深海环境锂离子电池电芯温度分析

某4500m深度等级载人潜水器使用充油锂离子电池作为唯一动力来源，由两组并联的主电池和两组并联的副电池组成，主电池为潜水器提供动力供电，分别为艏主电池和艉主电池，副电池为潜水器提供仪表供电等，分别为左副电池和右副电池，主电池和副电池的电气原理图如图1所示｡

电池组使用的单体电池规格为3.2V/60Ah，每组主电池由两个36串3并电池模块并联而成，额定参数为110V/360Ah，每组副电池为一个8串8并模块，额定参数为24V/480Ah｡为了承受深海的高压，电池组放置在带压力补偿结构的充油电池箱内，电池箱体与海水直接接触｡

相比于地面使用的电池，由于电池组整体都工作在高压强环境，电池组､电池管理系统(BMS)､熔断器､霍尔传感器､接触器等均需要通过压力考核测试，且电池组和BMS均采用双冗佘设计，提高了系统可靠性｡如图2所示，以主电池为例，每一组主电池被放置在一个单独的电池箱内，其36串3并电池模块具体可拆解为四个8串3并模块和一个4串3并模块，模块的基本组成为单体电池｡

实际海试时，潜水器主要经历下潜､作业和上浮等过程，电池组在这些过程中工作方式会一直发生变化，这导致电池总电流､电池荷电状态(SOC)及电芯温度有一定的变化规律，而电芯温度对潜水器的使用有直接影响｡

1 深海环境锂离子电池工作环境

为了分析电芯温度的变化特点，需要了解电池工作时的环境温度，根据下潜数据来看，环境温度即不同深度下的海水温度主要与深度有关，以SQW020潜次为例，4500m深度以内的海水温度与深度关系曲线如图3所示｡

在0~500m，随着深度变大，海水温度急剧降低，从初始温度28℃降低到8℃;在500~1500m，随着深度变大，海水温度仍然呈下降趋势但幅度相比之前要小得多，从8℃降低到2.9℃;1500m深度以外时，海水温度缓慢下降，在2000m深度时，达到最低温度2.5℃;2000m深度以外，海水温度基本保持在2.5℃不变｡

设计阶段，在陆上模拟深海压力低温环境进行了不同的试验，主要包括耐压试验和低温试验，耐压试验是在压力筒中模拟深海高压进行充放电循环测试，包括单体电池､电池模块和电池组，放电电流100A，测试结果显示电池组在模拟压强环境下充放电正常，放电容量均满足额定参数且电芯温度始终没有高于试验环境温度15℃以上，完全满足深海环境下的正常使用;低温试验主要测试电池在低温环境下的放电容量，分别针对单体电池和电池组在1.4℃低温环境下进行16.6和100A放电试验，单体电池低温环境下放电容量为63.532Ah，10次电池组放电测试显示容量均满足额定参数，如表1所示｡总的来说，地面模拟试验只能分别模拟高压强和低温环境，两种试验显示电池组的放电容量符合设计要求，电池组在高压强低温复合环境下的试验需要在深海环境中进行｡

电芯温度还与电池的工作电流有关，以SQW020潜次为例，其艏艉主电池输出电流如图4所示，所有信号均是每0.5s—个采样点｡同样地，电池组功率曲线与工作电流曲线一致，艏主电池和艉主电池电流波形基本保持一致，但存在一定差异，其中每组电池最大放电电流达到75A左右，为0.2C放电，低于陆上试验的电流，此时电芯温度本身温度变化较小，加上电池箱中绝缘油的冷却作用和海水低温环境，电芯温度整体呈逐渐下降特点｡由于陆上试验压力筒中的水为常温，无明显冷却效果，电芯温度呈上升特点，实际工况下电芯温度与陆上常温压力筒试验结果不同｡

