锂动力电池成组规模及结构形式对绝缘性影响

2021-03-16王小康

船电技术 2021年2期

关键词：绝缘性成组电池组

方石，王小康

应用研究

锂动力电池成组规模及结构形式对绝缘性影响

方石，王小康

（1. 海军驻宜昌地区军事代表室，湖北宜昌 443003；2. 中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

本文以UUV用锂动力电池组为对象，研究电池模块串、并联关系对成组绝缘性能的影响，结果表明电池成组规模越大，绝缘性能越差。考察了锂电池组不同部位的物理隔离对成组绝缘性的影响，结果表明对电池模块与模块、电池组与UUV舱体间采取绝缘防护，可有效提升电池成组绝缘性能。

UUV 动力电池绝缘安全

0 引言

无人水下航行器（UUV），已经被用于扫雷、侦察、情报搜集及海洋探测等任务[1]。目前，UUV正在朝着长航程、长时间方向发展。UUV大多采用电动力，电能来自动力电池组，以锂电池为主。为满足长续航力需求，电池成组规模越来越大，安全性不容忽视。

绝缘性能是表征电池组安全性的重要指标。绝缘电阻是衡量电池组绝缘性好坏的重要参数。现行有关锂电池的国家军用标准对电池（包括电池组、电池模块）的绝缘电阻测试方法及合格判据均有明确规定[2]。电池的绝缘防护涉及电芯、模块和系统总成设计等环节[3]。对于大规模成组电池，由于电压较高，结构件多为导电金属材质，在使用过程中，可能出现电池绝缘失效、电池组与箱体绝缘失效等情况，局部绝缘性差可能直接影响整体绝缘性，这也是导致电池组绝缘性能偏低的重要原因。

本文以某UUV用全金属外壳锂原电池组为对象，研究电池模块串、并联关系对成组绝缘性能的影响。设计了一系列对比试验，考察了电池组不同部位的物理隔离对成组绝缘性能的影响。为UUV用锂电池组绝缘防护设计提供参考。

1 试验样品

试验用锂电池组采用模块化设计，共由52个电气结构完全相同的电池模块组成，电池模块标称电压为14.5 V。锂电池组结构和成组方式如图1所示，包含13个电池截面，每个电池截面由左、右各两个电池模块组成，采用26S2P成组方式。电池模块采用铝合金框架和外壳结构，相邻电池模块间物理接触良好。

图1 锂电池组结构和成组方式示意图

2 试验条件及方法

2.1 试验条件

1）测试设备：数字兆欧表。

2）环境条件：温度21℃~27℃，湿度30%RH~ 50%RH。

3）测试方法：将500 V±20 V直流电压加在电池组任一极端与模块外壳之间，测量其绝缘电阻。

2.2 试验方法

1）锂电池成组规模影响分析

以电池模块串、并联数量来表征锂电池成组规模，以此研究成组规模对绝缘性能影响。

(a)模块串联对成组绝缘性能影响

选取13个下电池模块进行试验。用连接电缆将电池模块进行逐一串联连接，并测量绝缘电阻，直至13个电池模块串联完毕。

(b)模块并联对成组绝缘性能影响

将左26个电池模块和右26个电池模块用连接电缆串联连接，分别测量绝缘电阻。然后，将左、右串联模块并联，测量绝缘电阻。

2）锂电池组结构形式影响分析

试验通过用聚氯乙烯（PVC）薄膜对电池模块间接触面和电池组接地面进行隔离，使其相互间不导通，以此研究结构形式对锂电池组绝缘性能影响。

(a)接触面对成组绝缘性能影响

为分析不同接触面对成组绝缘性能的影响程度，试验设计了8种不同对比工况，如图2所示。试验时，锂电池组搁置在水平地面，下电池模块与地面间未采取绝缘处理。

(b)接地面对成组绝缘性能影响

为分析不同接地面对成组绝缘性能的影响程度，试验设计了4种工况，如图3所示。试验中，锂电池组搁置在水平地面，与地面间采取绝缘处理。

图2 接触面对成组绝缘性能影响试验设计工况

3 试验结果与分析

3.1 模块串联对成组绝缘性能影响

模块串联对成组绝缘性能影响试验测试结果如图4所示。

由图可知，随着电池模块串联数量增加，电池组电压值由单模块的14.5 V逐步增加到188.5 V，电池极端对外壳的绝缘阻值呈逐渐降低趋势。由于电池组电压越高，对金属壳体间的感应电荷越多，导致绝缘阻值越小。试验结果表明，电池组电压对成组绝缘性影响很大，电压越高，绝缘性越差。

图4 模块串联对成组绝缘性能影响试验测试结果

3.2 模块并联对成组绝缘性能影响

试验在环境温度27 ℃，相对湿度30%的环境条件下进行。测得左26个电池模块串联后的绝缘阻值为1800 MΩ，右26个电池模块串联后的绝缘阻值为1810 MΩ。将左、右并联后，测得电池并联后的绝缘阻值为1020 MΩ，降低约43%。并联后，虽然电池组的总电压未发生变化，但由于电池体量增大，可容纳的感应电荷增多，并联叠加效应显现，导致成组绝缘性下降。

3.3 接触面对成组绝缘性能影响

接触面对成组绝缘性能影响试验测试结果如图5所示。

图5 接触面对成组绝缘性能影响试验测试结果

由图可知，接触面对成组绝缘性能影响较大，不同的接触面影响程度不同，且上、下模块间存在差异。处于近地端的下模块的绝缘电阻值受接触面的影响小，数值基本稳定在4~8 MΩ，而上模块的绝缘电阻值受接触面影响大，这种差异来源于地面的影响，试验测定下模块与地面间的绝缘阻值约为140 kΩ，处于半绝缘状态。另外，对电池模块进行物理隔离，能提高成组绝缘性能，三个接触面影响程度从大至小依次为：上下接触面 > 串联接触面 > 左右接触面。