鋰離子動力電池裝艇適用性研究

邢劍，任思敏，鄒永鑄，王云鶴

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鋰離子動力電池裝艇適用性研究

邢劍，任思敏，鄒永鑄，王云鶴

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

通過對鋰離子動力電池的技術特點分析歸納，結合其裝艇適用性方面所遇到的組合特性、能量適配性以及成組電池安全性問題開展分析，利用離線仿真、半實物仿真的技術手段進行了探討。從系統可靠性的角度考慮，對潛艇用鋰離子動力電池各種組成結構進行仿真建模分析，提出了潛艇總體對鋰離子動力電池模塊的組合特性要求。搭建了半實物仿真測試平臺，編制模型程序對鋰離子單體動力電池采用與實際使用環境一致的恒功率放電模式進行縮比測試，得到了恒功率放電特性曲線，科學評判了其能量適配性。同時從潛艇安全性設計的角度考慮，提出了總體對鋰離子動力電池模塊的容量設計準則，并對潛艇用鋰離子動力電池組安全措施設置提出了基本要求。

鋰離子動力電池 仿真 半實物測試

0 引言

近年來隨著反潛兵力和技術的進步，潛艇的隱身能力面臨著更為嚴重的挑戰。常規潛艇的動力源（鉛酸蓄電池）存在儲能有限、充電效率低、充電時間長，維護保養復雜，壽命短等缺點，直接影響到潛艇的水下潛航續航力及其隱身性能。

為了提高潛艇的水下續航力，增強其隱蔽性及綜合作戰性能，各國海軍一直關注高性能蓄電池作為潛艇水下動力電源的可行性。

隨著科學技術的發展，鋰離子電池憑借其很高的比能量和快速的充電性能很快占領了民用市場。其應用領域已經從最初的電信通信領域備用電源（移動基站、電力開關柜、銀行UPS）滲透到了動力電源（電動汽車、電動自行車、電動工具）、蓄能電源（風能、太陽能、電力調峰）、啟動電源（汽車、火車、飛機、艦船）各個領域。

鋰離子動力電池在民用市場的大量應用和技術進步也引起了軍方的注意，鋰離子動力電池已在單兵電源和水下小型無人潛器（UUV）上得到了有益的嘗試。同時為潛艇用動力電池研制打下了良好的基礎。鋰離子電池潛用化可以大大提高常規潛艇的作戰性能[1-6]。

1 鋰離子電池技術特征的描述

鋰離子動力電池種類繁多，按照正極材料劃分，可分為：磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元素（NCM、NCA）、鈦酸鋰系列。根據電池所用電解質的狀態不同，可分為：液體鋰離子電池、聚合物鋰離子電池和全固態鋰離子電池。從外形分類，一般可分為：圓柱形、扣式和方形三種。從殼體材料分：鋼殼、鋁殼、塑殼、鋁塑膜軟包裝。

鋰離子動力電池具有較高的電壓平臺，典型工作電壓在2.5 ～4.2 V的范圍內，近似鉻鎳或金屬氫化物/鎳電池的三倍，低自放電率，長使用壽命，無記憶效應和寬溫度工作范圍。其一般性能參見表1。

從相關電化學文獻[2] [4]上對上述幾種正極材料鋰離子電池進行的安全性測試與描述可知：鈷酸鋰電池熱穩定性最差，自放熱速率最高，最容易熱失控，其次是NCA三元材料、NCM三元材料、LMO、LFP。磷酸鐵鋰電池安全性好，但比能量較低；且材料批次穩定性不易控制，一致性欠佳；鈦酸鋰電池循環壽命長、倍率性能及安全性好，但比能量較低。三元材料鋰離子電池比能量高，但安全性稍差，三元材料的NMC是目前國外鋰離子電池的主要材料體系。國外鋰離子電池由于自動化生產程度高，且多采用三元材料，電池的一致性非常好。國內高比能的三元材料鋰電池也發展迅速，在對空間體積受到限制且對容量較高需求的場所得到了一定范圍的應用。

鋰離子動力電池一旦作為潛艇水下動力電源上艇使用，將會大大增強潛艇的水下機動性。具體表現在：

鋰離子動力電池的高比能特征使有限的潛艇空間可以攜帶更多的能量，并且其短時容量與長時容量接近，在大幅度提高水下經濟航速航程的同時，也提供了更多的能量供潛艇高速航行。

鋰離子動力電池具有良好的受電能力，在其整個充電過程中，具有很高的充電效率，不像鉛酸蓄電池，隨著充入能量增加，充電效率會降低，并產生析氫，導致充電時間增加。鋰離子動力電池的充電特性意味著在同樣的時間內，它可以充入更多的電量，或需充入能量一定的情況下，具有更短的充電時間，從而使潛艇的暴露率大大減少[7-11]。

