阅读说明：本技术 一种用于水下航行器的高导热锂电池组 (High-heat-conductivity lithium battery pack for underwater vehicle ) 是由 卢丞一 李梦杰 田文龙 毛昭勇 于 2021-08-29 设计创作，主要内容包括：为了解决水下航行器电池舱段的传统散热方案散热效率低且效果不明显,无法在短时间内有效降低电池组的温度的技术问题,本发明提供了一种用于水下航行器的高导热锂电池组。本发明有效利用圆柱形锂电池排布时必然形成的间隙,在这些间隙中填充高导热、绝缘的导热填隙材料,通过该导热材料,可迅速将电池中心热量传导至电池舱段壳体内壁,进而将热量导出至电池舱段外的低温海水中,实现快速降温的目的；由于各圆柱形锂电池周围都充填着导热填隙材料,能够很好的保证温均性；同时,合理利用最内圈圆柱形锂电电池形成的中心间隙,在该中心间隙内设置中心管,中心管内填充高吸热复合材料,能够快速、有效地吸收电池组产生的热量,降低电池组的温度。(The invention provides a high-heat-conductivity lithium battery pack for an underwater vehicle, and aims to solve the technical problems that the traditional heat dissipation scheme of an underwater vehicle battery cabin section is low in heat dissipation efficiency and unobvious in effect, and the temperature of the battery pack cannot be effectively reduced in a short time. According to the invention, gaps inevitably formed when cylindrical lithium batteries are arranged are effectively utilized, and the gaps are filled with high-heat-conduction and insulation heat-conduction gap filling materials, so that the heat of the center of the battery can be quickly conducted to the inner wall of the shell of the battery cabin section through the heat conduction material, and further the heat is conducted to low-temperature seawater outside the battery cabin section, and the purpose of quickly cooling is realized; the heat-conducting gap-filling material is filled around each cylindrical lithium battery, so that the temperature uniformity can be well ensured; meanwhile, a central gap formed by the cylindrical lithium battery at the innermost ring is reasonably utilized, a central tube is arranged in the central gap, and a high heat absorption composite material is filled in the central tube, so that heat generated by the battery pack can be quickly and effectively absorbed, and the temperature of the battery pack is reduced.)

一种用于水下航行器的高导热锂电池组

技术领域

本发明涉及一种用于水下航行器的高导热锂电池组。

背景技术

目前，水下航行器的驱动动力能源以电动力为主，以锂电池为代表新型绿色高能电源以其高能量度、自放电小、无记忆效应等优点逐步应用于水下航行器。

水下航行器电池舱段多为圆柱密闭空间，水下体积空间约束度高，对电池的体积比能量要求苛刻，且在高功率工作环境下，电池组持续大倍率放电导致热量在舱体内快速累积，极易产生热失控的风险，严重威胁航行器的运行安全。

针对水下航行器电池舱段的散热问题，传统方法是采用结构设计在电池组与舱段壳体之间建立热桥，通过热桥将电池产生的热量传递至舱段壳体上，进而热量通过舱段壳体传递至周围低温海水中，达到改善电池组温度均匀性的目的。该方案只能缓慢、有限地导热，散热效率低且效果不明显，无法在短时间内有效降低电池组的最高温度。

