CN114954869B - 一种集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱 - Google Patents

一种集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱 Download PDF

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Abstract

本发明一种集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱，属于电动力航行器电池热管理和水下减阻技术领域；包括电池舱段壳体以及设置于其内的电池模组和减阻模块，所述电池模组由多个电池模块串并联构成；电池模块包括储气模块和电池组；储气模块为设置有若干电池安装孔的蜂窝状中空壳体机构，其内填充有金属有机框架材料和高压气体，通过金属有机框架材料将高压气体进行吸附；减阻模块包括主管道和支路管道，通过各支路管道将储气模块与主管路连通汇总；主管道从电池舱段壳体内延伸至航行器头部。本发明能够将电池模组产生的热量有效吸收和利用，实现了航行器在高速航行过程中电池组快速降温和航行器高效减阻的双重目标。

Description

一种集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱
技术领域
本发明属于电动力航行器电池热管理和水下减阻技术领域，具体涉及一种集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱。
背景技术
海洋权益对各个临海国家的重要性不言而喻，一方面因为海洋蕴含着丰富的资源，是人类可持续发展的保障，另一方面因为海洋可以为陆地国家提供坚实的安全屏障。近年来，各个临海国家均加快了海洋装备的技术研发，作为未来制海权的有利装备之一的自主水下航行器受到了研究人员的重视。水下航行器在资源勘查、水文信息测量、情报信息搜集、实施作战攻击等方面具备突出的优势。动力舱段作为水下航行器的“心脏”，直接影响航行器的航程、航速、安全隐蔽性等技术指标，从而间接影响航行器执行各项任务的完成度。水下航行器根据动力源不同，主要分为热动力和电动力两大类。由于近期高比能量电池技术的不断革新，叠加电动力操作方便、噪音较低、维护简单等优点，电动力航行器相比于热动力航行器被广泛应用于军用和民用领域。
水下航行器在执行特殊的任务过程时，其工作模式通常为低速巡航，高速攻击。低速过程主要用来开展信息搜集，高速过程则是用来对目标实施打击。为了提升航行器的高速性能，除了提高电池放电功率外，通常还要对航行器进行减阻设计，常见的减阻方法包括壳体的外形优化、表面微结构加工、气泡包覆壳体等。在实现航行器高速航行的指标过程中，目前还要深入考虑以下问题：
第一，航行器在大倍率放电过程中存在热量急剧累积的情况，造成电池组温升过快，过高的温度在极端情况下会导致电池组起火爆炸。目前的电池冷却技术大多依赖风冷、液冷等技术，会占据较大空间和消耗额外的能量，影响航行器的航程和功能载荷的搭载能力。
第二，传统的减阻技术中，壳体表面加工的微结构在多次使用过程中会受到损伤，导致后期减阻效果下降，此外大规模的表面微结构加工成本昂贵，且在运输过程中需要做特殊保护；针对气泡包覆壳体减阻技术，其利用气体的低粘性特点，具备优良的减阻效果，但是目前航行器的气泡发生器在工作过程中需要额外消耗能量，以及占据额外的空间，挤压了航行器其他功能舱段的设计尺寸。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱，在满足航行器尺寸设计要求的前提下，能够将电池模组产生的热量有效吸收和利用，实现了航行器在高速航行过程中电池组快速降温和航行器高效减阻的双重目标，保证了航行器电池工作的安全性和自身航行的高速性。
本发明的技术方案是：一种集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱,包括电池舱段壳体以及设置于其内的电池模组和减阻模块，所述电池模组由多个电池模块串并联构成；
所述电池模块包括储气模块和电池组；所述储气模块为设置有若干电池安装孔的蜂窝状中空壳体结构，其内填充有金属有机框架材料和高压气体，通过金属有机框架材料将高压气体进行吸附；所述电池组的各电池安装于储气模块的电池安装孔内；
