極地科考船舶儲能系統(tǒng)熱管理模塊設計

聶偉民，陳自強，周詩堯，黃德?lián)P，車馳東

（上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240）

隨著科學考察的持續(xù)深入，南北極地海洋資源價值被不斷發(fā)現(xiàn)。南極大陸架蘊藏著極為豐富的石油、天然氣、礦產(chǎn)資源，兩極地區(qū)還具有豐富的風能、潮汐能等隱藏能源。因此極地成為了世界各國未來發(fā)展必爭的戰(zhàn)略空間[1]。

極地科考船舶是探索南北極的重要工具，而采用綜合電力推進的科考船相比于傳統(tǒng)柴油機船舶具有節(jié)能減排、降噪減振、艙室有效空間大、動態(tài)響應能力強等優(yōu)點。綜合電力推進系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機組、變壓器、推進電動機、儲能系統(tǒng)等設備組成，儲能系統(tǒng)能有效緩解推進裝置對船舶電網(wǎng)的沖擊[2]。儲能系統(tǒng)選用體積、循環(huán)壽命、能量密度等性能均優(yōu)于其他類型蓄電池的鋰離子電池[3]。極地科考船舶的航行區(qū)域氣候惡劣，由 CCS船級社發(fā)布的極地船舶指南所示，冬季南北極地區(qū)均溫可達-38 ℃[4]。在高寒環(huán)境下，鋰離子電池的功率特性與容量特性均會顯著下降，因此亟需開發(fā)一種適用于高寒環(huán)境下鋰離子電池組熱管理裝置，來有效提高船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性，有助于降低設備維護成本。

目前國內(nèi)外機構對鋰離子電池組熱管理技術的研究主要還是針對散熱方面，即通過風冷、液冷、相變材料等方式來降低鋰離子電池的溫度，而關于高寒環(huán)境下熱管理技術的研究相對較少[5]。Stuart等[6]采用交流電對鉛酸電池、鎳氫電池進行內(nèi)部加熱，該加熱方式時間短、效率高，但交流電可能造成電池內(nèi)部性能變化、減少其使用壽命。張承寧等[7]提出的線金屬膜加熱法是將銅膜貼于鋰離子電池表面后通以電流進行加熱，該方法的加熱效率高，溫度分布更均勻，有助于提升電池的可用容量，但對控制系統(tǒng)的要求較高。Song等[5]采用熱空氣對電池組進行預加熱，加熱后電池性能提升明顯，但結構較為復雜。

文中設計了一種極地科考船儲能系統(tǒng)鋰離子電池組熱管理模塊及其控制策略，并通過實驗驗證，該模塊能夠有效提高鋰離子電池組在高寒環(huán)境下的總放電量。

1 鋰離子電池電氣特性

獲取鋰離子電池在高寒環(huán)境中的熱特性，包括低溫對鋰離子電池容量、歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻以及放電深度等性能的影響是研究與開發(fā)儲能系統(tǒng)熱管理模塊的基礎。文中以國內(nèi)某廠生產(chǎn)的10 Ah軟包（120 mm×65 mm×13 mm）鎳鈷錳酸鋰離子電池來進行鋰離子電池的低溫熱特性測試。其額定電壓為3.7 V，質(zhì)量比能量為182 Wh/kg。

1.1 容量特性

根據(jù)鋰離子電池的放電容量隨溫度以及放電倍率發(fā)生變化的特性，分別測試了鎳鈷錳酸鋰離子電池在-35～25 ℃溫度范圍內(nèi)，以0.5、1、2 C放電倍率放電時能放出的最大容量值。不同環(huán)境溫度下的可用容量數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同環(huán)境溫度與放電倍率下電池可用容量

由表1數(shù)據(jù)可知，在相同的放電倍率下，鎳鈷錳酸鋰離子電池的可用容量隨溫度的降低而不斷減小。在-15 ℃時，電池以1 C倍率的放電量超過0.5 C倍率，可知在低溫環(huán)境下，較大倍率放電時，電池由于其自發(fā)熱效應在一定程度上可以提升其放電性能。在-35 ℃時，鎳鈷錳酸鋰離子電池無法以1 C與2 C倍率進行放電。若溫度繼續(xù)下降，鋰離子電池基本失去放電能力。

