鋰離子動(dòng)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(dòng)力電池裝艇適用性研究

邢劍，任思敏，鄒永鑄，王云鶴

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

通過(guò)對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的技術(shù)特點(diǎn)分析歸納，結(jié)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(wèn)題開(kāi)展分析，利用離線仿真、半實(shí)物仿真的技術(shù)手段進(jìn)行了探討。從系統(tǒng)可靠性的角度考慮，對(duì)潛艇用鋰離子動(dòng)力電池各種組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真建模分析，提出了潛艇總體對(duì)鋰離子動(dòng)力電池模塊的組合特性要求。搭建了半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)，編制模型程序?qū)︿囯x子單體動(dòng)力電池采用與實(shí)際使用環(huán)境一致的恒功率放電模式進(jìn)行縮比測(cè)試，得到了恒功率放電特性曲線，科學(xué)評(píng)判了其能量適配性。同時(shí)從潛艇安全性設(shè)計(jì)的角度考慮，提出了總體對(duì)鋰離子動(dòng)力電池模塊的容量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并對(duì)潛艇用鋰離子動(dòng)力電池組安全措施設(shè)置提出了基本要求。

鋰離子動(dòng)力電池 仿真 半實(shí)物測(cè)試

0 引言

近年來(lái)隨著反潛兵力和技術(shù)的進(jìn)步，潛艇的隱身能力面臨著更為嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。常規(guī)潛艇的動(dòng)力源（鉛酸蓄電池）存在儲(chǔ)能有限、充電效率低、充電時(shí)間長(zhǎng)，維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜，壽命短等缺點(diǎn)，直接影響到潛艇的水下潛航續(xù)航力及其隱身性能。

為了提高潛艇的水下續(xù)航力，增強(qiáng)其隱蔽性及綜合作戰(zhàn)性能，各國(guó)海軍一直關(guān)注高性能蓄電池作為潛艇水下動(dòng)力電源的可行性。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(lǐng)了民用市場(chǎng)。其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從最初的電信通信領(lǐng)域備用電源（移動(dòng)基站、電力開(kāi)關(guān)柜、銀行UPS）滲透到了動(dòng)力電源（電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)工具）、蓄能電源（風(fēng)能、太陽(yáng)能、電力調(diào)峰）、啟動(dòng)電源（汽車、火車、飛機(jī)、艦船）各個(gè)領(lǐng)域。

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

1 鋰離子電池技術(shù)特征的描述

鋰離子動(dòng)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(jù)電池所用電解質(zhì)的狀態(tài)不同，可分為：液體鋰離子電池、聚合物鋰離子電池和全固態(tài)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(dòng)力電池具有較高的電壓平臺(tái)，典型工作電壓在2.5 ～4.2 V的范圍內(nèi)，近似鉻鎳或金屬氫化物/鎳電池的三倍，低自放電率，長(zhǎng)使用壽命，無(wú)記憶效應(yīng)和寬溫度工作范圍。其一般性能參見(jiàn)表1。

從相關(guān)電化學(xué)文獻(xiàn)[2] [4]上對(duì)上述幾種正極材料鋰離子電池進(jìn)行的安全性測(cè)試與描述可知：鈷酸鋰電池?zé)岱€(wěn)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(wěn)定性不易控制，一致性欠佳；鈦酸鋰電池循環(huán)壽命長(zhǎng)、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(guó)外鋰離子電池的主要材料體系。國(guó)外鋰離子電池由于自動(dòng)化生產(chǎn)程度高，且多采用三元材料，電池的一致性非常好。國(guó)內(nèi)高比能的三元材料鋰電池也發(fā)展迅速，在對(duì)空間體積受到限制且對(duì)容量較高需求的場(chǎng)所得到了一定范圍的應(yīng)用。

鋰離子動(dòng)力電池一旦作為潛艇水下動(dòng)力電源上艇使用，將會(huì)大大增強(qiáng)潛艇的水下機(jī)動(dòng)性。具體表現(xiàn)在：

鋰離子動(dòng)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(shí)容量與長(zhǎng)時(shí)容量接近，在大幅度提高水下經(jīng)濟(jì)航速航程的同時(shí)，也提供了更多的能量供潛艇高速航行。

鋰離子動(dòng)力電池具有良好的受電能力，在其整個(gè)充電過(guò)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(huì)降低，并產(chǎn)生析氫，導(dǎo)致充電時(shí)間增加。鋰離子動(dòng)力電池的充電特性意味著在同樣的時(shí)間內(nèi)，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(shí)間，從而使?jié)撏У谋┞堵蚀蟠鬁p少[7-11]。

雖然鋰離子動(dòng)力電池具有以上明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但困擾鋰離子動(dòng)力電池艇用適裝性方面同樣存在諸多問(wèn)題值得研究，具體表現(xiàn)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(diǎn)針對(duì)這幾方面開(kāi)展分析研究。為鋰離子動(dòng)力電池艇用化提供相關(guān)技術(shù)支撐。

