锂离子动力电池装艇适用性研究

邢剑，任思敏，邹永铸，王云鹤



锂离子动力电池装艇适用性研究

邢剑，任思敏，邹永铸，王云鹤

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

通过对锂离子动力电池的技术特点分析归纳，结合其装艇适用性方面所遇到的组合特性、能量适配性以及成组电池安全性问题开展分析，利用离线仿真、半实物仿真的技术手段进行了探讨。从系统可靠性的角度考虑，对潜艇用锂离子动力电池各种组成结构进行仿真建模分析，提出了潜艇总体对锂离子动力电池模块的组合特性要求。搭建了半实物仿真测试平台，编制模型程序对锂离子单体动力电池采用与实际使用环境一致的恒功率放电模式进行缩比测试，得到了恒功率放电特性曲线，科学评判了其能量适配性。同时从潜艇安全性设计的角度考虑，提出了总体对锂离子动力电池模块的容量设计准则，并对潜艇用锂离子动力电池组安全措施设置提出了基本要求。

锂离子动力电池 仿真 半实物测试

0 引言

近年来随着反潜兵力和技术的进步，潜艇的隐身能力面临着更为严重的挑战。常规潜艇的动力源（铅酸蓄电池）存在储能有限、充电效率低、充电时间长，维护保养复杂，寿命短等缺点，直接影响到潜艇的水下潜航续航力及其隐身性能。

为了提高潜艇的水下续航力，增强其隐蔽性及综合作战性能，各国海军一直关注高性能蓄电池作为潜艇水下动力电源的可行性。

随着科学技术的发展，锂离子电池凭借其很高的比能量和快速的充电性能很快占领了民用市场。其应用领域已经从最初的电信通信领域备用电源（移动基站、电力开关柜、银行UPS）渗透到了动力电源（电动汽车、电动自行车、电动工具）、蓄能电源（风能、太阳能、电力调峰）、启动电源（汽车、火车、飞机、舰船）各个领域。

锂离子动力电池在民用市场的大量应用和技术进步也引起了军方的注意，锂离子动力电池已在单兵电源和水下小型无人潜器（UUV）上得到了有益的尝试。同时为潜艇用动力电池研制打下了良好的基础。锂离子电池潜用化可以大大提高常规潜艇的作战性能[1-6]。

1 锂离子电池技术特征的描述

锂离子动力电池种类繁多，按照正极材料划分，可分为：磷酸铁锂、锰酸锂、三元素（NCM、NCA）、钛酸锂系列。根据电池所用电解质的状态不同，可分为：液体锂离子电池、聚合物锂离子电池和全固态锂离子电池。从外形分类，一般可分为：圆柱形、扣式和方形三种。从壳体材料分：钢壳、铝壳、塑壳、铝塑膜软包装。

锂离子动力电池具有较高的电压平台，典型工作电压在2.5 ～4.2 V的范围内，近似铬镍或金属氢化物/镍电池的三倍，低自放电率，长使用寿命，无记忆效应和宽温度工作范围。其一般性能参见表1。

从相关电化学文献[2] [4]上对上述几种正极材料锂离子电池进行的安全性测试与描述可知：钴酸锂电池热稳定性最差，自放热速率最高，最容易热失控，其次是NCA三元材料、NCM三元材料、LMO、LFP。磷酸铁锂电池安全性好，但比能量较低；且材料批次稳定性不易控制，一致性欠佳；钛酸锂电池循环寿命长、倍率性能及安全性好，但比能量较低。三元材料锂离子电池比能量高，但安全性稍差，三元材料的NMC是目前国外锂离子电池的主要材料体系。国外锂离子电池由于自动化生产程度高，且多采用三元材料，电池的一致性非常好。国内高比能的三元材料锂电池也发展迅速，在对空间体积受到限制且对容量较高需求的场所得到了一定范围的应用。

锂离子动力电池一旦作为潜艇水下动力电源上艇使用，将会大大增强潜艇的水下机动性。具体表现在：

锂离子动力电池的高比能特征使有限的潜艇空间可以携带更多的能量，并且其短时容量与长时容量接近，在大幅度提高水下经济航速航程的同时，也提供了更多的能量供潜艇高速航行。

锂离子动力电池具有良好的受电能力，在其整个充电过程中，具有很高的充电效率，不像铅酸蓄电池，随着充入能量增加，充电效率会降低，并产生析氢，导致充电时间增加。锂离子动力电池的充电特性意味着在同样的时间内，它可以充入更多的电量，或需充入能量一定的情况下，具有更短的充电时间，从而使潜艇的暴露率大大减少[7-11]。

