CN114976437A - 一种集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱 - Google Patents
一种集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱 Download PDFInfo
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Abstract
本发明一种集承载‑散热‑供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技术领域；包括电池舱段壳体、电池组及电池组安装模块，多个电池组分别通过电池组安装模块沿轴向安装于电池舱段壳体内壁；电池组安装模块的外周型面与电池舱段壳体的内型面一致，通过连接件沿周向固定或通过过盈配合固定安装。电池组安装模块包括两个平行设置的夹板，分别作为电池前夹板和电池后夹板；通过两个夹板上的限位孔对电池组进行固定；并通过紧固件将两个夹板固定为一体结构。本发明大幅降低了电池组与外界海水的换热热阻，能够将电池模组产生的热量有效传递到外界海水中，实现了航行器在高速航行过程中电池组快速降温的目标。
Description
技术领域
本发明属于电动力航行器电池热管理技术领域，具体涉及一种集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱。
背景技术
随着电池技术的快速更新迭代，水下航行器的动力部分逐渐由热动力转向电动力，相比于热动力装置，电动力如果要达到热动力的功率参数，需要进一步提高放电倍率，然而大倍率放电背景下的热量积累问题一直困扰着电动力航行器的发展。
常见的电池热管理方式包括风冷，液冷，相变冷却等。结合航行器密闭受限空间的特点，风冷技术需要安装风扇等装置，一方面需要额外消耗航行器自身携带的能量，另一方面风扇会占据航行器电池舱段体积，降低电池舱段的能量密度；液冷相比于风冷具备更高的换热系数，但是液冷也需要安装泵、管道等装置，同时也会产生额外功耗，此外整个装置也会占据一定体积，多个部件之间的连接可靠度也很难保证；相变冷却技术利用相变材料的潜热进行电池热管理，具备高可靠度和良好的热管理性能，但是相变材料会增加航行器整体的质量，降低了航行器电池组整体的质量能量密度。针对没有辅助热管理措施的航行器电池组，热量传递只能依靠航行器内导轨和壳体环肋之间的狭窄接触面与外界海水进行换热，由于换热面积较小，导致热量在电池组内大量累积，严重威胁航行器电池组的正常工作。
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，本发明提供一种集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱，采用环向连接结构直接将航行器壳体的环肋转接到电池的安装夹板上，通过铆钉结构或过盈配合实现电池组和壳体之间的有效连接，大幅降低了电池组与外界海水的换热热阻，在满足航行器壳体承压要求的前提下，能够将电池模组产生的热量有效传递到外界海水中，实现了航行器在高速航行过程中电池组快速降温的目标，保证了航行器电池工作的安全性和高速航行的要求。
本发明的技术方案是：一种集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱，包括电池舱段壳体、电池组及电池组安装模块，多个电池组分别通过电池组安装模块沿轴向安装于电池舱段壳体内壁；
所述电池组安装模块的外周型面与电池舱段壳体的内型面一致，通过连接件沿周向固定或通过过盈配合固定安装。
本发明的进一步技术方案是：所述电池组安装模块为框架式结构，其两端外缘沿轴向延伸出环形连接体，通过所述环形连接体与电池舱段壳体进行固定连接；电池组中的各电池均布于框架内。
本发明的进一步技术方案是：所述电池组安装模块包括两个平行设置的夹板，分别作为电池前夹板和电池后夹板；所述夹板的端面上开有若干限位孔，电池组中的各电池一端安装于电池前夹板的限位孔内，另一端安装于电池后夹板的限位孔内；通过紧固件将安装有电池组的两个夹板固定为一体结构。
本发明的进一步技术方案是：所述限位孔为阶梯孔，其大径端用于嵌装电池，小径端内径小于电池外径，用于限制电池的轴向位移。
本发明的进一步技术方案是：所述夹板端面的外缘处设置有环形凸起，所述环形凸起的外周面与夹板外周面位于同一周面上；通过沿环形凸起周向设置的多个铆钉，将所述夹板固定于电池舱段壳体内表面；
或在所述环形凸起的外周面设置柔性导热硅胶垫，通过环形凸起与电池舱段壳体的过盈配合，实现夹板的径向固定。
本发明的进一步技术方案是：所述柔性导热硅胶垫的厚度为1mm。
本发明的进一步技术方案是：所述夹板的环形凸起为封闭式圆环或非封闭式圆环，所述非封闭式圆环为沿夹板外缘均布的多个弧形凸起，呈花瓣状，多个弧形凸起的外弧面位于同一环面内。
