深海鋰電池連接方式可靠性研究

黃 偉, 夏能超, 田 閃

應用研究

深海鋰電池連接方式可靠性研究

黃 偉1, 夏能超1, 田 閃2

（1. 中船重工黃岡水中裝備動力有限公司中船重工黃岡水中裝備動力有限公司，湖北黃岡 438000; 2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 432300）

深海鋰電池組是我國深海潛水器主要動力能源之一，深海鋰電池由單體電池與各個控制元件連接而成。為了滿足深海鋰電池組深海11000 m環境中電池精確監管，部分連接處接觸電阻需要小而穩定。因此研究三種不同電池常用電連接方式在高壓力下接觸電阻的變化，得出錫焊連接接在0～110 MPa壓力變化間的接觸電阻在0.13 mΩ～0.15 mΩ，接觸電阻變化小且穩定。

鋰電池 電接觸 接觸電阻 可靠性

0 引言

縱觀國內外深潛器的發展歷史，其采用的動力電池的發展歷程為鉛酸電池到鋅銀電池再到高能量密度的鋰離子電池[1, 2]。深潛器動力鋰電池組分為常壓型和油浸型[3]。國際常采用常壓型布置，將電池系統布置在耐壓罐內，罐內保持１atm的壓力。但常壓型電池殼需承受萬米水壓時將會出現電池殼笨重、內部空間狹小、無法散熱等問題[4]，從而使電池組能量密度非常小。我國載人潛水器多采用油浸型大容量電池，電池固定在充滿絕緣油的金屬箱體內，利用箱體上的皮囊受壓變形來實現電池箱內外壓力平衡。浸油型深海鋰電池組是由大量單體鋰電池串聯或并聯連接組成[5]，電池組在工作時因單體數量多，需要對電池組電池運行狀態監管，包括電壓溫度數據采集和處理、安全預警與控制、剩余電量估算與指示、充放電能量管理與過程控制、信息處理與通訊等控制行為[6-8]，避免發生電池出現事故。這些功能實現需要管理系統（BMS）對電池數據采集實時、快速、精確[7]。管理系統（BMS）由眾多電子元器件連接而成，有著許多不同連接方式。有牢固、方便拆卸、精確傳輸控制電信號[8]。而深海油浸型鋰電池通常布置在深海潛器承壓區，工作時將造成電池組承受的壓力隨深度變化而發生劇烈變化，不同電連接方式接觸電阻易受壓力的影響巨大，影響BMS對電池數據采集實時、快速、精確性能。因此深海電池內部電連接方式需要電接觸穩定。使BMS需要接通時立刻接通并保持穩定的狀態，需要中斷時立即準確執行中斷電信號。因此電連接器的電接觸可靠性研究對深海鋰電池應用有很重要的意義。

1 壓力對電連接的影響

2 試驗設備與方法

2.1 試驗設備及儀表

SHS320/500-160深海壓力模擬器四川航空工業川西機器有限責任公司制造；電阻測試儀，德國札納PP241型電化學工作站。

2.2 試驗方法

本文試驗樣品連接方式分為三種，分別是莫仕對插（Molex90119-0110、Molex43030-0002）連接方式、冷壓端子(OT0.5-3，用M3螺釘與銅排緊固件連接）連接方式、錫焊（0.75 mm2銅線與銅排錫焊，焊點為Φ3 mm圓形）連接方式，三種連接方式示意圖如圖2。

1-電化學工作站，2-深海壓力模擬器，3-受試樣品，4-電流導線，5-電壓測試線

圖2 三種連接方式示意圖

3 實驗結果與分析

3.1 深海壓力下錫焊接觸電阻變化分析

將銅排與0.75 mm2（RV電線）銅線線用錫焊法連接，在全深海壓力下每10 Mpa通過EIS法40 A恒電流，測試焊點兩端的電壓；全海深環境壓力模擬試驗進行10次循環測試，其接觸電阻變化結果如圖3。

圖3 錫焊接觸電阻變化曲線

由圖3可以看出，錫焊連接方式在常壓下接觸電阻非常小，其阻值為0.15 mΩ。這是錫焊時錫液經過了潤濕、擴散、冶金等物理化學過程，使金屬連接接觸面的微觀凹凸面部分結合緊密，增加了微觀接觸面積，從而錫焊連接整體接觸電阻小。在0～110 MPa全海深壓力變化過程中，數據顯示接觸電阻隨著壓力的增大而變小。錫焊連接處受到逐漸增大的外加壓力，使錫與銅、銅與銅接觸面材料產生塑性形變，漸漸壓平接觸面部分微觀凹凸點，增大接觸點面積，破壞錫銅接觸面的膜電阻，使錫焊接觸電阻由0.15 mΩ（0.1 MPa，常壓）降0.13 mΩ（110 MPa）。壓力在110 Mpa，導體材料塑性形變到達極致，形成形變穩定態，因而電接觸面微觀面基本上無變化，接觸電阻無明顯變化。110 MPa降壓至60 MPa時，外壓降低，金屬材料部分形變慢慢恢復，減小微觀接觸面積，使接觸電阻逐漸增大，至60 MPa時導體材料塑性形變恢復速度變慢，接觸電阻達到偽穩定態。對錫焊連接進行10次重復深海壓力模擬試驗，可以看出錫焊連接接觸電阻在0～110 MPa壓力變化中電阻始終穩定在0.15 mΩ至0.13 mΩ。

