[4]。
无人水下航行器（UUV）设计领域正经历从热力推进向电力推进的显著转型，这一变革由电动系统与生俱来的优势所驱动。这些优势包括低声学特征、最小化排气背压、环境友好性、维护便捷性以及快速提升的能量密度，这些特性使锂离子电池组牢固确立了作为核心能源部件的地位[5]。然而，在高倍率放电过程中，密集排布的电池模块会产生大量热量，尤其在UUV狭促的水下工作环境中，散热问题显得尤为棘手。因此，热量积聚会严重损害运行安全性、服役寿命及性能可靠性[6][7]。
以锂电池为例，在快速充放电循环过程中会产生剧烈热量。电池温度过高及模组间温度失衡会降低电荷保持率和放电容量等性能指标。研究表明最佳工作温度区间为15-35°C，模组间温差理想情况下应低于5°C[8]。当温度超过35°C时内阻明显增加，55°C下循环500次后容量衰减加速[9]，性能劣化显著。当温度超过70°C这一临界高温时会产生重大安全风险，此时热失控可能导致燃烧或爆炸性失效[10]。
因此，高效的电池热管理系统（BTMS）对于将工作温度维持在安全范围内、确保热稳定性、延长电池寿命以及优化整体性能至关重要[11]。因此，先进BTMS技术的开发成为电动UUV领域研究和创新的关键方向。
当前关于电池热管理系统的研究已确立了几种主要冷却方法，包括空气冷却、液体冷却、相变材料（PCM）冷却、热管冷却以及混合冷却[12][13]。针对特定应用场景量身定制的系统对于将电池温度保持在最佳范围内至关重要。
基于空气的电池热管理系统（BTMS）通过驱动气流流经电池表面实现散热。得益于其结构紧凑、操作简单、维护便捷及相对较低的成本，空气冷却型BTMS已在各类电池应用中得到广泛采用。现有关于空气冷却型BTMS的研究主要集中在优化单体排列方式与设计冷却流道，以提升对流传热性能[14][15]。
然而当应用于水下运载器时，空气冷却型BTMS存在固有缺陷。空气的低导热性和有限热容严重制约其散热能力，使其仅适用于发热率较低的开放环境。在高热负荷工况下，与液冷系统相比，空冷系统需要消耗显著更高的能量才能维持可接受的温度水平[16]。更重要的是，水下航行器的封闭式结构及密集电池排布严重制约了气流组织能力，使得风冷方案在此类应用中难以实施。
相较于风冷系统，液基电池热管理系统（BTMS）具有更优异的温控性能和更高的能效。以水冷为例，水的导热系数通常比空气高数十倍，比热容约为空气的四倍，因而能在较低流速下实现高效散热[17][18][19]。正因如此，液冷技术在对传热性能要求苛刻的大功率电池系统中得到了广泛研究。近期液冷技术的进展集中于优化冷板结构，例如通过改变流道几何构型[20][21][22]、填充多孔介质[23][24]以及采用脉动流策略[25][26]，以进一步提升散热能力与温度均匀性。
然而，传统液冷技术在水下航行器中的应用面临重大工程挑战。主动式液冷系统依赖泵体、管道、储液罐及控制阀维持冷却剂循环，这与水下航行器严苛的空间限制和可靠性要求存在根本性矛盾。此外，主动液冷系统还存在其他固有缺陷：介电冷却剂成本高昂、高黏度流体泵送导致的功耗增加，以及系统总重量的非预期上升[27][28]。这些因素极大制约了传统液冷方案在水下航行器电池系统中的适用性。
基于相变材料（PCM）的冷却技术是另一种热管理方法，其通过相变过程中的潜热吸收或释放热量。相变材料具有高热储存能力和相对稳定的温度调节特性，这使得它们在高功率密度下需要精确热控制的应用场景中颇具吸引力[29][30][31]。
然而，相变材料冷却技术在水下航行器中的实际应用受到若干固有缺陷的限制。相变材料在熔化后易发生泄漏，且通常需要较长的再凝固时间，这限制了其应对快速或重复热负荷的能力[32]。此外，潜热的有效利用仅限于狭窄的温度范围[33]。其他值得关注的问题还包括有机相变材料在热失控条件下的易燃性，以及无机相变材料不良的物理特性（如高密度和较高的相变温度），这些因素进一步限制了其在水下应用场景的适用性。
总之，传统冷却策略（包括基于空气、液体和相变材料的电池热管理系统）在水下运载器应用中均存在固有局限性。这些限制主要源于封闭运行环境、高能量密度需求以及对系统体积和可靠性的严格要求。尽管开式循环系统对于浅水或近水面应用仍具可行性，但会带来密封性和可靠性方面的新挑战。对于深海应用而言，高压环境会进一步加剧这些问题，使得依赖外部质量或热量交换的开式循环系统尤其难以实施。因此，亟需开发与封闭及压力受限运行条件相兼容的热管理解决方案。
这一技术差距凸显了为水下运载器定制专用电池冷却策略的必要性。本研究采用浸没式油冷技术，使电池表面直接与绝缘冷却剂接触，从而增强向周围海水的传热效率并提升整体冷却性能[34][35]。基于该方法，我们开展了系统性数值分析，研究影响电池热行为的关键参数，包括电池排列方式、注油量以及翅片传热结构。此外，本研究引入无量纲综合评价指标，用于定量评估不同构型下电池舱的整体热管理性能。该研究为水下运载器高能量密度电池系统的热管理设计提供了重要理论依据。