本发明的进一步技术方案是：所述紧固件包括长螺栓和螺母，所述夹板端面上沿周向开有多个通孔，长螺栓贯穿两侧夹板通过螺母拧紧固定。
本发明的进一步技术方案是：所述电池舱段壳体的前端内径与夹板的外径为间隙配合，便于电池组安放进航行器舱内，电池舱段壳体末端的内径小于电池夹板的外径，用于固定和限位。
本发明的进一步技术方案是：所述夹板中心处开有通孔，用于电池模块之间的线路布放。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明直接将航行器壳体的环肋转接到电池的安装夹板上，通过电池组安装模块实现电池组和壳体之间的有效连接，大幅降低了电池组与外界海水的换热热阻；相比于传统航行器通过环肋和导轨固定电池组的设计，本发明提高了电池舱段的空间利用率，可以进一步提高电池舱段整体的质量能量密度和体积能量密度。通过综合考虑承载-散热-供能多个设计目标，本发明在保证电池舱段承压性能的前提下，大幅增强了电池舱段与外界海水的热交换能力(如图5)，同时提升了电池组供能过程中的能量密度。
附图说明
图1为电池舱段整体的结构设计示意图。
图2为航行器壳体设计示意图。
图3为圆环状柱体电池夹板安装示意图。
图4为花瓣状柱体电池夹板安装示意图。
图5为本发明的电池组最高温升和传统方案对比图。
附图标记说明：1电池舱段壳体、2电池前夹板、3电池组、4电池后夹板、5电池壳体连接孔、6电池模组连接孔、7电池夹板中心孔、8航行器壳体前端、9航行器壳体后端。
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。
如图1所示，本实施例提供了承载-散热-供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、电池组3及电池组安装模块，多个电池组3分别通过电池组安装模块沿轴向安装于电池舱段壳体内；所述电池组安装模块的外周型面与电池舱段壳体的内型面一致，通过连接件沿周向固定或通过过盈配合固定安装。
参照图3和4所示，所述电池组安装模块包括两个平行设置的夹板，分别作为电池前夹板2和电池后夹板4；所述夹板的端面上开有若干限位阶梯孔，电池组中的各电池一端安装于电池前夹板的限位孔内，另一端安装于电池后夹板的限位孔内；阶梯孔大径端内径等于或者略微大于电池直径，便于电池进行安装；小径端内径小于电池外径，用于限制电池的轴向位移。通过长螺栓和螺母将安装有电池组的两个夹板固定为一体结构，所述夹板端面上沿周向开有多个通孔，长螺栓贯穿两侧夹板通过螺母拧紧固定，提高单个电池模块的可靠度。
所述夹板端面的外缘处设置有环形凸起，所述环形凸起的外周面与夹板外周面位于同一周面上；通过沿环形凸起周向设置的多个铆钉，将所述夹板固定于电池舱段壳体内表面；铆钉连接要注意其紧固性，高紧固性可以降低电池夹板和航行器壳体之间的接触热阻，提高电池组的散热性能。或在所述环形凸起的外周面包覆厚度为1mm的柔性导热硅胶垫，通过柔性导热硅胶垫与壳体直接的过盈配合，实现降低接触热阻的目的，达到电池组高效热管理；此方式取代了在航行器壳体表面开孔以及电池夹板与壳体之间铆钉的连接方式。
所述夹板的环形凸起为封闭式圆环或非封闭式圆环，所述非封闭式圆环为沿夹板外缘均布的多个弧形凸起，呈花瓣状，多个弧形凸起的外弧面位于同一环面内；外环么上沿周向设置有多个通孔，用于安装与电池舱段壳体连接的铆钉。所述夹板中心处开有通孔，用于电池模块之间的线路布放。所有模组间的电路连接通过中心孔实现布线。此外，电池组最中心的位置通常温度最高，此设计可以缓解中心位置的温升。
所述环形凸起径向的厚度至少与航行器壳体厚度一样，沿轴向的长度至少大于其径向的厚度。如果采用花瓣柱体，应该保证花瓣形状均匀分布，从而满足其各个方向的均匀受力。
参照图2所示，所述电池舱段壳体的前端内径与夹板的外径为间隙配合，便于电池组安放进航行器舱内，电池舱段壳体末端的内径小于电池夹板的外径，用于固定和限位。
水下航行器电池舱的安装方法：
首先在电池的前后夹板加工阶梯孔，阶梯孔的小孔直径要小于电池直径4-5mm,阶梯孔的大孔直径与电池的直径一样。在靠近电池架的边缘位置加工固定孔，用于螺栓螺母来连接电池前夹板、电池组、电池后夹板。加工结束后，在电池的前后夹板上喷涂绝缘漆，防止电池短路。需要注意的是，不要在电池夹板的圆环柱体/花瓣柱体侧面与电池壳体接触的部分喷涂绝缘漆。
航行器壳体加工分为前端和后端。航行器壳体前端的内径与电池夹板的最大外径一样；壳体后端的内径小于电池夹板的最大外径，两者之间的差值依航行器抗冲击的要求进行设计，航行器电池舱中间段的内径与电池夹板外径一样。
安装电池时应该在梯度孔上涂覆一定量的导热硅脂，提高电池和夹板之间的传热。
航行器壳体上加工的通孔数量及位置参数应该依据电池夹板侧面的固定孔参数来确定。
安装为电池模组单元后，在模组单元电池夹板的侧面涂覆导热硅脂，一方面起到润滑作用，便于将模组推进航行器舱段，另一方面可以降低电池夹板与航行器壳体之间的接触热阻，提高散热能力。