所述减阻模块包括主管道和支路管道，多个支路管道的一端分别与各电池模块的储气模块连通，另一端均与主管路连通汇总；所述主管道从电池舱段壳体内延伸至航行器头部；释放储气模块中金属有机框架材料吸附的高压气体，通过支路管道和主管道将气体输送到航行器头部，释放的气泡包覆于航行器外壳，从而降低其航行阻力。
本发明的进一步技术方案是：所述电池模组通过轨道与电池舱段壳体连接，轨道包括电池模组外导轨和电池模组内导轨；所述电池模组内导轨为条形结构，两个内轨道对称安装于电池模组的两侧，并平行于电池模组轴向；所述电池模组外导轨为开有滑槽的条形结构，两个外轨道对称安装于电池舱段壳体内壁，分别与两个内轨道的位置相对；所述电池模组通过两侧设置的内轨道安装于外轨道的滑槽内，便于拆装。
本发明的进一步技术方案是：所述电池舱段壳体内壁面沿轴向设置有多个环肋，环肋的截面形状为矩形、工字形或T形，用于增强壳体的水下耐压强度。
本发明的进一步技术方案是：所述电池模块还包括前夹板和后夹板，前夹板和后夹板为结构相同的平板结构，分别固定于储气模块的两侧端面，其上开有若干限位孔；所述限位孔与电池组的各电池一一对应设置，用于限制电池在安装孔内的轴向位移。
本发明的进一步技术方案是：所述限位孔为阶梯孔，其大径端朝向电池，小径端内径小于电池外径。
本发明的进一步技术方案是：所述前夹板和后夹板的外表面均设置有绝缘介质，防止电池组短路；并在电池和前夹板、后夹板接触位置涂覆有导热硅脂，以提高电池和夹板间的传热。
本发明的进一步技术方案是：所述储气模块的中心处开有进气孔和排气孔，所述排气孔与支路管道连通，用于将储气模块内高压气体排出；所述进气孔用于高压气体的输入。
本发明的进一步技术方案是：所述储气模块内填充的金属有机框架材料为ZIF-8，高压气体为二氧化碳。
本发明的进一步技术方案是：所述主管道和支路管道上均设置有气体控制阀，用于控制气流通断及释放速度；所述支路管道内径随着距离主管道的气体控制阀的距离增大而逐渐增大，以补偿气体的沿程损失，保证气体的流速一致。
本发明的进一步技术方案是：所述电池组中的电池成正六边形阵列，中心位置不安装电池。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明将航行器电池模组散热和航行器水下减阻两个需求同时考虑，通过在电池模组的间隙空间安装储气模块，利用储存的高压气体的脱附吸热特点，实现电池模组在大倍率放电下的高效冷却(如图5所示)，同时脱附出来的气体通过输气管道运送到航行器头部，实现航行器高速航行过程中的减阻。此外借助金属有机框架材料物理吸附储气具有存储密度高、释气可控且吸脱附完全可逆等优点，克服了高压气态储气体积密度低的缺陷，同时依托材料之间的分子结合作用力进一步提高了储气过程中的安全性。
本发明实现了航行器电池舱段电池之间空隙的有效利用，在对电池冷却的过程中没有额外消耗航行器自身携带的能量，在航行器通过气泡减阻的过程中也没有消耗能量。同时电池模组释放的热量还有助于提高气体的脱附量，达到了两者之间协同增效的目标。因此对航行器在高速航行过程中的电池热管理设计和减阻设计具有一定的参考价值。
附图说明
图1为电池舱段关键部件的结构设计示意图。
图2为航行器中各舱段和输气管道的示意图。
图3为电池模组的侧面示意图。
图4为单个电池模块的部件示意图。
图5为电池热管理过程中温升曲线示意图。
附图标记说明：1.电池舱段壳体、2.环肋、3.电池模组外导轨、4.电池模组内导轨、5.电池前夹板、6.电池模组、7.储气模块、8.电池后夹板、9.电池模组固定孔、10.L形支路管道、11.气体控制阀1、12.双头螺栓、13.主管道、14.主管道盲端、15.气体控制阀2、16.储气模块进/出气口、17.电池组。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
参照图1所示，本实施例提供了一种集热管理与减阻功能于一体的水下航行器电池舱设计方案，包括电池舱段壳体1、环肋2、电池模组内外导轨3、4、电池模组6、电池安装夹板5、8、储气模块7、金属有机框架材料MOF、输气管道，气体控制阀等。
所述电池模组6通过轨道与电池舱段壳体1连接，轨道包括电池模组外导轨3和电池模组内导轨4；电池模组内导轨4为条形结构，两个内轨道对称安装于电池模组6的两侧，并平行于电池模组6轴向；电池模组外导轨3为开有滑槽的条形结构，两个外轨道对称安装于电池舱段壳体1内壁，分别与两个内轨道的位置相对；所述电池模组通过两侧设置的内轨道安装于外轨道的滑槽内，便于拆装。
