运载火箭锂离子电池高可靠性串联技术的研究

杨志云 盛良妹 沈川杰 张懋慧 孙鹏

摘要：相对于运载火箭用锌银蓄电池，锂离子电池在比能量、比功率、循环性能等方面存在明显的优势，其具有15C甚至30C的大电流放电能力。然而运载火箭锂离子电池瞬时功率较大，电路连接的可靠性直接决定飞行任务的成败，功率回路是电池组对外供电的关键环节，功率回路单体之间互联采用了螺母连接的方式，电池组在振动过程中，若发生功率回路故障的情况，其放电电压会明显偏低，甚至不能满足功率输出电压的要求，从而导致用电设备不能正常工作，甚至造成飞行任务失败。本研究采取双螺母固定技术、多层柔性“Ω”形跨接技术、中空弹性隔垫技术、复合支撑层技术等，用于解决运载火箭锂离子电池功率回路供电的可靠性。通过仿真分析和试验验证，结果表明本研究采取的措施可以有效提升运载火箭锂离子电池功率串联回路的可靠性。

关键词：运载火箭  锂离子电池  串联技术  可靠性

电源系统是运载火箭的重要组成部分，为运载火箭上各单机产品提供安全可靠的直流电源，并为火工品提供工作电流。电源系统的性能直接决定了运载火箭的性能，电源系统的轻质化发展已经势在必行。目前广泛应用于运载火箭电源系统的箭上电池是锌银电池组。锌银电池组面临的主要问题是循环寿命较短、平台电压低等^[。锂离子电池在比能量、比功率、循环性能及荷电保持能力等方面存在明显的优势，因此锂离子电池在电动汽车、无人机、卫星等领域广泛使用。目前针对锂离子电池的可靠性、安全性及寿命等方面的评估较多，Daniel O.Aikhuele研究锂离子电池部件的可靠性和安全性，提出了一种评价锂离子电池部件可靠性和安全性的评估模型。Xiaoqiong和PangXiaoyan Liu等提出了一种容量增量和高斯回归相结合的寿命预测方法，并用真实的电池验证了该方法的正确性。MengWei和MinYe等为了获得高精度、可靠的剩余寿命预测方法，提出了堆叠自编码和高斯回归的混合方法，预测可行度达到95%。

对于运载火箭用电池组而言，锂离子电池由于单体电池电压较高而可以节省串联单体电池的数量，与使用锌银电池相比，满足同样的工作电压，串联锂离子单体电池的数量仅约为锌银单体电池数量的40%;此外，由于锂离子电池可以承受15C，甚至30C的大电流放电性能，远高于锌银电池的10C，因此，对于大功率输出要求的电池，采用锂离子电池设计具有重量轻的特点。

然而，由于运载火箭锂离子电池瞬时功率较大，目前可以高达500A，功率回路是电池组对外供电的关键环节，电路连接的可靠性直接决定飞行任务的成败，功率回路单体之间互联采用了螺母连接的方式，电池组在振动过程中，若发生螺母松动情况，其放电电压会明显偏低，甚至不能满足功率输出电压的要求，从而导致用电设备不能正常工作，甚至造成导致飞行任务失败，因此，电池的可靠性关系到整个发射任务的成败。

锂离子电池组一般设计有均衡回路，而运载火箭锂离子电池组由于其特殊性，一般情况下功率回路由导线、电连接器和跨接片等组成。功率回路是否正常表现出的飞行过程的可靠性能对整个火箭的控制和测量起决定性的作用。經分析，影响功率回路输出可靠性的主要因素包括单体电池串动、跨接片疲劳断裂、螺母松动掉电、导线连接脱落等故障模式。本文为了解决上述问题，开展高可靠功率回路的设计和研究。

1 高可靠功率回路组成

运载火箭锂离子电池组组成包括电池堆、电池组总正XP11A、电池组总负极XP11B、加温接口XP11D和充电接口XP11T，电连接器全采用J599型高可靠性电连接器，功率回路构成原理图详见图1。