2 鋰離子動(dòng)力電池裝艇適用性研究

2.1 組合特性研究

鋰離子動(dòng)力電池作為一種儲(chǔ)能載體，為了滿足應(yīng)用對(duì)象的高儲(chǔ)能要求，需對(duì)最小單體鋰電池進(jìn)行串并聯(lián)組合，最終形成大規(guī)模儲(chǔ)能電池陣列（電池組），這種蓄電池陣列最終是以與目前常規(guī)潛艇電壓等級(jí)匹配的形式加以串并聯(lián)連接而成。

電池模塊或單體電池為達(dá)到系統(tǒng)所需要的規(guī)定電壓，必須采取串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。無(wú)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(zhǎng)串聯(lián)、全并聯(lián)、電池串并聯(lián)等連接結(jié)構(gòu)形式（參見(jiàn)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(xì)考慮斟酌：

長(zhǎng)串聯(lián)：首先通過(guò)單體電池串聯(lián)，達(dá)到系統(tǒng)的電壓等級(jí)后，再通過(guò)支路的并聯(lián)，增加電流容量，最終確保電池組滿足系統(tǒng)對(duì)總功率需求的一種連接形式。

全并聯(lián)連結(jié)：首先通過(guò)單體電池的并聯(lián)，達(dá)到滿足系統(tǒng)的電流容量需求后，再通過(guò)串聯(lián)，達(dá)到系統(tǒng)所需電壓等級(jí)，最終確保電池組滿足系統(tǒng)對(duì)總功率需求的一種連接形式。

串并聯(lián)：是長(zhǎng)串聯(lián)與全并聯(lián)連結(jié)的混合形式，采用頻繁地在電池串聯(lián)中間隔并聯(lián)，最終確保電池組滿足系統(tǒng)對(duì)總功率需求的一種連接形式。

為進(jìn)一步開(kāi)展上述連接方式對(duì)電池組的可靠性研究，在Matlab/simulink建立蓄電池模型，模型參數(shù)以某一單體電池產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)其低阻態(tài)失效（此種失效模式比較常見(jiàn)）進(jìn)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(gè)電池之間采用并聯(lián)連接，負(fù)載采用500A的恒流放電，在某一電池兩端并聯(lián)斷路器，采用外部觸發(fā)器有條件觸發(fā)，引發(fā)某一電池呈現(xiàn)出低阻態(tài)特征，并通過(guò)示波器器模塊觀察兩支路電池工作電流（見(jiàn)圖2）：

采用六只單體電池組合串聯(lián)連結(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行同樣故障情況的仿真分析（見(jiàn)圖3）。

圖3 串聯(lián)結(jié)構(gòu)仿真波形圖

通過(guò)對(duì)全并聯(lián)連結(jié)和長(zhǎng)串聯(lián)兩種極端連接方式的研究可以表明，全并聯(lián)結(jié)構(gòu)中某一只單體電池發(fā)生低阻抗失效后，僅僅是失效的電芯電流和同層并聯(lián)的電芯出現(xiàn)故障電流。而其他支路上電芯的電流處于正常工作狀態(tài)。同理可以推出若同層并聯(lián)支路的路數(shù)越多，則出現(xiàn)低阻抗失效的一電芯將承擔(dān)的故障電流越大。

長(zhǎng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)中某一只單體電池發(fā)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(huì)出現(xiàn)故障電流。失效的電芯串聯(lián)支路中未發(fā)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(shí)排除故障，則會(huì)增加過(guò)充電的危險(xiǎn)。同時(shí)其余支路也會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的放電電流，發(fā)熱嚴(yán)重。因此長(zhǎng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)故障范圍比全并聯(lián)結(jié)構(gòu)要廣，并且各電芯要么出現(xiàn)過(guò)充要么出現(xiàn)過(guò)放的情況。

通過(guò)對(duì)以上兩種極端的連接形式研究分析表明：全并聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)生電芯低阻抗失效后，系統(tǒng)工作的可靠性比長(zhǎng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)要穩(wěn)定。電池組可靠性高。

同時(shí)借鑒現(xiàn)有潛艇鉛酸電池連接方式可知，目前單塊電池內(nèi)采用正負(fù)極群并聯(lián)后，在確保單塊電池具有基本單體電池電壓平臺(tái)，然后再進(jìn)行串聯(lián)成組達(dá)到目前艇用直流電網(wǎng)的電壓等級(jí)。這與全并聯(lián)的鋰電池連接形式實(shí)質(zhì)上是一致的。

因此作為鋰離子動(dòng)力電池模塊，應(yīng)盡量采取單體的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，有利于電池組的穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)上可以了解到每一電芯的工作狀態(tài)，針對(duì)性的作出應(yīng)對(duì)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(shè)計(jì)和放電條件下進(jìn)行的，盡管這些特征值對(duì)電池體系的選擇具有很大的說(shuō)服力，但是在實(shí)際測(cè)試條件下，電池的性能會(huì)有變化，特別實(shí)際使用條件的放電狀態(tài)下更是如此。在作出最后科學(xué)判斷前，獲取電池在特定條件下的性能，確保電池組實(shí)際攜帶能量是鋰離子動(dòng)力電池適用性技術(shù)必須要研究分析的問(wèn)題。

