谢巧1，张晓霞1，吕士银1，沈宗月2，赵双义1，吕宁萍1
1.上海空间电源研究所，上海 200245；2.上海宇航系统工程研究所，上海 201109
摘 要：锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命等优势，倍受青睐。近些年，在卫星、运载火箭、导弹及战斗机、无人机等多个航天航空、军工领域，锂离子电池组也已经崭露头角。为了满足全寿命周期内循环使用，同时实现简易使用、便捷使用的需求本文针对某型号电池开展了电性能设计、结构设计、热设计。该电池组的设计方案已经过飞行试验验证，其对于锂离子电池在运载型号上使用具有里程碑的意义，为后续锂离子电池在运载领域应用奠定了基础。
关键词：锂离子电池组；电性能设计；结构设计；热设计
中图分类号：（请自行查找） 文献标志码：A DOI：
0 引言
锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命等优势[1] ，倍受青睐。人们对锂离子电池的关注日益增加，即希望其不仅能用于移动便携电子设备，而且也能大规模地应用于电动汽车及储能等领域。近些年，在卫星、运载火箭、导弹及战斗机、无人机等多个航天航空、军工领域，锂离子电池组也已经崭露头角[2]。为了满足全寿命周期内循环使用，同时实现简易使用、便捷使用的需求，本文针对某型号电池开展了电性能设计、结构设计、热设计，该电池组的设计方案已经过飞行试验验证，为后续锂离子电池在运载领域应用奠定了基础。
1 工作原理
锂离子电池是指以Li＋嵌入化合物作为正、负极活性物质的二次电池。正极活性物质一般采用锂金属化合物，如LiCoO2、LiNiO2、 LiMn2O4、LiFePO4以及三元材料等，负极活性物质一般采用碳材料。电解液为溶有LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4和LiN(CF3SO2)2等锂盐的有机溶液。
以层状石墨为负极，LiCoO2为正极的锂离子电池体系来说明锂离子电池的电极反应，该体系的电化学表达式为：
锂离子电池的充放电反应为：
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其中，0≤x≤1，右向反应为充电反应，Li＋从正极材料中脱出，经过电解液嵌入负极材料中；左向反应为放电反应，Li＋从负极材料中脱出，经过电解液嵌入正极材料中。
锂离子电池实际上是Li＋的浓差电池。充电时，Li＋从正极材料中脱嵌，通过电解液迁移到负极，并嵌入到石墨的层状结构中，此时负极处于富锂状态，正极处于贫锂状态；放电时过程相反。锂离子电池的充、放电反应如图1所示。
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2 电池组设计
2.1 电性能设计
电池供电电压：25~29.4V，工作时间为48h，常态电流大小为16A。
2.1.1 电连接设计
锂离子电池组由21个30Ah的单体3并7串组成，单体间通过导流条进行连接，实现串并联，电池组通过不同的电连接器完成与外界信号和功率的传输，锂离子电池组的电连接示意图见图3。
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2.1.2 绝缘设计
锂离子电池组单体与结构件间通过贴聚酰亚胺绝缘膜、航空泡沫塑料板、环氧层压玻璃布板实现绝缘，温度传感器安装时先在安装处粘贴聚酰亚胺膜以保证温度传感器的绝缘可靠。
2.2 结构设计
2.2.1 结构组成
锂离子电池组壳体由底板、盖、左壁板、右壁板、前壁板、后壁板和紧固件等构成，可以实现单体蓄电池之间的紧装配，防止单体蓄电池因内部压力而产生变形，同时四个侧面和顶板、底板使用导热率高的铝合金材料，单体电池底部放置橡胶垫，起到缓冲减振作用。在安装过程中单体电池的底面涂有导热硅胶，确保各单体与安装底板接触良好，同时起到良好的散热作用。在蓄电池组的顶盖上设计有吊装孔，通过专用工装与之对接以实现吊装。
电池单体分三排装入箱内，并通过衬垫板、调节片和导热硅胶进行紧装配与固定。同结构件之间隔有绝缘的聚酰亚胺压敏胶带，以确保单体蓄电池同结构件之间有良好的绝缘性能。在蓄电池组的前壁板上安装有3个电连接器插座，以实现功率输出、信号采样、均衡以及地面测试等功能。
锂离子电池组外形图如图4所示。
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图4 电池组外形图
2.2.2 仿真分析
为验证结构设计的正确性，对锂离子电池组进行了力学仿真分析。仿真工况包括蓄电池组模态、冲击工况、加速度工况、随机工况、正弦工况。
1）模态分析结果
模态分析是动力学分析的基础，因此在分析振动、冲击前必须对设备进行模态分析。模态分析时固定工装底板的下底面，不加任何载荷，对设备进行模态求解，求得两类蓄电池组结构的前10阶固有频率。
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为了避免与航天器上的大型结构的基频耦合，一般要求与航天器连接的独立结构的基频要求大于100Hz，而本次分析的锂离子电池组结构的基频为217.3Hz，大于100Hz，符合设计要求。
2）结构螺钉受力情况分析
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经查材料手册不锈钢螺钉的极限强度为520Mpa，根据实际测试经验所知，如果螺钉所受的最大应力为其极限强度一半时，在该振动工况下螺钉可能会出现松动。如表2所示，该结构连接螺钉的最大应力均小于260Mpa，设计合理可行。
3）导流条受力情况分析
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从正弦振动、随机振动、冲击振动和加速度过载仿真分析结果表3来看，导流条最小安全裕度大于0，因此该箱体式结构设计合理，且该结构已经过了力学适应性考核，并广泛应用在运载火箭电池中，力学环境条件要比上面级的要求严酷，结合几十年来200多发运载火箭的成功飞行，验证了箱式结构设计的可靠性。
2.3 热设计
由于某型号用锂离子电池组需要在低温环境下使用，而锂离子电池在低温环境下工作，其放电电压较低和放电的有效容量也相应减少。因此，需要对电池组进行热设计，既要保证电池组在低温条件下电性能满足技术要求，又要保证在高温条件下不出现安全隐患。
单体电池壳体材料采用轻质、导热的铝合金材料，具有良好的散热性能。单体电池与各个接触面之间涂有导热硅胶，辅助热传导。电池组外壳采用轻质、导热的铝合金材料，电堆在电池组中部，外壳与电堆之间隔有绝缘衬垫板。
a） 热仿真分析
为验证热设计的正确性，锂离子电池组完成了热仿真分析。见图5、图6。
在5℃~35℃的边界条件下，按现有工况工作、电池内部温度极限波动范围是7℃~40℃，可以保障电池组正常工作需要。
1）低温工况
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图5 低温工况下电池温度变化曲线图（定温度边界：5℃）
2）高温工况
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b） 试验验证与分析
采用加速量热仪（ARC）实际测试了电池在绝热环境下以6A全程放电和10A全程充电时的电池实际温升情况。具体试验结果见图7、图8。
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以上数据表明锂离子电池组的热设计方案不仅能满足现阶段工作要求，而且对满足今后在轨充放电使用的要求也能满足。
3 结论
针对短时在轨的技术要求，锂离子电池组进行了电性能设计、结构设计和热设计，研制的电池组满足全寿命周期内循环使用、简易使用、便捷使用要求，该电池组的设计方案已经过飞行试验验证，其对于锂离子电池在运载型号上使用具有里程碑的意义，为后续锂离子电池在运载领域应用奠定了基础。
参考文献
[1] 赵健，杨维芝，赵佳明.锂离子电池的应用开发[J].电池工业，2000(1)：31-36.
[2] 王东,李国欣.锂离子电池技术在航天领域的应用[J].上海航天,2000,17(1):54.