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单一压力容器镍氢电池传热分析及电池组结构优化

作　者: 陈飞
导　师: 林文胜
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 单一压力容器镍氢电池传热分析数学物理模型温度场优化
分类号: TM911
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

氢镍电池是当今世界上航天飞行器中使用较多,并且技术成熟的长寿命贮能电源。与镉镍电池相比,它具有重量比能量高、放电深度大、使用寿命长等优点,并且与镉镍电池有同样的输入输出特点,所以必将逐步替代镉镍电池,成为主要的航天用长寿命贮能电源。镍氢电池对温度较为敏感,适宜的工作温度为0℃～15℃范围内,且单体电池内部的最大温差应不超过10℃,同组电池内各单体蓄电池间温差应不大于3℃,电池组之间的温差应不大于5℃。本论文针对上海空间电源研究所设计的空间实际IPV Ni-H2电池和电池组,建立Ni-H2电池包括电堆/单体/电池组的传热数学物理模型,采用有限差分的数值求解方法对电池的温度场进行求解,并通过实验测试与计算结果的比较,验证模型的有效性,从以下三方面对镍氢电池的传热过程及结构优化进行了仿真分析。(1)单一压力容器电池电堆的温度场仿真。采用有限差分的数值求解方法,建立电池电堆的二维计算网格,并对模型进行求解,分析了极堆内电池的温度场分布特点。对比模拟计算与实验测得的温度结果,验证模型的有效性,并分析误差产生的原因。(2)单体镍氢电池热分析的建模和仿真。根据单体电池的传热特性,建立了二维、轴对称、非稳态、流固耦合对流换热模型电池传热的数学物理模型,并对模型进行求解,分析电池中其他部分对极堆单元温度分布的影响及整体电池的传热过程,比较实验测试与计算结果,验证模型有效性。与单个电池的热分析中传统上仅采用电堆模型相比,温度场的分析更加全面和准确,有利于电池的热控制。(3)针对70Ah空间实际运行镍氢电池组,建立电池组传热的数学物理模型,求解电池组在太空热控条件下10个充放电周期内温度场分布及变化情况。并通过改变其主要结构参数,包括电池组套筒高度、厚度、电池间距及底板厚度,模拟了四种情况下电池组的温度场分布,将其与实际结构条件下电池组的温度场分布的对比,分析结构参数改变对电池组温度分布的影响,提出电池组结构优化原则。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-20
  1.1 研究背景和意义  8-16
  1.2 论文研究内容和技术路线  16-19
  1.3 研究方法及创新点  19-20
第二章单一压力容器镍氢电池电堆的温度场仿真  20-35
  2.1 单一压力容器镍氢电池电堆传热的数学物理模型  20-21
  2.2 镍氢电池材料的热物性  21-22
  2.3 放电过程电池电压、放热量随时间的变化及壳外壁温度测试  22-27
  2.4 电池电堆温度场的模拟计算  27-34
  2.5 本章小结  34-35
第三章单一压力容器镍氢电池热分析的建模与仿真  35-43
  3.1 单体镍氢电池的传热数学物理模型  35-36
  3.2 镍氢电池的模拟计算及模型验证  36-42
  3.3 本章小结  42-43
第四章镍氢电池组的热分析仿真及结构优化  43-75
  4.1 镍氢电池组几何结构参数与物性参数  43-45
  4.2 计算条件实验测点分析及电池组发热量计算  45-49
  4.3 镍氢电池组传热的数学物理模型及等效电堆计算  49-51
  4.4 镍氢电池组太空操作条件下仿真计算  51-63
  4.5 不同结构尺寸下镍氢电池组的热分析模拟  63-70
  4.6 计算结果比较  70-74
  4.7 电池组优化原则  74
  4.8 本章小结  74-75
第五章结论与展望  75-77
  5.1 结论  75-76
  5.2 展望  76-77
参考文献  77-80
致谢  80-81
攻读学位期间发表的学术论文目录  81-83

单一压力容器镍氢电池传热分析及电池组结构优化

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