2 高可靠功率回路设计

2.1 双螺母和硅胶互联制约设计

运载火箭高功率采用的锂离子单体电池极柱与跨接片连接，由于连接处需要保持良好的导电性，防松胶一般不具有较好的导电性，因此不宜采用防松胶等进行防松。因此采取双螺母防松的方法比较适合运载火箭锂离子电池功率回路的连接固定，具体详见图2。双螺母固定完成后，采用硅橡胶在顶部大量涂覆，将螺母和极柱、跨接片等结构构成相互约束，可以避免振动过程在瞬态分离过程中发生旋转，从而进一步加强连接的可靠性。

2.2 多层“Ω”形跨接构建柔性连接设计

针对单体电池串动导致功率回路失效的问题，采取多层柔性的“Ω”形跨接片（如图3所示）提高跨接片的可折弯次数和抗折弯能力，可解决单体电池的错位串动导致跨接片断裂造成跨接片供电失效。

2.3 中空弹性隔垫弥补接触不充分的设计

沈川杰、许萍等采用中空橡胶弹性橡胶垫结构提高锂离子电池组的抗振动能力。通过定量分析确定中空隔垫的结构尺寸，抽取一个单体电池，对其表面进行网格划分，具体为宽度方向从左到右基本等分为6段，从下到上基本等分为11段，具体如图4所示。针对每个网格点测量厚度，测量结果如表1所示。建立厚度分布图，具体如图5所示。

因此，采用弹性较好的中空硅橡胶隔垫，硅橡胶隔垫的中空结构提供锂离子电池单体中部弧形的空间，让单体电池接触面的四周受力，避免仅中心接触而发生串动情况。同时，硅橡胶垫能提供较大的摩擦力，可以有效阻止方形锂离子电池的串动作用。中空橡胶垫安装效果如图6所示。

2.4复合支撑层安全走线和防短路设计

针对跨接疲劳问题，在运载火箭电池组内部设计了一种采用支撑泡沫、缓冲板、刚度板、整平板依次粘接形成的一种复合层，具体如图7所示。整个复合层安装于单体电池上方，其总厚度高于单体电池极柱的高度，可实现内部单体电池的可靠固定。由于该结构采取了低密度的支持泡沫，大大减少了支撑层的重量。此外，在支撑泡沫上设置有走线槽、跨接片安装槽等（如图8所示），便于压接端子的安装，使压接端子及走线更加合理可行，该支撑层可有效避免不规范走线及跨接片安装错误等潜在风险。

2.5 电池组内部整体效果图

本研究通过对设计的分析，总结了多种高可靠性功率回路的措施，即采取多层柔性的“Ω”形跨接片连接、中空弹性硅橡胶隔离垫、复合支撑层、双螺母固定等技术，预计可以有效解决运载火箭锂离子电池高可靠性功率回路异物短路的问题。图9为本文设计的运载火箭锂离子电池组内部整体效果图。

3 振动试验验证及结果分析

锂离子电池组进行了鉴定级振动试验，包括低频正弦振动及高频随机振动。振动试验方向为轴向、径向和切向，每个方向在做完低频扫描振动之后紧接着进行随机振动试验。振动试验过程中以10A恒流放电至振动结束，3个方向均进行放电。

锂离子电池组3个方向的放电曲线如图10、图11所示，电池组放电过程电池电压无中断情况，试验结果均满足指标要求。

4 结语

本研究采取双螺母技术、多层柔性“Ω”形跨接技术、中空弹性隔垫技术、复合支撑层等设计技术用于提高运载火箭锂离子电池功率回路的可靠性。通过实际振动试验验证，结果表明本研究采取的措施可以有效满足运载火箭锂离子电池功率串联回路的高可靠性。

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中图分类号：TM912.9DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2203-5640-5165作者简介：杨志云（1973—），女，硕士，高级工程师，研究方向为运载火箭领域锂离子电池设计。