无人机用锂离子电池散热设计的研究

无人机用锂离子电池散热设计的研究
摘要：锂离子电池在使用的过程中电池会发出大量热量，不利于无人机的长
时间使用，需要做好散热工作。

因此本文针对锂离子电池散热的设计进行了分析，将散热设计使用到模型之中，通过仿真设置来提高散热方案的可行性。

并且根据
热模型得出的结果来对无人机的锂离子电池进行结构上的优化，提高无人机稳定性。

关键词：无人机；仿真设置；锂离子电池
引言：近些年各种高科技的摄像导航技术被广泛地使用，无人机的体积也越
来越小，其使用的范围也越来越广泛。

目前无人机的使用领域已经不再局限于工业、新媒体行业、军事领域。

无人机的重量一般都不会很大，而且其采用的都是
绿色能量，而且操作方便。

目前无人机技术还有很大的发展空间，如提升电池散
热性。

1.无人机散热与仿真设计
1.1散热设计
图一是一种无人机内部结构的简化版，根据图中无人机中不同结构的分布情况，可以对电池散热结构进行良好的设计，从而满足无人机中散热的需求。

在进
行散热设计的时候，首先，就需要考虑散热的需求，可以通过将电池模型进化的
方式来让其能够适应最恶劣的环境。

然后就要考虑热量应该被传输到哪里，到底
是用机身储热还是选择发散出去。

之后就是要根据实际情况来选择传热的方法。

当前热量传输的过程中存在传热距离长和热阻大的问题。

针对传热距离长的情况
可以使用热管来传导热量，如果遇到热阻大的问题则可以选择铜片来使热量均匀
发散。

最后再根据已有的散热方案进行无人机结构上的优化。

通过分析其敏感度
和多目标优化的方式来实现散热的目的。

图一无人机结构示意图
1.2模型描述
在散热模型中，主要包括四个部分，即实现导致热量过大的电池和想要达到
散热目的的热管、铜均热片，以及无人机的机身。

在图二之中的散热模型所采用
的离子电池长127毫米，宽48毫米，高37毫米。

热管砸扁之后的宽度为9毫米，其总长度为130毫米。

热管的材料主要是铜，具有很好的导热效果，而散热的工
质是水，能够很好地实现散热的目的。

将热管弯折之后能够将电路板、电池、机
身连接到一起。

无人机的机身主要采用的材料为ABS塑料，其更为轻便有利于无
人机的飞行功能。

而且ABS塑料具有一定的耐热性，不会因为散热导致材料损坏。

均热片主要采用的材料也是铜，将均热片放置在电池和热管的中间，将热量集中
在均热片之中促进电池的散热。

图二散热模型
1.3仿真设置
通过将建设好的模型导入到ANSYS workbench仿真平台之中，并且根据将以
下表一中的参数录入到仿真平台中。

在模型进行实验的时候，需要将相变过程和
接触热阻进行忽略，并且将热管的材料默认为均匀材料，将其数据设置为
9000Wm-1K-1。

其次就是设置边界条件。

从图一中可以看出，电池处于无人机内部，电池的散热装置热管和均热片也都处于无人机内部，在散热装置的表面主要是自
然对流散热。

无人机的机身与空气接触的地方的散热方式则为强制对流方式。

不
同的散热方式的系数也大不相同，强制对流系数是自然对流散热系数的10倍，
即50.0Wm-1K-1。

表一材料参数数据
部件
材
质
密度
（kg m-3）
热导率（Wm-
1K-1)
比热容（kJ kg-1
K-1)
电池
电
池
263035/0.481100
热管
铜
、水
30609000800
机身
ABS
塑料
10400.251330
均
热片
铜8300401385
1.4结果分析
将散热模型放在相同的温度环境下让电池分别进行1C、3C、5C放电，并且电池放电测量出其放电前后的温度数据和温度上升的数据，根据此数据得到最后
的实验结果。

正常来说放电之后电池前后温度差距越小就证明无人机机身的材料效率越差，其热阻也越大，所以绝大多数的温差发生在机身上。

因此就需要对机身储热作用进行分析，主要是通过分析电池3C放电时产生的热量来计算机身散热的能力。

此外还需要将电池和机身是否使用铜均热片进行散热的效果进行对比分析，从而得出更加直观地看出均热片散热的能力[1]。

由此得出均热片在无人机机身的时候能够有效地提高机身材料散热的能力，均热片能够降低机身的扩散热阻对传热的影响，将热量更好的散发出去。

1.5准确性分析
在模型仿真的实验过程中，建模是否标准，参数设置是否准确，数值离散是否符合要求都会影响到模型数值仿真的结果准确性。

因此本文从数值离散是否准确的情况出发，来对无人机散热模型得出的结果是否准确进行分析。

数值离散是否准确主要是通过网格的密度进行判断，如果网格密度不够或者是网格的质量没有达到相关的标准，都会导致数值离散准确性不足。

而网格的质量则是依靠网格单元的长和宽是否符合标准，其比例是否正常，以及其是否出现扭曲的情况来判断的。

正常情况下，网格的密度和计算结果的准确度成正比，网格越密，准确度更高。

因此就需要验证网格密度对计算结果的影响程度。

根据相关实验得出网格密度对检测结果并无影响，因此结果准确性可以得到保证。

1.结构优化
结构优化主要是优化锂离子电池散热部分的部件的体积和形状，从而让其起到更好的工作效果还能够尽量减少其重量和体积。

在锂离子电池的散热结构中，外加了热管和均热片两种结构，由于热管的尺寸有一定的标准不能轻易更改，因此主要优化均热片结构的尺寸，保证其散热能力的时候减少其重量。

首先要确定目标函数，然后根据目标函数来将多个目标进行优化。

因此采用的方法为多目标优化法，通过将多个目标函数的指标进行权衡，从而根据设计要求得到一个最佳方案。

由于锂离子电池的复杂性，强非线性等特性没有办法使用实际模型来进行优化，因此就可以采用代理模型来分析，从而提高优化结果的准确性。

从代理模型方法研究得出，若想让无人机的散热能力增强，就需要将其结构进行合理的优化。

将结构紧凑和发热严重的无人机的机身散热能力进行有效地提高。

可以分别
从机身、热管、散热片三个主要结构入手来制定更为全面的散热方案[2]。

根据模型模拟的实验数据可以得出，采用热管和均热片搭配的散热方案可以将无人机内电池的热量传导到无人机机身，从而让电池的温度不会太高，让其一直处于更为合理的温度范围内。

而且通过对无人机散热结构的优化，还能够进一步提高锂离子电池散热的能力。

结论：综上所述，若想要无人机的使用性能更好，就需要加强对其锂离子散热的能力。

通过建设电池散热模型的方式来研究无人机电池产生热量和散发热量的相关参数。

并且根据参数研究得出可以通过合理的结构设计来使无人机机身的散热能力得到提高，并且通过热管和均热片的组合来达到固定电池温度合理的目的。

参考文献：
[1]张亚锋,李宏伟，赵志坚. 无人机用锂离子电池正极材料
Li_(1.20)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2的Mo~(6+)掺杂改性研究[J]. 无机盐工业，2021,53(11):81-85.
[2]沈华平,竺玉强,杨梓堙. 锂离子电池模组液冷散热设计[J]. 电源技术,2022,46(03):271-275.。