虽然锂离子动力电池具有以上明显的技术优势，但困扰锂离子动力电池艇用适装性方面同样存在诸多问题值得研究，具体表现在电池模块连接的组合特性、能量匹配性方面和总体安全性方面，下面将重点针对这几方面开展分析研究。为锂离子动力电池艇用化提供相关技术支撑。

2 锂离子动力电池装艇适用性研究

2.1 组合特性研究

锂离子动力电池作为一种储能载体，为了满足应用对象的高储能要求，需对最小单体锂电池进行串并联组合，最终形成大规模储能电池阵列（电池组），这种蓄电池阵列最终是以与目前常规潜艇电压等级匹配的形式加以串并联连接而成。

电池模块或单体电池为达到系统所需要的规定电压，必须采取串联的结构形式。无论是采用小容量单体电池或大容量单体组成模块电池，都不可避免的需要采取长串联、全并联、电池串并联等连接结构形式（参见图1）。

不同的连接形式可靠性不同，因此在总体连接形式必须加以仔细考虑斟酌：

长串联：首先通过单体电池串联，达到系统的电压等级后，再通过支路的并联，增加电流容量，最终确保电池组满足系统对总功率需求的一种连接形式。

全并联连结：首先通过单体电池的并联，达到满足系统的电流容量需求后，再通过串联，达到系统所需电压等级，最终确保电池组满足系统对总功率需求的一种连接形式。

串并联：是长串联与全并联连结的混合形式，采用频繁地在电池串联中间隔并联，最终确保电池组满足系统对总功率需求的一种连接形式。

为进一步开展上述连接方式对电池组的可靠性研究，在Matlab/simulink建立蓄电池模型，模型参数以某一单体电池产品参数进行设置，对其低阻态失效（此种失效模式比较常见）进行仿真分析。

采用六只单体电池组合成两条支路，每条支路各个电池之间采用并联连接，负载采用500A的恒流放电，在某一电池两端并联断路器，采用外部触发器有条件触发，引发某一电池呈现出低阻态特征，并通过示波器器模块观察两支路电池工作电流（见图2）：

采用六只单体电池组合串联连结结构，并对其进行同样故障情况的仿真分析（见图3）。

图3 串联结构仿真波形图

通过对全并联连结和长串联两种极端连接方式的研究可以表明，全并联结构中某一只单体电池发生低阻抗失效后，仅仅是失效的电芯电流和同层并联的电芯出现故障电流。而其他支路上电芯的电流处于正常工作状态。同理可以推出若同层并联支路的路数越多，则出现低阻抗失效的一电芯将承担的故障电流越大。

长串联结构中某一只单体电池发生低阻抗失效后，失效的电芯以及其他所有支路的电芯都会出现故障电流。失效的电芯串联支路中未发生失效的电芯将承受反向的充电电流，一旦失效电芯未及时排除故障，则会增加过充电的危险。同时其余支路也会出现过大的放电电流，发热严重。因此长串联结构故障范围比全并联结构要广，并且各电芯要么出现过充要么出现过放的情况。

通过对以上两种极端的连接形式研究分析表明：全并联结构发生电芯低阻抗失效后，系统工作的可靠性比长串联结构要稳定。电池组可靠性高。

同时借鉴现有潜艇铅酸电池连接方式可知，目前单块电池内采用正负极群并联后，在确保单块电池具有基本单体电池电压平台，然后再进行串联成组达到目前艇用直流电网的电压等级。这与全并联的锂电池连接形式实质上是一致的。

因此作为锂离子动力电池模块，应尽量采取单体的并联结构，有利于电池组的稳定可靠，系统上可以了解到每一电芯的工作状态，针对性的作出应对方案

2.2 能量适配性研究

许多电池的理论比能值都是在最佳设计和放电条件下进行的，尽管这些特征值对电池体系的选择具有很大的说服力，但是在实际测试条件下，电池的性能会有变化，特别实际使用条件的放电状态下更是如此。在作出最后科学判断前，获取电池在特定条件下的性能，确保电池组实际携带能量是锂离子动力电池适用性技术必须要研究分析的问题。

在影响锂离子动力电池性能的诸多因素（温度、放电模式、放电制等）中，电池的放电模式对其性能有着重要的影响，基于这一原因，许多电池测试机构都建议电池使用者在评估中采用的放电模式应和实际应用保持一致。

