鋰動力電池成組規模及結構形式對絕緣性影響

方 石，王小康

應用研究

鋰動力電池成組規模及結構形式對絕緣性影響

方 石，王小康

（1. 海軍駐宜昌地區軍事代表室，湖北宜昌 443003；2. 中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

本文以UUV用鋰動力電池組為對象，研究電池模塊串、并聯關系對成組絕緣性能的影響，結果表明電池成組規模越大，絕緣性能越差。考察了鋰電池組不同部位的物理隔離對成組絕緣性的影響，結果表明對電池模塊與模塊、電池組與UUV艙體間采取絕緣防護，可有效提升電池成組絕緣性能。

UUV 動力電池 絕緣 安全

0 引言

無人水下航行器（UUV），已經被用于掃雷、偵察、情報搜集及海洋探測等任務[1]。目前，UUV正在朝著長航程、長時間方向發展。UUV大多采用電動力，電能來自動力電池組，以鋰電池為主。為滿足長續航力需求，電池成組規模越來越大，安全性不容忽視。

絕緣性能是表征電池組安全性的重要指標。絕緣電阻是衡量電池組絕緣性好壞的重要參數。現行有關鋰電池的國家軍用標準對電池（包括電池組、電池模塊）的絕緣電阻測試方法及合格判據均有明確規定[2]。電池的絕緣防護涉及電芯、模塊和系統總成設計等環節[3]。對于大規模成組電池，由于電壓較高，結構件多為導電金屬材質，在使用過程中，可能出現電池絕緣失效、電池組與箱體絕緣失效等情況，局部絕緣性差可能直接影響整體絕緣性，這也是導致電池組絕緣性能偏低的重要原因。

本文以某UUV用全金屬外殼鋰原電池組為對象，研究電池模塊串、并聯關系對成組絕緣性能的影響。設計了一系列對比試驗，考察了電池組不同部位的物理隔離對成組絕緣性能的影響。為UUV用鋰電池組絕緣防護設計提供參考。

1 試驗樣品

試驗用鋰電池組采用模塊化設計，共由52個電氣結構完全相同的電池模塊組成，電池模塊標稱電壓為14.5 V。鋰電池組結構和成組方式如圖1所示，包含13個電池截面，每個電池截面由左、右各兩個電池模塊組成，采用26S2P成組方式。電池模塊采用鋁合金框架和外殼結構，相鄰電池模塊間物理接觸良好。