所述的航行器电池舱段内壁面布置有环肋，环肋的界面形状不局限于矩形、工字形、T形等形状，用于提升壳体的水下耐压强度。航行器电池模组内导轨与电池单个模块的安装槽相连接，不局限于螺钉、焊接等连接方式；外导轨与航行器壳体内壁面上的环肋进行连接，同样不局限于螺钉、焊接等连接方式。
电池模组6由多个电池模块串并联构成；参照图4所示，所述电池模块包括储气模块7、电池组17、前夹板5和后夹板8；储气模块7为设置有若干电池安装孔的蜂窝状中空壳体结构，其内填充有金属有机框架材料和高压气体，通过金属有机框架材料将高压气体进行吸附；所述电池组的各电池安装于储气模块的电池安装孔内；前夹板5和后夹板8为结构相同的平板结构，分别固定于储气模块7的两侧端面，其上开有若干阶梯限位孔；所述阶梯孔与电池组17的各电池一一对应设置，用于限制电池在安装孔内的轴向位移。阶梯孔的小孔直径小于电池直径，根据抗冲击要求，适当调整小孔内径；阶梯孔的大孔直径等于或者略微大于电池直径，便于电池进行安装。储气模块上有通孔，通孔的位置与电池排布一样，通孔的直径与电池直径一样。前夹板5和后夹板8的表面通过物理或化学方法沉积一定厚度的绝缘介质，防止电池短路。将单个电池安装在夹板阶梯孔的过程时，需要在电池和夹板接触的位置涂覆一层导热硅脂，以提高电池和夹板间的传热。所述电池组17中的电池成正六边形阵列，中心位置不安装电池。
参照图3所示，所述输气管道包括主管道13和L形支路管道10，多个L形支路管道10的一端分别与各电池模块的储气模块7连通，另一端均与主管路13连通汇总；主管道13从电池舱段壳体内延伸至航行器头部，高速航行时，打开气体控制阀，释放储气模块7中金属有机框架材料吸附的高压气体，通过输气管道将气体输送到航行器头部，释放的气泡包覆于航行器外壳，从而降低其航行阻力。
所述储气模块的中心处开有进气孔和排气孔，所述排气孔与支路管道连通，用于将储气模块内高压气体排出；所述进气孔用于高压气体的输入。所述主管道和支路管道上均设置有气体控制阀，用于控制气流通断及释放速度；所述支路管道内径随着距离主管道的气体控制阀的距离增大而逐渐增大，以补偿气体的沿程损失，保证气体的流速一致。
参照图2所示，本实施例中航行器由航行器壳体、头部端的出气口、输气管道、导航及探测设备段、装药段、控制设备段、动力电池舱段、电机段、减速器段、推进器、电子线路、数据传输线路等组成。
航行器电池舱安装方法：
首先将电池模组外导轨3固定在航行器壳体的环肋2上，固定的方式可以采用螺钉、焊接等方式。两条外导轨分别位于航行器内壁面的两侧，呈对称分布。
在中空结构的储气模块7中装入金属有机框架材料，所装填的金属有机框架材料与所充入的气体构成工质对，如充入的气体为二氧化碳时，金属有机框架材料优先选择为ZIF-8。
接下来组装单个电池模块，将电池依次放置在电池架夹板的凹槽中，待所有电池放置结束后，将储气模块套装在电池上面，然后放置电池架后夹板，保证电池架的孔位置与电池完好配合。最后通过夹板四周的小孔9将整个模块通过螺栓和螺母固定夹紧。
依次装配好单个电池模块后，将L形导气管10通过电池前夹板的中心孔装入储气模块，储气模块正中心有进气孔，且孔的表面有内螺纹，L形导气管表面有外螺纹，通过螺纹连接将导气管固定到储气模块中。
L形导气管上装有气体控制阀11，用于控制储气模块中气体的进出。
主管道上有与L形配合的分路管道，分路管道端口表面有外螺纹，通过双头螺栓12与L形导管表面的外螺纹连接；主管道的末端加工为盲端，前端连接气体控制阀。所有连接过程中，为了保证气密性，建议在管道表面缠绕密封胶带，然后进行连接。
主管道进一步通过图2中的输气管道，连接至航行器头部的出气口处。
完成所有的安装和连接后，通过航行器头部的出气口，将外界的气体充入整个电池模组的储气装置中，以备后用。需要注意的是，在给金属有机框架材料中充入气体时，气体吸附过程是放热过程，为了避免热量积聚，应非常缓慢地充入气体。
当航行器要执行高速任务时，将储气模块中存储的气体进行释放，气体通过一级和二级气体控制阀进行流量调控，再通过输送管道将气体运送至航行器头部的出气口，最终释放地气体将包覆在航行器的壳体表面，达到减阻效果；同时，航行器由于要高速航行，电池组会进行大倍率放电，导致电池组产生大量的热量，而气体在脱附过程中，需要吸收热量，刚好将电池释放的热量进行吸收，从而实现了电池模组的高效冷却。需要注意的是，电池产生的热量有助于提高气体的脱附程度，加大气体的最终释放量，彼此之间真正实现了协同增效的目的。
