運(yùn)載火箭鋰離子電池高可靠性串聯(lián)技術(shù)的研究

楊志云 盛良妹 沈川杰 張懋慧 孫鵬

摘要：相對于運(yùn)載火箭用鋅銀蓄電池，鋰離子電池在比能量、比功率、循環(huán)性能等方面存在明顯的優(yōu)勢，其具有15C甚至30C的大電流放電能力。然而運(yùn)載火箭鋰離子電池瞬時(shí)功率較大，電路連接的可靠性直接決定飛行任務(wù)的成敗，功率回路是電池組對外供電的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，功率回路單體之間互聯(lián)采用了螺母連接的方式，電池組在振動(dòng)過程中，若發(fā)生功率回路故障的情況，其放電電壓會(huì)明顯偏低，甚至不能滿足功率輸出電壓的要求，從而導(dǎo)致用電設(shè)備不能正常工作，甚至造成飛行任務(wù)失敗。本研究采取雙螺母固定技術(shù)、多層柔性“Ω”形跨接技術(shù)、中空彈性隔墊技術(shù)、復(fù)合支撐層技術(shù)等，用于解決運(yùn)載火箭鋰離子電池功率回路供電的可靠性。通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明本研究采取的措施可以有效提升運(yùn)載火箭鋰離子電池功率串聯(lián)回路的可靠性。

關(guān)鍵詞：運(yùn)載火箭 ?鋰離子電池??串聯(lián)技術(shù)??可靠性

電源系統(tǒng)是運(yùn)載火箭的重要組成部分，為運(yùn)載火箭上各單機(jī)產(chǎn)品提供安全可靠的直流電源，并為火工品提供工作電流。電源系統(tǒng)的性能直接決定了運(yùn)載火箭的性能，電源系統(tǒng)的輕質(zhì)化發(fā)展已經(jīng)勢在必行。目前廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭電源系統(tǒng)的箭上電池是鋅銀電池組。鋅銀電池組面臨的主要問題是循環(huán)壽命較短、平臺(tái)電壓低等^[。鋰離子電池在比能量、比功率、循環(huán)性能及荷電保持能力等方面存在明顯的優(yōu)勢，因此鋰離子電池在電動(dòng)汽車、無人機(jī)、衛(wèi)星等領(lǐng)域廣泛使用。目前針對鋰離子電池的可靠性、安全性及壽命等方面的評估較多，Daniel O.Aikhuele研究鋰離子電池部件的可靠性和安全性，提出了一種評價(jià)鋰離子電池部件可靠性和安全性的評估模型。Xiaoqiong和PangXiaoyan Liu等提出了一種容量增量和高斯回歸相結(jié)合的壽命預(yù)測方法，并用真實(shí)的電池驗(yàn)證了該方法的正確性。MengWei和MinYe等為了獲得高精度、可靠的剩余壽命預(yù)測方法，提出了堆疊自編碼和高斯回歸的混合方法，預(yù)測可行度達(dá)到95%。

對于運(yùn)載火箭用電池組而言，鋰離子電池由于單體電池電壓較高而可以節(jié)省串聯(lián)單體電池的數(shù)量，與使用鋅銀電池相比，滿足同樣的工作電壓，串聯(lián)鋰離子單體電池的數(shù)量僅約為鋅銀單體電池?cái)?shù)量的40%;此外，由于鋰離子電池可以承受15C，甚至30C的大電流放電性能，遠(yuǎn)高于鋅銀電池的10C，因此，對于大功率輸出要求的電池，采用鋰離子電池設(shè)計(jì)具有重量輕的特點(diǎn)。

然而，由于運(yùn)載火箭鋰離子電池瞬時(shí)功率較大，目前可以高達(dá)500A，功率回路是電池組對外供電的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電路連接的可靠性直接決定飛行任務(wù)的成敗，功率回路單體之間互聯(lián)采用了螺母連接的方式，電池組在振動(dòng)過程中，若發(fā)生螺母松動(dòng)情況，其放電電壓會(huì)明顯偏低，甚至不能滿足功率輸出電壓的要求，從而導(dǎo)致用電設(shè)備不能正常工作，甚至造成導(dǎo)致飛行任務(wù)失敗，因此，電池的可靠性關(guān)系到整個(gè)發(fā)射任務(wù)的成敗。

鋰離子電池組一般設(shè)計(jì)有均衡回路，而運(yùn)載火箭鋰離子電池組由于其特殊性，一般情況下功率回路由導(dǎo)線、電連接器和跨接片等組成。功率回路是否正常表現(xiàn)出的飛行過程的可靠性能對整個(gè)火箭的控制和測量起決定性的作用。經(jīng)分析，影響功率回路輸出可靠性的主要因素包括單體電池串動(dòng)、跨接片疲勞斷裂、螺母松動(dòng)掉電、導(dǎo)線連接脫落等故障模式。本文為了解決上述問題，開展高可靠功率回路的設(shè)計(jì)和研究。

1?高可靠功率回路組成

運(yùn)載火箭鋰離子電池組組成包括電池堆、電池組總正XP11A、電池組總負(fù)極XP11B、加溫接口XP11D和充電接口XP11T，電連接器全采用J599型高可靠性電連接器，功率回路構(gòu)成原理圖詳見圖1。

