沈川杰 王舒丹 李克鋒 侯曉升 楊志云 孫佳東

摘 要：隨著運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外越來越多采用鋰離子電池作為運(yùn)載火箭供電的電源。然而鋰離子電池在低溫環(huán)境條件下，其放電性能會(huì)發(fā)生明顯下降，因此運(yùn)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(huán)境條件下供電輸出的可靠性。目前運(yùn)載火箭鋰離子電池組加熱時(shí)長(zhǎng)的預(yù)計(jì)主要基于原有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出的大致估算，具有很大的偏差，在運(yùn)載火箭發(fā)射前不能實(shí)現(xiàn)加熱過程的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。本文針對(duì)某運(yùn)載火箭鋰離子電池組構(gòu)建了加熱模型，通過對(duì)具有加熱設(shè)計(jì)的運(yùn)載火箭鋰離子電池組進(jìn)行了加熱實(shí)驗(yàn)，利用加熱模型對(duì)加熱溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析，獲得了該型號(hào)鋰離子電池組加熱過程參數(shù)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的方法。通過該方法的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭發(fā)射前對(duì)鋰離子電池組加熱時(shí)長(zhǎng)、保溫加熱電流等的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，提高運(yùn)載火箭發(fā)射前的準(zhǔn)備效率。將該方法應(yīng)用于運(yùn)載火箭地面發(fā)射系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)未來運(yùn)載火箭鋰離子電池組智能加熱和加熱剩余時(shí)間等的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，提高運(yùn)載火箭發(fā)射裝備的智能化水平。

關(guān)鍵詞：發(fā)射;鋰離子電池;加熱;預(yù)測(cè)

隨著運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展，未來箭上設(shè)備要求越來越高，高可靠、快速響應(yīng)、輕量化智能化、無人值守、可重復(fù)使用等運(yùn)載火箭技術(shù)是未來的主要發(fā)展方向。傳統(tǒng)運(yùn)載火箭領(lǐng)域以鋅銀電池為代表的電源技術(shù)瓶頸凸顯，存在循環(huán)壽命短、濕擱置壽命短、比能量低等問題。運(yùn)載火箭電器系統(tǒng)一般具有大電流的用電特點(diǎn)，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(yuǎn)高于鋅銀電池。高功率鋰離子電池相對(duì)鋅銀電池具有長(zhǎng)足的進(jìn)步，然而高功率鋰離子電池在低溫環(huán)境下的功率輸出性能下降明顯，必須保證其在較優(yōu)的溫度下才能發(fā)揮其大功率特性，否則嚴(yán)重影響其大功率輸出的供電可靠性。

運(yùn)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(duì)鋰離子電池加熱的研究報(bào)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(duì)鋰離子電池組加熱模型構(gòu)建、加熱時(shí)長(zhǎng)預(yù)測(cè)方法的研究報(bào)道較少。本文將構(gòu)建鋰離子電池組的加熱模型，對(duì)某運(yùn)載型號(hào)鋰離子電池組進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，利用加熱模型對(duì)溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合分析，由此獲取該運(yùn)載火箭鋰離子電池組加熱時(shí)長(zhǎng)、保溫加熱電流等的預(yù)測(cè)方法。

1 鋰離子電池組加熱模型構(gòu)建

2 加熱設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方法

某運(yùn)載火箭用鋰離子電池組內(nèi)部電池堆的總重量為53kg，加熱帶均勻在電池堆左右兩側(cè)，電阻值為13.0Ω，溫度探頭設(shè)計(jì)電池組內(nèi)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(cè)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(jié)構(gòu)如圖1所示。電池組整體放入-10℃低溫箱中進(jìn)行擱置，并保持2h以上。通過外部直流穩(wěn)壓電源對(duì)電池組進(jìn)行加熱，加熱功率為60.5W。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

通過實(shí)驗(yàn)，獲得了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示。

從圖2曲線可以看到，預(yù)測(cè)的加熱曲線與實(shí)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(zhǔn)預(yù)測(cè)了該運(yùn)載火箭鋰離子電池組低溫加熱所需的加熱時(shí)間。同時(shí)，假設(shè)預(yù)測(cè)曲線和實(shí)際曲線發(fā)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(yù)測(cè)

4.1 加熱時(shí)間預(yù)測(cè)

5 結(jié)論和展望

本文建立了運(yùn)載火箭鋰離子電池組的加熱模型，通過對(duì)加熱實(shí)驗(yàn)得到了某運(yùn)載火箭用鋰離子電池組的加熱時(shí)間關(guān)系式t（ΔT，I）=163ln（25.25I2）-163ln（25.25I2-ΔT）以及保溫加熱電流的關(guān)系式I保溫=0.119 25-T環(huán)境，獲得了該型號(hào)運(yùn)載火箭鋰離子電池組加熱時(shí)間和保溫加熱電流的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)曲線。在后續(xù)型號(hào)應(yīng)用中，可用同樣方法建立加熱時(shí)間和保溫加熱電流的關(guān)系式，并借助先進(jìn)的智能地面裝備系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭鋰離子電池組復(fù)雜模式下加熱時(shí)間的精準(zhǔn)預(yù)判和保溫加熱電流的精準(zhǔn)控制，提高運(yùn)載火箭發(fā)射裝備的智能化水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷治國(guó)，張承寧，董玉剛，等.電動(dòng)車用鋰離子電池低溫性能和加熱方法[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39（9）：1399-1403.

[2]沈川杰，李克鋒，史佳超，等.低溫自加熱設(shè)計(jì)提高鋰離子電池組性能的研究[J].科技風(fēng)，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(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（4）：238-241.

作者簡(jiǎn)介：沈川杰（1986—），碩士，高級(jí)工程師，從事運(yùn)載火箭化學(xué)電源設(shè)計(jì)工作。