在电池的应用中，电池的放电模式主要有三种：恒电阻放电模式，设备负载的电阻在放电时保持不变，放电过程中，电流的降低和电压的降低成正比；恒电流放电模式，放电期间电流保持不变；恒功率放电模式，放电时电流随电池电压的降低而增加，保持一个恒定的输出功率水平。

在潜艇实际应用环境下，蓄电池组实际处于各种不同功率等级的恒功率放电模式，因此采取恒功率放电模式对蓄电池组进行能量的适用性分析更为合适。

在满足总体能量需求的前提下，通过推算，将实际使用负荷折算到每一单体电池，对单体电池展开了恒功率放电模式的测试，其实现技术路线如下（见图4）。

在仿真平台中，编制模型程序，设定所需要的放电功率参数，通过仿真平台的数字模拟接口，将传感器测量的电池电压信号进行采集、滤波，计算出需要的电流控制信号，通过模拟控制模块，将其输出给电流功率吸收装置作为其控制输入，电流功率吸收装置与实体电芯物理直联，按照指令，实现对电芯进行恒功率放电的测试。同时通过电压、电流将电池的相关信息同步采集回仿真器中，进行收集、控制。在放电测试结束后，还可灵活设定所需要恒流-恒压参数，通过同样接口形式，控制电流功率放大装置输出可调的充电电流对单体电芯进行常规充电。同时设置了多个温度探头，测试单体电池正、负极极耳，电池本体不同部位的在自然散热情况下发热情况。闭环控制实现对蓄电池的恒流—恒压充电和恒功率放电的测试。

恒功率放电测试结果见图5～图8。

通过对某一单体电池开展模拟缩比的恒功率放电曲线可知，其供电持续时间远远超过了铅酸蓄电池的的供电时间，并在能量的配置上具有较大余量，可以大幅度提高潜艇水下续航力。单体电池的能量裕度越高，可以更加有效地保证模块成组后的系统能量需求。

同时通过对温度场的检测，发现在额定负荷恒功率放电工况下，负极极耳附近的温度传感器检测到的温度比单体电池四周、中心的监测到的温度都要偏高3~4℃，负极极耳的发热最为严重，同时与测试时的环境温度（t=20℃）进行比对，负极极耳的温升不超过5℃，这与厂家按照电池0.2C恒流放电测试的发热结论一致[12-14]。

2.3 容量安全性设计

锂离子动力电池安全性一直就是生产和使用者高度关注的问题。如采用具有较高的热分解温度正极材料磷酸亚铁锂；耐高温的胶状电解质、防锂晶枝刺穿耐高温的高品质隔膜、添加高沸点阻燃剂等。同时，在电池的制造工艺上也进行了严格控制，从电池正负极的混料、涂布、辊压、浆料层层把关。另外为提高电池在使用过程中的安全性，采用能量管理系统对每一电池单体进行监测控制，将不安全因素排除。总之从电池的研制、生产、制造、后期使用维护等方面采取多管齐下的措施来杜绝不安全事故发生。但即便如此，锂离子电池在使用过程中仍发生多次安全事故。

3.4 总体安全性设计

总体设计电池组时，希望成组电池中的模块电池内部尽量采取并联的结构形式，确保模块内部充放电的一致性，同时在串连成组的锂离子电池必须采取均衡的充（放）电技术来保证电池组模块间的最大程度的一致性。

3 结论

本文通过对锂离子动力电池的技术特点分析，采用了仿真建模的技术手段分析说明，提出了总体对锂离子动力电池模块的组合特性要求。搭建了半实物的仿真平台，编制模型程序对锂离子动力电池采用与实际使用环境一致放电模式进行考核，评判了锂离子动力电池能量适配性。同时从安全性设计的角度出发，提出了总体对锂离子动力电池模块的容量设计准则，并对锂离子动力电池组安全措施设置提出了基本要求。

[1] 马运义，许建. 现代潜艇设计原理与技术［M］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2012.

[2] 陈军，陶占良，苟兴龙．化学电源——原理、技术与应用[M]．北京：化学工业出版社，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] 张剑波，连芳，高学平，李建刚，范丽珍，何向明．锂离子电池及材料发展前瞻一第16届国际锂电会议评述.中国科学：化学[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

邢剑（1974-），男，高级工程师。研究方向：蓄电池。