航行器壳体与各个电池模组之间的连接通过接触孔来连接，连接方式采用铆钉连接或者其他螺纹连接方式。需要注意的是，连接过程要满足航行器的水密要求，可以通过加密封圈等方法提高水密性。
可以根据不同的需求对电池夹板柱体部分进行设计，可以采用圆环状、花瓣状等形式。
单个电池模块的中心位置不安装电池，防止中心位置热量过高，影响电池的正常工作。不同电池模组单元之间的串并联通过电池夹板的中心孔进行走线。
也可以采用在航行器电池夹板侧面的柱体表面也可以通过包覆1mm厚度的柔性导热硅胶垫，通过柔性导热硅胶垫与壳体直接的过盈配合，实现降低接触热阻的目的，达到电池组高效热管理。此方式取代了在航行器壳体表面开孔以及电池夹板与壳体之间铆钉的连接方式。
为了验证本方案的电池热管理性能，将本实施案例中电池组的温升与传统电池组采用导轨安装的方案进行对照，如图5所示。分析过程中采用带有圆环状的柱体的电池夹板，对照方案中设置单个电池的发热量一致，为14400W/m3,放电时间设置为6个小时，起始海水温度为15℃，航行器表面的对流换热系数设置为3500W/(m2·K)。从图中可以发现本方案提出的电池组结构设计具备良好的散热性能，在电池组工作2个小时后，电池组与外加海水的换热达到热平衡。在放电结束后，最高温度降低了43.5℃。需要注意的是，本图虽然只研究了一种工况，但是重在说明本发明相比于传统电池组仅依靠安装导轨来导热，具备优异的热管理性能。
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)
1.一种集承载-散热-供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、电池组及电池组安装模块，多个电池组分别通过电池组安装模块沿轴向安装于电池舱段壳体内壁；
所述电池组安装模块的外周型面与电池舱段壳体的内型面一致，通过连接件沿周向固定或通过过盈配合固定安装。
2.根据权利要求1所述集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱，其特征在于：所述电池组安装模块为框架式结构，其两端外缘沿轴向延伸出环形连接体，通过所述环形连接体与电池舱段壳体进行固定连接；电池组中的各电池均布于框架内。
3.根据权利要求1所述集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱，其特征在于：所述电池组安装模块包括两个平行设置的夹板，分别作为电池前夹板和电池后夹板；所述夹板的端面上开有若干限位孔，电池组中的各电池一端安装于电池前夹板的限位孔内，另一端安装于电池后夹板的限位孔内；通过紧固件将安装有电池组的两个夹板固定为一体结构。
4.根据权利要求3所述集承载-散热-供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，其大径端用于嵌装电池，小径端内径小于电池外径，用于限制电池的轴向位移。
5.根据权利要求3所述集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱，其特征在于：所述夹板端面的外缘处设置有环形凸起，所述环形凸起的外周面与夹板外周面位于同一周面上；通过沿环形凸起周向设置的多个铆钉，将所述夹板固定于电池舱段壳体内表面；
或在所述环形凸起的外周面设置柔性导热硅胶垫，通过环形凸起与电池舱段壳体的过盈配合，实现夹板的径向固定。
6.根据权利要求5所述集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱，其特征在于：所述柔性导热硅胶垫的厚度为1mm。
7.根据权利要求5所述集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱，其特征在于：所述夹板的环形凸起为封闭式圆环或非封闭式圆环，所述非封闭式圆环为沿夹板外缘均布的多个弧形凸起，呈花瓣状，多个弧形凸起的外弧面位于同一环面内。
8.根据权利要求1所述集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱，其特征在于：所述紧固件包括长螺栓和螺母，所述夹板端面上沿周向开有多个通孔，长螺栓贯穿两侧夹板通过螺母拧紧固定。
9.根据权利要求3所述集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱，其特征在于：所述电池舱段壳体的前端内径与夹板的外径为间隙配合，便于电池组安放进航行器舱内，电池舱段壳体末端的内径小于电池夹板的外径，用于固定和限位。
10.根据权利要求3所述集承载-散热-供能于一体的水下航行器电池舱，其特征在于：所述夹板中心处开有通孔，用于电池模块之间的线路布放。
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