在影響鋰離子動(dòng)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(duì)其性能有著重要的影響，基于這一原因，許多電池測(cè)試機(jī)構(gòu)都建議電池使用者在評(píng)估中采用的放電模式應(yīng)和實(shí)際應(yīng)用保持一致。

在電池的應(yīng)用中，電池的放電模式主要有三種：恒電阻放電模式，設(shè)備負(fù)載的電阻在放電時(shí)保持不變，放電過(guò)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(shí)電流隨電池電壓的降低而增加，保持一個(gè)恒定的輸出功率水平。

在潛艇實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，蓄電池組實(shí)際處于各種不同功率等級(jí)的恒功率放電模式，因此采取恒功率放電模式對(duì)蓄電池組進(jìn)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(guò)推算，將實(shí)際使用負(fù)荷折算到每一單體電池，對(duì)單體電池展開(kāi)了恒功率放電模式的測(cè)試，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線如下（見(jiàn)圖4）。

在仿真平臺(tái)中，編制模型程序，設(shè)定所需要的放電功率參數(shù)，通過(guò)仿真平臺(tái)的數(shù)字模擬接口，將傳感器測(cè)量的電池電壓信號(hào)進(jìn)行采集、濾波，計(jì)算出需要的電流控制信號(hào)，通過(guò)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(shí)體電芯物理直聯(lián)，按照指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯進(jìn)行恒功率放電的測(cè)試。同時(shí)通過(guò)電壓、電流將電池的相關(guān)信息同步采集回仿真器中，進(jìn)行收集、控制。在放電測(cè)試結(jié)束后，還可靈活設(shè)定所需要恒流-恒壓參數(shù)，通過(guò)同樣接口形式，控制電流功率放大裝置輸出可調(diào)的充電電流對(duì)單體電芯進(jìn)行常規(guī)充電。同時(shí)設(shè)置了多個(gè)溫度探頭，測(cè)試單體電池正、負(fù)極極耳，電池本體不同部位的在自然散熱情況下發(fā)熱情況。閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的恒流—恒壓充電和恒功率放電的測(cè)試。

恒功率放電測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5～圖8。

通過(guò)對(duì)某一單體電池開(kāi)展模擬縮比的恒功率放電曲線可知，其供電持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了鉛酸蓄電池的的供電時(shí)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(xù)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(tǒng)能量需求。

同時(shí)通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在額定負(fù)荷恒功率放電工況下，負(fù)極極耳附近的溫度傳感器檢測(cè)到的溫度比單體電池四周、中心的監(jiān)測(cè)到的溫度都要偏高3~4℃，負(fù)極極耳的發(fā)熱最為嚴(yán)重，同時(shí)與測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度（t=20℃）進(jìn)行比對(duì)，負(fù)極極耳的溫升不超過(guò)5℃，這與廠家按照電池0.2C恒流放電測(cè)試的發(fā)熱結(jié)論一致[12-14]。

2.3 容量安全性設(shè)計(jì)

鋰離子動(dòng)力電池安全性一直就是生產(chǎn)和使用者高度關(guān)注的問(wèn)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(zhì)、防鋰晶枝刺穿耐高溫的高品質(zhì)隔膜、添加高沸點(diǎn)阻燃劑等。同時(shí)，在電池的制造工藝上也進(jìn)行了嚴(yán)格控制，從電池正負(fù)極的混料、涂布、輥壓、漿料層層把關(guān)。另外為提高電池在使用過(guò)程中的安全性，采用能量管理系統(tǒng)對(duì)每一電池單體進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，將不安全因素排除。總之從電池的研制、生產(chǎn)、制造、后期使用維護(hù)等方面采取多管齊下的措施來(lái)杜絕不安全事故發(fā)生。但即便如此，鋰離子電池在使用過(guò)程中仍發(fā)生多次安全事故。

3.4 總體安全性設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)電池組時(shí)，希望成組電池中的模塊電池內(nèi)部盡量采取并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，確保模塊內(nèi)部充放電的一致性，同時(shí)在串連成組的鋰離子電池必須采取均衡的充（放）電技術(shù)來(lái)保證電池組模塊間的最大程度的一致性。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的技術(shù)特點(diǎn)分析，采用了仿真建模的技術(shù)手段分析說(shuō)明，提出了總體對(duì)鋰離子動(dòng)力電池模塊的組合特性要求。搭建了半實(shí)物的仿真平臺(tái)，編制模型程序?qū)︿囯x子動(dòng)力電池采用與實(shí)際使用環(huán)境一致放電模式進(jìn)行考核，評(píng)判了鋰離子動(dòng)力電池能量適配性。同時(shí)從安全性設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，提出了總體對(duì)鋰離子動(dòng)力電池模塊的容量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并對(duì)鋰離子動(dòng)力電池組安全措施設(shè)置提出了基本要求。

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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(jí)工程師。研究方向：蓄電池。