实施例2：
在实施案例2中，与之前的实施案例1不同的地方在于使用环境的区别。通过外界充气罐对航行器储气模块充气时，这个过程中金属有机框架材料对气体进行吸附过程，和脱附过程相反的是吸附过程是放热过程。因此利用这个特点，当航行器所处环境属于低温寒冷环境时，可通过充气的过程对电池进行提前预加热，从而提高电池的放电性能。需要明白的是，电池在低温环境中工作时，放电容量会大幅降低，长时间在低温环境循环使用时，会严重影响电池寿命。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱,其特征在于：包括电池舱段壳体以及设置于其内的电池模组和减阻模块，所述电池模组由多个电池模块串并联构成；
所述电池模块包括储气模块和电池组；所述储气模块为设置有若干电池安装孔的蜂窝状中空壳体结构，其内填充有金属有机框架材料和高压气体，通过金属有机框架材料将高压气体进行吸附；所述电池组的各电池安装于储气模块的电池安装孔内；
所述减阻模块包括主管道和支路管道，多个支路管道的一端分别与各电池模块的储气模块连通，另一端均与主管路连通汇总；所述主管道从电池舱段壳体内延伸至航行器头部；释放储气模块中金属有机框架材料吸附的高压气体，通过支路管道和主管道将气体输送到航行器头部，释放由高压气体形成的气泡包覆于航行器外壳，从而降低其航行阻力。
2.根据权利要求1所述集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱,其特征在于：所述电池模组通过轨道与电池舱段壳体连接，轨道包括电池模组外导轨和电池模组内导轨；所述电池模组内导轨为条形结构，两个内轨道对称安装于电池模组的两侧，并平行于电池模组轴向；所述电池模组外导轨为开有滑槽的条形结构，两个外轨道对称安装于电池舱段壳体内壁，分别与两个内轨道的位置相对；所述电池模组通过两侧设置的内轨道安装于外轨道的滑槽内，便于拆装。
3.根据权利要求1所述集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱,其特征在于：所述电池舱段壳体内壁面沿轴向设置有多个环肋，环肋的截面形状为矩形、工字形或T形，用于增强壳体的水下耐压强度。
4.根据权利要求1所述集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱,其特征在于：所述电池模块还包括前夹板和后夹板，前夹板和后夹板为结构相同的平板结构，分别固定于储气模块的两侧端面，其上开有若干限位孔；所述限位孔与电池组的各电池一一对应设置，用于限制电池在安装孔内的轴向位移。
5.根据权利要求4所述集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱,其特征在于：所述限位孔为阶梯孔，其大径端朝向电池，小径端内径小于电池外径。
6.根据权利要求4所述集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱,其特征在于：所述前夹板和后夹板的外表面均设置有绝缘介质，防止电池组短路；并在电池和前夹板、后夹板接触位置涂覆有导热硅脂，以提高电池和夹板间的传热。
7.根据权利要求1所述集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱,其特征在于：所述储气模块的中心处开有进气孔和排气孔，所述排气孔与支路管道连通，用于将储气模块内高压气体排出；所述进气孔用于高压气体的输入。
8.根据权利要求1所述集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱,其特征在于：所述储气模块内填充的金属有机框架材料为ZIF-8，高压气体为二氧化碳。
9.根据权利要求1所述集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱,其特征在于：所述主管道和支路管道上均设置有气体控制阀，用于控制气流通断及释放速度；所述支路管道内径随着距离主管道的气体控制阀的距离增大而逐渐增大，以补偿气体的沿程损失，保证气体的流速一致。
10.根据权利要求1-9任一项所述集热管理与减阻双重功能于一体的水下航行器电池舱,其特征在于：所述电池组中的电池成正六边形阵列，中心位置不安装电池。
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