鋰離子電池組加熱過程精準預測技術

沈川杰 王舒丹 李克鋒 侯曉升 楊志云 孫佳東

摘 要：隨著運載火箭技術的發展，國內外越來越多采用鋰離子電池作為運載火箭供電的電源。然而鋰離子電池在低溫環境條件下，其放電性能會發生明顯下降，因此運載火箭鋰離子電池組一般采用加熱和保溫的措施以保證其在低溫環境條件下供電輸出的可靠性。目前運載火箭鋰離子電池組加熱時長的預計主要基于原有實驗數據做出的大致估算，具有很大的偏差，在運載火箭發射前不能實現加熱過程的精準預測。本文針對某運載火箭鋰離子電池組構建了加熱模型，通過對具有加熱設計的運載火箭鋰離子電池組進行了加熱實驗，利用加熱模型對加熱溫升數據進行了擬合分析，獲得了該型號鋰離子電池組加熱過程參數精準預測的方法。通過該方法的應用，可以實現運載火箭發射前對鋰離子電池組加熱時長、保溫加熱電流等的精準預測，提高運載火箭發射前的準備效率。將該方法應用于運載火箭地面發射系統，可以實現未來運載火箭鋰離子電池組智能加熱和加熱剩余時間等的實時預測，提高運載火箭發射裝備的智能化水平。

關鍵詞：發射;鋰離子電池;加熱;預測

隨著運載火箭技術的發展，未來箭上設備要求越來越高，高可靠、快速響應、輕量化智能化、無人值守、可重復使用等運載火箭技術是未來的主要發展方向。傳統運載火箭領域以鋅銀電池為代表的電源技術瓶頸凸顯，存在循環壽命短、濕擱置壽命短、比能量低等問題。運載火箭電器系統一般具有大電流的用電特點，高功率型鋰離子電池可以承受15C的大電流放電，甚至30C的大電流放電性能，遠高于鋅銀電池。高功率鋰離子電池相對鋅銀電池具有長足的進步，然而高功率鋰離子電池在低溫環境下的功率輸出性能下降明顯，必須保證其在較優的溫度下才能發揮其大功率特性，否則嚴重影響其大功率輸出的供電可靠性。

運載火箭用鋰離子電池一般采用加熱措施以保證其具有較好的功率特性。目前針對鋰離子電池加熱的研究報告主要集中加熱方法[1]、加熱效果[2]以及加熱故障[3]的研究，而針對鋰離子電池組加熱模型構建、加熱時長預測方法的研究報道較少。本文將構建鋰離子電池組的加熱模型，對某運載型號鋰離子電池組進行加熱實驗，利用加熱模型對溫升數據進行曲線擬合分析，由此獲取該運載火箭鋰離子電池組加熱時長、保溫加熱電流等的預測方法。

1 鋰離子電池組加熱模型構建

2 加熱設計及實驗方法

某運載火箭用鋰離子電池組內部電池堆的總重量為53kg，加熱帶均勻在電池堆左右兩側，電阻值為13.0Ω，溫度探頭設計電池組內部電池堆的前端，并緊貼在電池堆表面上。電池堆、加熱帶、溫度探頭整體放入具有保溫措施的外殼中，加熱接口和溫度檢測接口通過電連接器引出外部。鋰離子電池組保溫加熱的主要結構如圖1所示。電池組整體放入-10℃低溫箱中進行擱置，并保持2h以上。通過外部直流穩壓電源對電池組進行加熱，加熱功率為60.5W。

3 實驗結果及數據處理

通過實驗，獲得了實驗數據如下表所示。

從圖2曲線可以看到，預測的加熱曲線與實際加熱曲線基本完全重合。由此證明，通過公式Δt=-ln（117.5125-ΔT）+4.63976.1346×10-3，精準預測了該運載火箭鋰離子電池組低溫加熱所需的加熱時間。同時，假設預測曲線和實際曲線發生了較大偏離，則可以說明加熱過程存在故障。

4 多種模式的加熱預測

4.1 加熱時間預測

5 結論和展望

本文建立了運載火箭鋰離子電池組的加熱模型，通過對加熱實驗得到了某運載火箭用鋰離子電池組的加熱時間關系式t（ΔT，I）=163ln（25.25I2）-163ln（25.25I2-ΔT）以及保溫加熱電流的關系式I保溫=0.119 25-T環境，獲得了該型號運載火箭鋰離子電池組加熱時間和保溫加熱電流的精準預測曲線。在后續型號應用中，可用同樣方法建立加熱時間和保溫加熱電流的關系式，并借助先進的智能地面裝備系統，實現運載火箭鋰離子電池組復雜模式下加熱時間的精準預判和保溫加熱電流的精準控制，提高運載火箭發射裝備的智能化水平。

參考文獻：

[1]雷治國，張承寧，董玉剛，等.電動車用鋰離子電池低溫性能和加熱方法[J].北京工業大學學報，2013，39（9）：1399-1403.

[2]沈川杰，李克鋒，史佳超，等.低溫自加熱設計提高鋰離子電池組性能的研究[J].科技風，2018（04）：184.

[3]曹寶華，夏琴香，李尤詳，等.鋰離子電池加熱套管加熱工藝及加熱故障研究[J].機械設計與制造，2014（4）：238-241.

作者簡介：沈川杰（1986—），碩士，高級工程師，從事運載火箭化學電源設計工作。