锂离子电池组加热过程精准预测技术

沈川杰 王舒丹 李克锋 侯晓升 杨志云 孙佳东

摘 要：随着运载火箭技术的发展，国内外越来越多采用锂离子电池作为运载火箭供电的电源。然而锂离子电池在低温环境条件下，其放电性能会发生明显下降，因此运载火箭锂离子电池组一般采用加熱和保温的措施以保证其在低温环境条件下供电输出的可靠性。目前运载火箭锂离子电池组加热时长的预计主要基于原有实验数据做出的大致估算，具有很大的偏差，在运载火箭发射前不能实现加热过程的精准预测。本文针对某运载火箭锂离子电池组构建了加热模型，通过对具有加热设计的运载火箭锂离子电池组进行了加热实验，利用加热模型对加热温升数据进行了拟合分析，获得了该型号锂离子电池组加热过程参数精准预测的方法。通过该方法的应用，可以实现运载火箭发射前对锂离子电池组加热时长、保温加热电流等的精准预测，提高运载火箭发射前的准备效率。将该方法应用于运载火箭地面发射系统，可以实现未来运载火箭锂离子电池组智能加热和加热剩余时间等的实时预测，提高运载火箭发射装备的智能化水平。

关键词：发射;锂离子电池;加热;预测

随着运载火箭技术的发展，未来箭上设备要求越来越高，高可靠、快速响应、轻量化智能化、无人值守、可重复使用等运载火箭技术是未来的主要发展方向。传统运载火箭领域以锌银电池为代表的电源技术瓶颈凸显，存在循环寿命短、湿搁置寿命短、比能量低等问题。运载火箭电器系统一般具有大电流的用电特点，高功率型锂离子电池可以承受15C的大电流放电，甚至30C的大电流放电性能，远高于锌银电池。高功率锂离子电池相对锌银电池具有长足的进步，然而高功率锂离子电池在低温环境下的功率输出性能下降明显，必须保证其在较优的温度下才能发挥其大功率特性，否则严重影响其大功率输出的供电可靠性。

运载火箭用锂离子电池一般采用加热措施以保证其具有较好的功率特性。目前针对锂离子电池加热的研究报告主要集中加热方法[1]、加热效果[2]以及加热故障[3]的研究，而针对锂离子电池组加热模型构建、加热时长预测方法的研究报道较少。本文将构建锂离子电池组的加热模型，对某运载型号锂离子电池组进行加热实验，利用加热模型对温升数据进行曲线拟合分析，由此获取该运载火箭锂离子电池组加热时长、保温加热电流等的预测方法。

1 锂离子电池组加热模型构建

2 加热设计及实验方法

某运载火箭用锂离子电池组内部电池堆的总重量为53kg，加热带均匀在电池堆左右两侧，电阻值为13.0Ω，温度探头设计电池组内部电池堆的前端，并紧贴在电池堆表面上。电池堆、加热带、温度探头整体放入具有保温措施的外壳中，加热接口和温度检测接口通过电连接器引出外部。锂离子电池组保温加热的主要结构如图1所示。电池组整体放入-10℃低温箱中进行搁置，并保持2h以上。通过外部直流稳压电源对电池组进行加热，加热功率为60.5W。

3 实验结果及数据处理

通过实验，获得了实验数据如下表所示。

从图2曲线可以看到，预测的加热曲线与实际加热曲线基本完全重合。由此证明，通过公式Δt=-ln（117.5125-ΔT）+4.63976.1346×10-3，精准预测了该运载火箭锂离子电池组低温加热所需的加热时间。同时，假设预测曲线和实际曲线发生了较大偏离，则可以说明加热过程存在故障。

4 多种模式的加热预测

4.1 加热时间预测

5 结论和展望

本文建立了运载火箭锂离子电池组的加热模型，通过对加热实验得到了某运载火箭用锂离子电池组的加热时间关系式t（ΔT，I）=163ln（25.25I2）-163ln（25.25I2-ΔT）以及保温加热电流的关系式I保温=0.119 25-T环境，获得了该型号运载火箭锂离子电池组加热时间和保温加热电流的精准预测曲线。在后续型号应用中，可用同样方法建立加热时间和保温加热电流的关系式，并借助先进的智能地面装备系统，实现运载火箭锂离子电池组复杂模式下加热时间的精准预判和保温加热电流的精准控制，提高运载火箭发射装备的智能化水平。

参考文献：

[1]雷治国，张承宁，董玉刚，等.电动车用锂离子电池低温性能和加热方法[J].北京工业大学学报，2013，39（9）：1399-1403.

[2]沈川杰，李克锋，史佳超，等.低温自加热设计提高锂离子电池组性能的研究[J].科技风，2018（04）：184.

[3]曹宝华，夏琴香，李尤详，等.锂离子电池加热套管加热工艺及加热故障研究[J].机械设计与制造，2014（4）：238-241.

作者简介：沈川杰（1986—），硕士，高级工程师，从事运载火箭化学电源设计工作。