1.2 內(nèi)阻特性

根據(jù)鋰離子電池的歐姆內(nèi)阻以及極化內(nèi)阻會隨著溫度變化而改變的特性，將鋰離子電池在-35～25 ℃溫度范圍內(nèi)進行混合脈沖功率特性測試（HPPC）[8]， 并利用放電結果離線辨識電池的歐姆內(nèi)阻 Rs與極化內(nèi)阻 Rp。

表2 不同溫度與SOC下電池的歐姆內(nèi)阻

表3 不同溫度與SOC下電池的極化內(nèi)阻

由表 2、表 3的數(shù)據(jù)可知，在相同的荷電狀態(tài)（State of Charge，簡稱SOC）下電池的歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻隨溫度降低而增大。隨著溫度降低，歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻的增大速率也在不斷增大，其中極化內(nèi)阻的增長趨勢更加明顯。

2 熱管理模塊硬件設計

動力電池的熱管理模塊硬件設計需要根據(jù)高寒壞境下熱管理模塊進行。首先要確保電池溫度信息采集的準確性；其次設計熱管理驅(qū)動電路對鋰離子電池進行熱管理；選擇高效的加熱片加熱電池組以及合適的保溫材料來防止電池箱內(nèi)熱量散失過快；最后還需要安裝換熱器來預防電池箱內(nèi)溫度過高的情況發(fā)生。

2.1 溫度采集電路

溫度采集電路如圖1所示，由正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）、分壓電路、濾波電路、跟隨器組成。熱敏電阻用于監(jiān)測各個測點的溫度。熱敏電阻RT1與電阻 R2分壓后輸出電壓模擬信號，輸入跟隨器 U1A進行阻抗隔離，提高帶負載能力。濾波電路用于提高電路的抗干擾能力。

2.2 熱管理驅(qū)動電路

熱管理驅(qū)動電路如圖2所示，由微控單元（Microcontroller Unit, 簡稱MCU）發(fā)出脈沖寬度調(diào)制波（Pulse Width Modulation，簡稱PWM）到達Q1來控制其通斷。電路中設有負溫度系數(shù)熱敏電阻 RT1，能夠?qū)OSFET管進行過熱保護。D1為泄放二極管，防止 MOSFET管關斷時，負載產(chǎn)生的反激電動勢損壞控制電路。電阻 R2為電流采樣電阻，對電阻反饋的電壓模擬量信號放大處理后，得到實時電流信號。MCU基于電流信號、環(huán)境溫度和電池表面溫度計算熱管理裝置目標電流大小，通過自適應PID算法調(diào)節(jié)PWM波的占空比來控制熱管理模塊電流大小。

2.3 加熱片與保溫材料

該設計擬采用新型石墨烯加熱片對電池組進行加熱，其厚度為0.2 mm，額定功率為1 W/cm2。與傳統(tǒng)的硅膠加熱片（PI膜）相比，具有質(zhì)量輕、厚度小、單位面積加熱功率大等特點。石墨烯加熱片產(chǎn)生的熱量主要以熱輻射形式傳遞給外界，而傳統(tǒng)硅膠加熱片產(chǎn)生的熱量則是依靠熱傳導傳遞給外界。由于加熱器與電池組間存在的空隙會導致電池組溫度分布不均，所以石墨烯加熱片的加熱效率更高、加熱速度更快，產(chǎn)生的溫度場也更加均勻。在加熱片布局上，除了在電池組箱體四周布置加熱片外，還在電池與電池之間夾入石墨烯加熱片，使加熱片能夠緊密包裹電池組。電池箱內(nèi)采用 EVA泡膜作為保溫材料，該泡棉表面的鋁塑膜可將石墨烯加熱片熱輻射的能量反射到電池組的表面，在提高加熱速度的同時也減少了熱量的耗散。加熱片與保溫材料布置如圖3所示。

2.4 散熱模塊

電池以不同的倍率進行放電時，電池表面溫度與核心溫度存在平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)的溫度過大時就需要對電池組進行散熱。文中借助式（1）簡化后的電池熱模型[9]來解釋該平衡狀態(tài)。

式中：I為電流大小，A；R為電池的歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻之和，?；Ta、Ts、Ti分別為環(huán)境溫度、電池表面溫度以及電池核心溫度，K；R1為電池表面與環(huán)境的對流換熱熱阻，K/W；Cc與 Cs分別為電池的核心熱容與表面熱容，J/K；t為時間，s。