雖然鋰離子動力電池具有以上明顯的技術優勢，但困擾鋰離子動力電池艇用適裝性方面同樣存在諸多問題值得研究，具體表現在電池模塊連接的組合特性、能量匹配性方面和總體安全性方面，下面將重點針對這幾方面開展分析研究。為鋰離子動力電池艇用化提供相關技術支撐。

2 鋰離子動力電池裝艇適用性研究

2.1 組合特性研究

鋰離子動力電池作為一種儲能載體，為了滿足應用對象的高儲能要求，需對最小單體鋰電池進行串并聯組合，最終形成大規模儲能電池陣列（電池組），這種蓄電池陣列最終是以與目前常規潛艇電壓等級匹配的形式加以串并聯連接而成。

電池模塊或單體電池為達到系統所需要的規定電壓，必須采取串聯的結構形式。無論是采用小容量單體電池或大容量單體組成模塊電池，都不可避免的需要采取長串聯、全并聯、電池串并聯等連接結構形式（參見圖1）。

不同的連接形式可靠性不同，因此在總體連接形式必須加以仔細考慮斟酌：

長串聯：首先通過單體電池串聯，達到系統的電壓等級后，再通過支路的并聯，增加電流容量，最終確保電池組滿足系統對總功率需求的一種連接形式。

全并聯連結：首先通過單體電池的并聯，達到滿足系統的電流容量需求后，再通過串聯，達到系統所需電壓等級，最終確保電池組滿足系統對總功率需求的一種連接形式。

串并聯：是長串聯與全并聯連結的混合形式，采用頻繁地在電池串聯中間隔并聯，最終確保電池組滿足系統對總功率需求的一種連接形式。

為進一步開展上述連接方式對電池組的可靠性研究，在Matlab/simulink建立蓄電池模型，模型參數以某一單體電池產品參數進行設置，對其低阻態失效（此種失效模式比較常見）進行仿真分析。

采用六只單體電池組合成兩條支路，每條支路各個電池之間采用并聯連接，負載采用500A的恒流放電，在某一電池兩端并聯斷路器，采用外部觸發器有條件觸發，引發某一電池呈現出低阻態特征，并通過示波器器模塊觀察兩支路電池工作電流（見圖2）：

采用六只單體電池組合串聯連結結構，并對其進行同樣故障情況的仿真分析（見圖3）。

圖3 串聯結構仿真波形圖

通過對全并聯連結和長串聯兩種極端連接方式的研究可以表明，全并聯結構中某一只單體電池發生低阻抗失效后，僅僅是失效的電芯電流和同層并聯的電芯出現故障電流。而其他支路上電芯的電流處于正常工作狀態。同理可以推出若同層并聯支路的路數越多，則出現低阻抗失效的一電芯將承擔的故障電流越大。

長串聯結構中某一只單體電池發生低阻抗失效后，失效的電芯以及其他所有支路的電芯都會出現故障電流。失效的電芯串聯支路中未發生失效的電芯將承受反向的充電電流，一旦失效電芯未及時排除故障，則會增加過充電的危險。同時其余支路也會出現過大的放電電流，發熱嚴重。因此長串聯結構故障范圍比全并聯結構要廣，并且各電芯要么出現過充要么出現過放的情況。

通過對以上兩種極端的連接形式研究分析表明：全并聯結構發生電芯低阻抗失效后，系統工作的可靠性比長串聯結構要穩定。電池組可靠性高。

同時借鑒現有潛艇鉛酸電池連接方式可知，目前單塊電池內采用正負極群并聯后，在確保單塊電池具有基本單體電池電壓平臺，然后再進行串聯成組達到目前艇用直流電網的電壓等級。這與全并聯的鋰電池連接形式實質上是一致的。

因此作為鋰離子動力電池模塊，應盡量采取單體的并聯結構，有利于電池組的穩定可靠，系統上可以了解到每一電芯的工作狀態，針對性的作出應對方案

2.2 能量適配性研究

許多電池的理論比能值都是在最佳設計和放電條件下進行的，盡管這些特征值對電池體系的選擇具有很大的說服力，但是在實際測試條件下，電池的性能會有變化，特別實際使用條件的放電狀態下更是如此。在作出最后科學判斷前，獲取電池在特定條件下的性能，確保電池組實際攜帶能量是鋰離子動力電池適用性技術必須要研究分析的問題。

在影響鋰離子動力電池性能的諸多因素（溫度、放電模式、放電制等）中，電池的放電模式對其性能有著重要的影響，基于這一原因，許多電池測試機構都建議電池使用者在評估中采用的放電模式應和實際應用保持一致。

在電池的應用中，電池的放電模式主要有三種：恒電阻放電模式，設備負載的電阻在放電時保持不變，放電過程中，電流的降低和電壓的降低成正比；恒電流放電模式，放電期間電流保持不變；恒功率放電模式，放電時電流隨電池電壓的降低而增加，保持一個恒定的輸出功率水平。