此外，目前水下航行器电池舱段的电池组系统可靠性较低，若某一个电池模块出现故障而失效，则会引起连锁反应，导致整个电池舱段失效，甚至波及整个航行器。

发明内容

为了解决水下航行器电池舱段的传统散热方案散热效率低且效果不明显，无法在短时间内有效降低电池组的温度的技术问题，本发明提供了一种用于水下航行器的高导热锂电池组。

本发明的技术方案是：

一种用于水下航行器的高导热锂电池组，其特殊之处在于：

包括沿电池高度方向依次设置的多个串和/或并联的电池模块；

单个电池模块包括多个串和/或并联的圆柱形锂电池和用于承载固定圆柱形锂电池的电池架；多个圆柱形锂电池由内向外设置有多圈；

在最内圈圆柱形锂电池形成的中心间隙中设有贯穿各层电池模块的中心管；中心管内填充高吸热复合材料；

在圆柱形锂电池形成的其余间隙中填充有高导热、绝缘的导热填隙材料。

进一步地，单个电池模块中，各圈的圆柱形锂电池均采用正六边形的排布方式排布。

进一步地，所述正六边形的排布方式具体为：

以中心管的横截面圆心为中心点，构造边长为L的正六边形，L＝m×(d+s)，d为圆柱形锂电池的直径，m为围绕中心管排布的电池圈数；s为相邻两个电池之间的间隙；

第1层有6个圆柱形锂电池，其圆心分别与所述正六边形的6个顶点重合；

第2层有12个圆柱形锂电池，其中有6个圆柱形锂电池的圆心分别与正六边形的6个顶点重合，其余6个圆柱形锂电池的圆心分别落在正六边形的6条边的中点处；

第3层有18个圆柱形锂电池，其中有6个圆柱形锂电池的圆心分别与正六边形的6个顶点重合，其余12个圆柱形锂电池的圆心均匀分布在正六边形的6条边上；

依次类推，

直至排布到电池舱体的最大内接正六边形为止。

进一步地，s＝2mm。

进一步地，单个电池模块还包括用于监测电池模块的健康状态和控制电池模块接入和切断的电芯管理单元。

进一步地，高吸热复合材料为石蜡/膨胀石墨复合相变储热材料或者硅基载体复合相变蓄热材料。

进一步地，导热填隙材料为金属氮化物、非金属氮化物或者SiC陶瓷。

本发明的有益效果是：

1.本发明有效利用圆柱形锂电池排布时必然形成的间隙，在这些间隙中填充高导热、绝缘的导热填隙材料，通过该导热材料，可迅速将电池中心热量传导至电池舱段壳体内壁，进而将热量导出至电池舱段外的低温海水中，实现快速降温的目的；由于各圆柱形锂电池周围都充填着导热填隙材料，能够很好的保证温均性；同时，合理利用最内圈圆柱形锂电电池形成的中心间隙，在该中心间隙内设置中心管，中心管内填充高吸热复合材料，能够快速、有效地吸收电池组产生的热量，降低电池组的温度。

2.本发明锂电池组采用冗余设计，由多层串和/或并联的电池模块构成，同时采用电芯管理单元(BMU)介入电池模块管理，检测各电池模块的健康状态，及时切断失效的电池模块，使得电池组系统在某个电池模块失效时不影响整体输出，提升了电池组系统可靠性。

3.本发明中各圈锂电池采用正六边形的排布方式，充分利用了电池舱段各截面空间，提高了电池舱段横截面利用率，保证了电池组系统整体的能量密度。

附图说明

图1为本发明电池组实施例的总体结构示意图。

图2为本发明电池组实施例横截面示意图。

附图标记说明：

1-中心管；2-电芯管理单元；3-圆柱形锂电池；4-电池架；5-第一层锂电池。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所提供的用于水下航行器的高导热锂电池组，包括多层电池模块，各层电池模块间以串和/或并联方式相连，且沿电池高度方向依次设置。

单层电池模块包括多个串和/或并联的圆柱形锂电池3、两个电池架4和一个电芯管理单元2；圆柱形锂电池3由电池舱体中心向外壁方向共设置多圈；电池架4用于承载固定圆柱形锂电池3；电池架4的端面上设置有定位孔，各圆柱形锂电池3通过定位孔固定；电芯管理单元2用于监测电池模块的健康状态，若检测到电池模块发生低压(低于正常工作电压)、高温(高于工作温度范围上限)失效时，则自动切断该层电池模块与其他层电池模块的连接，而不影响其他电池层电池模块继续供电，避免因某层电池模块个体失效而出现连锁失效反应。

对于每一层电池模块而言，圆柱形锂电池3在排布时必然会形成间隙，

本发明在最内圈圆柱形锂电池3形成的中心间隙中设置中心管1，该中心管1贯穿各层电池模块的中心间隙，其两端分别穿过位于最顶部和最底部的两个电池架4后分别与水下航行器电池舱体端板相连接；中心管1的截面圆心与电池舱段径向截面圆心重合；在中心管1内填充高吸热复合材料，高吸热复合材料为石蜡/膨胀石墨复合相变储热材料或者硅基载体复合相变蓄热材料，用于快速吸收电池放电产生的热量。

在圆柱形锂电池3形成的其余间隙中填充导热填隙材料，导热填隙材料为金属氮化物(例如AlN)非金属氮化物(例如Si3N4、BN)或者SiC陶瓷等既具有高导热性，同时也具有优良的绝缘性能和力学性能的材料。

为了提高电池组系统整体的能量密度，本发明各层电池模块中的圆柱形锂电池3采用正六边形的排布方式，此时，优选的，中心管1的壁厚为1.5-3mm，外径为圆柱形锂电池3直径的1～1.1倍。

如图2所示，单个电池组单元中，各圆柱形锂电池3位于中心管1的外围，由内向外共n圈，分别记为第1、第2…第n圈，每圈设置6m个圆柱形锂电池3，m为围绕中心管由内向外的圈数，m＝1,2，…，n；n由圆柱形锂电池3的直径和电池舱体的内径决定；正六边形排布规律为：

以中心管1的横截面圆心为中心点，构造边长为L的正六边形，L＝m×(d+s)，d为圆柱形锂电池3的直径，m为围绕中心管排布的圈数；s为相邻两个电池之间的间隙，考虑到最大限度的利用空间以及便于装配，s取2mm。

第1层有6个圆柱形锂电池3，其圆心分别与该正六边形的6个顶点重合；

第2层有12个圆柱形锂电池3，其中有6个圆柱形锂电池3的圆心分别与正六边形的6个顶点重合，其余6个圆柱形锂电池3的圆心分别落在正六边形的6条边的中点处；

第3层有18个圆柱形锂电池3，其中有6个圆柱形锂电池3的圆心分别与正六边形的6个顶点重合，其余12个圆柱形锂电池3的圆心均匀分布在正六边形的6条边上；

依次类推，

直至排布到电池舱体的最大内接正六边形为止。