2 主电池电芯温度分析

如图5所示，以SQW015潜次艉主电池为例，分析潜水器工作过程中电池温度随深度及电池总电流的变化特点｡单体电芯最高温度总体趋势是随着时间下降，初始温度23r，浮出水面时9℃，电池工作电流平均值较小且伴随短时的较大电流(主要集中在下潜和上浮阶段)，电芯温度在下潜阶段初期海水温度下降过程中基本不变，后期海水温度达到最低值时有极小幅度的下降，而电芯温度在上浮阶段一直在降低，即使海水温度处于上升过程，出现较大电流负载时，其有一段时间的波动;在电池工作电流平均值较大时(主要集中在作业阶段)，由于潜水器各种负载如液压源､海水菜､推进器等均在工作，电芯温度总体呈缓慢下降但伴随剧烈波动的特点｡同时也可以看出，电池组在深海环境工作时不需要采取额外的温控措施｡

图6为艏艉主电池各一个电池模块的单体电芯最高温度曲线，可以看出，两个模块的电芯温度总体都是呈下降趋势，但艉主电池的温度一直略高于艏主电池，这说明在实际工作时，两组并联的主电池组负荷有区别，并不是完全对半分，这导致其总电流不同，即电芯温度也不一样｡

不同潜次下艉主电池电流､电芯温度与海水温度的曲线如图7所示，电池的工作电流对其电芯温度有较大影响，相比于其它潜次，SQW020潜次电池电流在作业阶段即海水温度最低值阶段维持时间较短，远低于其余潜次，这会导致电池散热时间较短，电芯温度降低幅度较小｡而电池电流持续时间相同时，SQW006潜次相对于SQW011和SQW015潜次，电流来回波动更频繁，电池的热量不能较快散掉，电芯温度作业阶段前后温差更小｡

纵向对比不同潜次下艏艉主电池电芯温度的变化特点，如表2所示，不同下潜深度时，由于深度越深需要的下潜和上浮时间越长，大深度潜次下电芯温度在下潜阶段会有比较明显的下降，而小深度潜次下电芯温度在下潜阶段基本保持不变｡由于不同深度的影响，电池组作业时的环境温度有较大差异，此差异影响了电芯温度相对于初值的最终值，即最大下潜深度时海水温度越低，电芯温度终值与初值的差值越大，说明海水温度主要影响电池的工作环境。

3 副电池电芯温度分析

如图8所示，在下潜､作业及上浮阶段，副电池工作电流保持稳定，除上浮阶段电芯温度保持不变外，下潜和作业左副电池电芯温度均随时间逐渐降低，在作业阶段由于电流存在较小幅度的频繁变化，导致电芯温度出现频繁动，但工作电流变化范围较小，初始温度23℃，浮出水面时5℃。

图9为左右副电池的单体电芯最高温度曲线，可以看出，左右副电池电芯温度总体都是呈下降趋势，但右副电池的温度一直高于左副电池，这说明在实际工作时，两组副电池组负荷有明显区别，导致其工作电流不同，即电芯温度也因此不一样｡

不同潜次下左副电池电流､电芯温度与海水温度的曲线如图10所示，与主电池相同，海水温度主要影响电池的工作环境｡电芯温度终值越低，但不同潜次下电芯温度与海水温度的差值基本保持相同，为3~4℃左右｡与主电池不同的是，由于副电池的负载基本相同，下潜､作业和上浮过程中电池电流基本保持不变，不同潜次之间电池工作电流差异较小，因此不同潜次下电流对电芯温度影响基本相同｡

纵向对比左右副电池电芯温度的变化特点，如表3所示｡

4 总结

本文以某锂离子电池在4500m深度以内深海环境的实际应用数据为依据，分析了电池电芯温度与所处深度及电池工作电流的关系｡电芯温度总体随深度的增加而降低，工作深度即海水温度主要影响电芯温度终值与初值的差值｡主电池不同潜次间工作电流存在差异，电芯温度降低的幅度主要与工作电流有关，工作电流持续时间越长，其降低幅度越大，工作电流波动越频繁，其降低幅度越小，副电池不同潜次间由于工作电流基本相同，电芯温度降低的幅度也基本相同｡上述分析对锂离子电池在深海环境下的使用提供了重要技术参考｡