2?高可靠功率回路設(shè)計(jì)

2.1?雙螺母和硅膠互聯(lián)制約設(shè)計(jì)

運(yùn)載火箭高功率采用的鋰離子單體電池極柱與跨接片連接，由于連接處需要保持良好的導(dǎo)電性，防松膠一般不具有較好的導(dǎo)電性，因此不宜采用防松膠等進(jìn)行防松。因此采取雙螺母防松的方法比較適合運(yùn)載火箭鋰離子電池功率回路的連接固定，具體詳見圖2。雙螺母固定完成后，采用硅橡膠在頂部大量涂覆，將螺母和極柱、跨接片等結(jié)構(gòu)構(gòu)成相互約束，可以避免振動(dòng)過程在瞬態(tài)分離過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而進(jìn)一步加強(qiáng)連接的可靠性。

2.2?多層“Ω”形跨接構(gòu)建柔性連接設(shè)計(jì)

針對單體電池串動(dòng)導(dǎo)致功率回路失效的問題，采取多層柔性的“Ω”形跨接片（如圖3所示）提高跨接片的可折彎次數(shù)和抗折彎能力，可解決單體電池的錯(cuò)位串動(dòng)導(dǎo)致跨接片斷裂造成跨接片供電失效。

2.3?中空彈性隔墊彌補(bǔ)接觸不充分的設(shè)計(jì)

沈川杰、許萍等采用中空橡膠彈性橡膠墊結(jié)構(gòu)提高鋰離子電池組的抗振動(dòng)能力。通過定量分析確定中空隔墊的結(jié)構(gòu)尺寸，抽取一個(gè)單體電池，對其表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體為寬度方向從左到右基本等分為6段，從下到上基本等分為11段，具體如圖4所示。針對每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)測量厚度，測量結(jié)果如表1所示。建立厚度分布圖，具體如圖5所示。

因此，采用彈性較好的中空硅橡膠隔墊，硅橡膠隔墊的中空結(jié)構(gòu)提供鋰離子電池單體中部弧形的空間，讓單體電池接觸面的四周受力，避免僅中心接觸而發(fā)生串動(dòng)情況。同時(shí)，硅橡膠墊能提供較大的摩擦力，可以有效阻止方形鋰離子電池的串動(dòng)作用。中空橡膠墊安裝效果如圖6所示。

2.4復(fù)合支撐層安全走線和防短路設(shè)計(jì)

針對跨接疲勞問題，在運(yùn)載火箭電池組內(nèi)部設(shè)計(jì)了一種采用支撐泡沫、緩沖板、剛度板、整平板依次粘接形成的一種復(fù)合層，具體如圖7所示。整個(gè)復(fù)合層安裝于單體電池上方，其總厚度高于單體電池極柱的高度，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部單體電池的可靠固定。由于該結(jié)構(gòu)采取了低密度的支持泡沫，大大減少了支撐層的重量。此外，在支撐泡沫上設(shè)置有走線槽、跨接片安裝槽等（如圖8所示），便于壓接端子的安裝，使壓接端子及走線更加合理可行，該支撐層可有效避免不規(guī)范走線及跨接片安裝錯(cuò)誤等潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.5?電池組內(nèi)部整體效果圖

本研究通過對設(shè)計(jì)的分析，總結(jié)了多種高可靠性功率回路的措施，即采取多層柔性的“Ω”形跨接片連接、中空彈性硅橡膠隔離墊、復(fù)合支撐層、雙螺母固定等技術(shù)，預(yù)計(jì)可以有效解決運(yùn)載火箭鋰離子電池高可靠性功率回路異物短路的問題。圖9為本文設(shè)計(jì)的運(yùn)載火箭鋰離子電池組內(nèi)部整體效果圖。

3?振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

鋰離子電池組進(jìn)行了鑒定級振動(dòng)試驗(yàn)，包括低頻正弦振動(dòng)及高頻隨機(jī)振動(dòng)。振動(dòng)試驗(yàn)方向?yàn)檩S向、徑向和切向，每個(gè)方向在做完低頻掃描振動(dòng)之后緊接著進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)過程中以10A恒流放電至振動(dòng)結(jié)束，3個(gè)方向均進(jìn)行放電。

鋰離子電池組3個(gè)方向的放電曲線如圖10、圖11所示，電池組放電過程電池電壓無中斷情況，試驗(yàn)結(jié)果均滿足指標(biāo)要求。

4 結(jié)語

本研究采取雙螺母技術(shù)、多層柔性“Ω”形跨接技術(shù)、中空彈性隔墊技術(shù)、復(fù)合支撐層等設(shè)計(jì)技術(shù)用于提高運(yùn)載火箭鋰離子電池功率回路的可靠性。通過實(shí)際振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明本研究采取的措施可以有效滿足運(yùn)載火箭鋰離子電池功率串聯(lián)回路的高可靠性。

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中圖分類號：TM912.9DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2203-5640-5165作者簡介：楊志云（1973—），女，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭領(lǐng)域鋰離子電池設(shè)計(jì)。