圖1 鋰電池組結構和成組方式示意圖

2 試驗條件及方法

2.1 試驗條件

1）測試設備：數字兆歐表。

2）環境條件：溫度21℃~27℃，濕度30%RH~ 50%RH。

3）測試方法：將500 V±20 V直流電壓加在電池組任一極端與模塊外殼之間，測量其絕緣電阻。

2.2 試驗方法

1）鋰電池成組規模影響分析

以電池模塊串、并聯數量來表征鋰電池成組規模，以此研究成組規模對絕緣性能影響。

(a)模塊串聯對成組絕緣性能影響

選取13個下電池模塊進行試驗。用連接電纜將電池模塊進行逐一串聯連接，并測量絕緣電阻，直至13個電池模塊串聯完畢。

(b)模塊并聯對成組絕緣性能影響

將左26個電池模塊和右26個電池模塊用連接電纜串聯連接，分別測量絕緣電阻。然后，將左、右串聯模塊并聯，測量絕緣電阻。

2）鋰電池組結構形式影響分析

試驗通過用聚氯乙烯（PVC）薄膜對電池模塊間接觸面和電池組接地面進行隔離，使其相互間不導通，以此研究結構形式對鋰電池組絕緣性能影響。

(a)接觸面對成組絕緣性能影響

為分析不同接觸面對成組絕緣性能的影響程度，試驗設計了8種不同對比工況，如圖2所示。試驗時，鋰電池組擱置在水平地面，下電池模塊與地面間未采取絕緣處理。

(b)接地面對成組絕緣性能影響

為分析不同接地面對成組絕緣性能的影響程度，試驗設計了4種工況，如圖3所示。試驗中，鋰電池組擱置在水平地面，與地面間采取絕緣處理。

圖2 接觸面對成組絕緣性能影響試驗設計工況

3 試驗結果與分析

3.1 模塊串聯對成組絕緣性能影響

模塊串聯對成組絕緣性能影響試驗測試結果如圖4所示。

由圖可知，隨著電池模塊串聯數量增加，電池組電壓值由單模塊的14.5 V逐步增加到188.5 V，電池極端對外殼的絕緣阻值呈逐漸降低趨勢。由于電池組電壓越高，對金屬殼體間的感應電荷越多，導致絕緣阻值越小。試驗結果表明，電池組電壓對成組絕緣性影響很大，電壓越高，絕緣性越差。

圖4 模塊串聯對成組絕緣性能影響試驗測試結果

3.2 模塊并聯對成組絕緣性能影響

試驗在環境溫度27 ℃，相對濕度30%的環境條件下進行。測得左26個電池模塊串聯后的絕緣阻值為1800 MΩ，右26個電池模塊串聯后的絕緣阻值為1810 MΩ。將左、右并聯后，測得電池并聯后的絕緣阻值為1020 MΩ，降低約43%。并聯后，雖然電池組的總電壓未發生變化，但由于電池體量增大，可容納的感應電荷增多，并聯疊加效應顯現，導致成組絕緣性下降。

3.3 接觸面對成組絕緣性能影響

接觸面對成組絕緣性能影響試驗測試結果如圖5所示。

圖5 接觸面對成組絕緣性能影響試驗測試結果

由圖可知，接觸面對成組絕緣性能影響較大，不同的接觸面影響程度不同，且上、下模塊間存在差異。處于近地端的下模塊的絕緣電阻值受接觸面的影響小，數值基本穩定在4~8 MΩ，而上模塊的絕緣電阻值受接觸面影響大，這種差異來源于地面的影響，試驗測定下模塊與地面間的絕緣阻值約為140 kΩ，處于半絕緣狀態。另外，對電池模塊進行物理隔離，能提高成組絕緣性能，三個接觸面影響程度從大至小依次為：上下接觸面 > 串聯接觸面 > 左右接觸面。

3.4 接地面對成組絕緣性能影響

接地面對成組絕緣性能影響試驗測試結果如圖6所示。

圖6 接地面對成組絕緣性能影響試驗測試結果

由圖可知，將電池組與地面進行隔離后，絕緣性能顯著提升，且電池模塊接觸面隔離越多，絕緣性越好。接地面隔離，導致電池組與地面間的電場被破壞，電荷轉移受阻，上、下模塊極端絕緣阻值均提高、差異變小。

4 結語

本文探討了鋰電池成組規模及結構形式對成組絕緣性能的影響，電池電壓越高、成組規模越大，絕緣性越差。另外，對于采用模塊化設計的UUV用金屬架構鋰電池組，對模塊與模塊、電池與艙體間進行物理隔離，可作為提升鋰電池組絕緣防護的有效措施。

但由于鋰電池組設計受多方面因素限制，如結構強度、散熱等，進行電池組絕緣防護設計時，需考慮實際，不能一概而論。

[1] 李錫群, 王志華. 無人水下航行器(UUV)技術綜述[J]. 船電技術, 2003, 23(6): 12-13.

[2] 孫傳灝, 曹林, 黃小峰. GJB 916B-2011 軍用鋰原電池通用規范[S]. 北京: 總裝備部軍標出版發行部, 2012.

[3] 樊曉松, 王英. 動力電池系統高壓電絕緣設計與測試[J]. 上海汽車, 2014, (8): 26-28.

Influence of Pack Scale and Structure on Insulation Performances of Lithium Power Batteries

Fang Shi, Wang Xiaokang

（Naval Representatives Office of Yichang area, Yichang 443003, Hubei, China；2. 710 Research Institute of CSIC, Yichang 443003, Hubei, China）

TM912

A

1003-4862（2021）02-0035-03

2020-08-24

方石（1984-），男，碩士。研究方向：UUV動力能源技術研究。E-mail: musicboy223@163.com