3.2 深海壓力下冷壓端子連接接觸電阻變化分析

將銅排與冷壓端子用M3螺釘固定連接，在全深海壓力下測試通過40 A恒電流EIS法測定連接兩端的電壓，全海深環境壓力模擬試驗進行10次循環測試，其接觸電阻變化結果如圖4。

圖4 冷壓端子接觸電阻變化曲線

由圖4 可以看出，常壓下接觸電阻較大，達到29 mΩ，其原因為端子與銅排接觸面不平，螺釘緊固使接觸面由里至外受力不均勻所致。冷壓端子連接方式接觸電阻在全海深0～110 Mpa壓力模擬過程中，端子與銅板接觸面受外加壓力影響，使得其接觸面曲率半徑變化較大，接觸電阻由29 mΩ降到4 mΩ。經過重復深海壓力模擬試驗，經過重復加壓導致連接材料塑性形變處微觀縫隙處會浸油形成油膜，接觸電阻比第一次測試稍大。十次模擬試驗，但端子與銅板連接接觸電阻在壓力下的變化基本相同；在壓力高于70 MPa時，接觸電阻都穩定在4 mΩ。

3.3 深海壓力下莫仕對插連接接觸電阻變化分析

將銅線與莫仕對插固定連接后，在全深海壓力下測試通過40 A恒電流EIS法測定連接兩端的電壓，全海深環境壓力模擬試驗進行10次循環測試，其接觸電阻變化結果如圖5。

由圖5可以看出，常壓時，莫仕對插連接方式整體接觸電阻較小，其值為6 mΩ，原因為莫仕對插件表面光滑，連接處接觸面曲率半徑較大，接觸面積大。在0～110 Mpa變化過程中，受壓力影響接觸電阻接觸曲率半徑變化較大，接觸電阻由6 mΩ降到3 mΩ。經過重復10次耐壓后，莫仕對插件有較好彈性，在高壓下，接觸電阻穩定3 mΩ。

圖5 莫仕對插接觸電阻變化曲線

4 結論

錫焊連接、端子連接、莫仕對插連接接觸電阻都受壓力影響，三種連接方式在一定壓力區間內隨著外加壓力增大，而接觸電阻變小。三種連接方式在往復高壓循環中，接觸電阻變化穩定，其中錫焊連接全海深壓高壓環境下接觸電阻最小，在全深海深壓力（0～110 MPa）變化中電阻改變小，穩定，因此錫焊連接適合電子信號敏感、精確電路。

[1] 徐京生, 謝志堅. 鋰離子電池隔膜發展現狀及趨勢分析[J]. 中國石油和化工經濟分析, 2012(2): 50-52.

[2] 朱厚軍, 郎俊山. 水下裝備用鋰離子動力電池研究進展[J]. 船電技術, 2012, 32(S1): 96-99.

[3] 戴國群, 陳性保, 胡晨. 鋰離子電池在深潛器上的應用現狀及發展趨勢[J]. 電源技術, 2015, 39(8): 1768-1772.

[4] Griffiths G, Jamieson J, Mitchell S,etal. Energy storage for longen durance AUVs [C]Advances in Techology for Underwater vehicles. London, UK: The institute of marine engineering, Science and Technology, 2004: 8-16.

[5] 呂航, 劉承志, 尹棟, 等. 深海動力磷酸鐵鋰電池組均衡方案設計優化[J]. 電工技術學報, 2016, 31（19）: 232-238.

[6] 楊勇. 混合動力電動汽車電池管理系統的可靠性分析與設計[D]北方工業大學, 2008.

[7] M. C. C. Wang, Wei Wang, Guangming Xie and Hong Shi, Real-time energy monitoring and management system and its application on bionic robotic fish, Intelligent Control and Automation (WCICA),2014 11th World Congress on, Shenyang, 2014: 3256-3261.

[8] 曹政, 劉向明. 提高電連接器電接觸可靠性初探[J]. 機電元件, 2013, 33(5): 41-44.

[9] 許軍, 李坤. 電接觸的接觸電阻研究[J]. 電工材料, 2011(1): 11-13.

Study on reliability of deep sea lithium battery connection mode

Huang Wei1, Xia Nengchao1, Tian Shan2

(1. Huanggang underwater equipment Power Co., Ltd, CSIC Huanggang 438000, Hubei, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM912

A

1003-4862(2022)04-0028-03

2021-09-21

黃偉(1985-),男。研究方向：動力鋰電池。E-mail: huangwei0904302004@163.com