在潛艇實際應用環境下，蓄電池組實際處于各種不同功率等級的恒功率放電模式，因此采取恒功率放電模式對蓄電池組進行能量的適用性分析更為合適。

在滿足總體能量需求的前提下，通過推算，將實際使用負荷折算到每一單體電池，對單體電池展開了恒功率放電模式的測試，其實現技術路線如下（見圖4）。

在仿真平臺中，編制模型程序，設定所需要的放電功率參數，通過仿真平臺的數字模擬接口，將傳感器測量的電池電壓信號進行采集、濾波，計算出需要的電流控制信號，通過模擬控制模塊，將其輸出給電流功率吸收裝置作為其控制輸入，電流功率吸收裝置與實體電芯物理直聯，按照指令，實現對電芯進行恒功率放電的測試。同時通過電壓、電流將電池的相關信息同步采集回仿真器中，進行收集、控制。在放電測試結束后，還可靈活設定所需要恒流-恒壓參數，通過同樣接口形式，控制電流功率放大裝置輸出可調的充電電流對單體電芯進行常規充電。同時設置了多個溫度探頭，測試單體電池正、負極極耳，電池本體不同部位的在自然散熱情況下發熱情況。閉環控制實現對蓄電池的恒流—恒壓充電和恒功率放電的測試。

恒功率放電測試結果見圖5～圖8。

通過對某一單體電池開展模擬縮比的恒功率放電曲線可知，其供電持續時間遠遠超過了鉛酸蓄電池的的供電時間，并在能量的配置上具有較大余量，可以大幅度提高潛艇水下續航力。單體電池的能量裕度越高，可以更加有效地保證模塊成組后的系統能量需求。

同時通過對溫度場的檢測，發現在額定負荷恒功率放電工況下，負極極耳附近的溫度傳感器檢測到的溫度比單體電池四周、中心的監測到的溫度都要偏高3~4℃，負極極耳的發熱最為嚴重，同時與測試時的環境溫度（t=20℃）進行比對，負極極耳的溫升不超過5℃，這與廠家按照電池0.2C恒流放電測試的發熱結論一致[12-14]。

2.3 容量安全性設計

鋰離子動力電池安全性一直就是生產和使用者高度關注的問題。如采用具有較高的熱分解溫度正極材料磷酸亞鐵鋰；耐高溫的膠狀電解質、防鋰晶枝刺穿耐高溫的高品質隔膜、添加高沸點阻燃劑等。同時，在電池的制造工藝上也進行了嚴格控制，從電池正負極的混料、涂布、輥壓、漿料層層把關。另外為提高電池在使用過程中的安全性，采用能量管理系統對每一電池單體進行監測控制，將不安全因素排除。總之從電池的研制、生產、制造、后期使用維護等方面采取多管齊下的措施來杜絕不安全事故發生。但即便如此，鋰離子電池在使用過程中仍發生多次安全事故。

3.4 總體安全性設計

總體設計電池組時，希望成組電池中的模塊電池內部盡量采取并聯的結構形式，確保模塊內部充放電的一致性，同時在串連成組的鋰離子電池必須采取均衡的充（放）電技術來保證電池組模塊間的最大程度的一致性。

3 結論

本文通過對鋰離子動力電池的技術特點分析，采用了仿真建模的技術手段分析說明，提出了總體對鋰離子動力電池模塊的組合特性要求。搭建了半實物的仿真平臺，編制模型程序對鋰離子動力電池采用與實際使用環境一致放電模式進行考核，評判了鋰離子動力電池能量適配性。同時從安全性設計的角度出發，提出了總體對鋰離子動力電池模塊的容量設計準則，并對鋰離子動力電池組安全措施設置提出了基本要求。

[1] 馬運義，許建. 現代潛艇設計原理與技術［M］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2012.

[2] 陳軍，陶占良，茍興龍．化學電源——原理、技術與應用[M]．北京：化學工業出版社，2006：156-68.

[3] Abraham D P，Knuth J L，Dees D W. Performance degradation of high—power lithium—ion cells- electrochemistry of harvested electrodes[J]．Journal of Power Sources，2007，170(2)：465-475.

[4] 張劍波，連芳，高學平，李建剛，范麗珍，何向明．鋰離子電池及材料發展前瞻一第16屆國際鋰電會議評述.中國科學：化學[J]，2012.

[5] Cai Z P，Liang Y，Li W S，et a1．Preparation and performances of LiFePO4 cathode in aqueous solvent with polyacrylic acid as a binder[J]．J．Power Sources，2009, 189：547-55．

Research on the Applicability of Li-ion Batteries to A Submarine

Xing Jian，Ren Simin，Zou Yongzhu，Wang Yunhe

(China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

TM911

A

1003-4862（2014）11-0059-05

2013-03-27

邢劍（1974-），男，高級工程師。研究方向：蓄電池。