對鋰離子電池完成預熱后進行放電測試，此時電池內(nèi)阻相對減小，電池表面散熱功率大于內(nèi)阻的發(fā)熱功率，導致電池表面溫度降低，電池核心溫度也隨之降低。電池內(nèi)阻開始增大，其發(fā)熱功率也隨之增大直至與散熱功率平衡，此時電池表面溫度與核心溫度也達到新的平衡[10]。

該設計中增加的保溫材料相當于增大了電池表面與環(huán)境的對流換熱熱阻，會提高電池表面的平衡溫度，使電池在較大放電倍率下放電時具有較高的表面溫度與核心溫度。當該溫度過高時，同樣也需要對鋰離子電池進行散熱。該設計采用水冷散熱的方式，將水冷散熱片放入電池組保溫箱中，水泵驅(qū)動管路內(nèi)液體循環(huán)流動，帶走箱內(nèi)多余的熱量進入換熱器中。最后換熱器上的風扇將流入空氣中的熱量帶走，完成散熱過程。電池箱與散熱裝置的實物如圖4所示。

3 熱管理策略設計

電池組加熱裝置由若干個石墨烯加熱片組成。每個加熱片附近布置若干個熱敏電阻溫度測點，來檢測鋰離子電池溫度。首先設定預熱溫度為T0，散熱溫度為Tm。當溫度測點的溫度Ti小于加熱臨界溫度T0時，熱管理驅(qū)動模塊開始對鋰離子電池組持續(xù)加熱，直至超過0 ℃。當測點溫度Ti大于等于預熱溫度T0時，熱管理驅(qū)動模塊斷開，該溫度測點邊上的加熱片電流輸入，停止加熱。鋰離子電池在0 ℃以上開始正常工作。當電池放電倍率較大時，電池組自發(fā)熱增大。由于電池組保溫箱內(nèi)的保溫材料使得熱量難以散發(fā)出去，從而導致鋰離子電池組溫度上升。當測點溫度Ti超過散熱溫度 Tm時，開始對鋰離子電池進行水冷散熱，使其恢復到正常工作溫度范圍內(nèi)。當放電倍率較小時，電池組平衡溫度下降。當測點溫度低于預熱溫度 T0時，熱管理驅(qū)動模塊重新接通加熱片給鋰離子電池組加熱。熱管理策略流程如圖5所示。

4 實驗結果

實驗分別讓鎳鈷錳酸鋰離子電池組在以下 5種溫度條件下做放電實驗，并記錄鋰離子電池的放電容量，進行對比。溫度條件分別為：1）鋰離子電池在環(huán)境溫度為-35 ℃時以0.5、1、2 C的放電倍率進行放電實驗；2）鋰離子電池在環(huán)境溫度為0 ℃時，以0.5、1、2 C的放電倍率進行放電實驗；3）鋰離子電池在環(huán)境溫度為25 ℃時，以0.5、1、2 C的放電倍率進行放電實驗；4）在環(huán)境溫度為-35 ℃時，將電池表面溫度預熱至0 ℃后，以0.5、1、2 C的放電倍率進行放電實驗；5）在環(huán)境溫度為-35 ℃時，將電池表面溫度預熱至25 ℃后，以0.5、1、2 C的放電倍率進行放電實驗。實驗結果如圖6所示。

由圖6所示實驗結果可得，鎳鈷錳酸鋰離子電池在預熱后其放電性能得到提高。在-35 ℃的環(huán)境溫度下，鎳鈷錳酸鋰離子電池基本無法放出電量。通過熱管理策略將電池表面溫度預熱至0 ℃以上，以0.5、1 C的倍率放電時，電池的可用容量可達額定容量的34.7%，鋰離子電池在低倍率下的放電能力得到明顯改善。

鋰離子電池組由-35 ℃預熱至25 ℃相比于預熱至 0 ℃以 0.5 C放電時，電池的可用電容量增加了0.113 Ah；由-35 ℃預熱至25 ℃相比于預熱至0 ℃以1 C放電時，電池的可用電容量增加了0.138 Ah；鋰離子電池組由-35 ℃熱至25 ℃相比于預熱至0 ℃以2 C放電時，電池的可用電容量增加了2.037 Ah。由此可知，提高對鋰離子電池組的預熱溫度能增加放電容量，尤其是鋰離子電池組進行大倍率放電時提升效果顯著。

鋰離子電池組由-35 ℃預熱至25 ℃與環(huán)境溫度為25 ℃條件下，均以0.5 C放電時，電池的可用電容量減少了5.707 Ah；均以1 C放電時，電池可用電容量減少了5.280 Ah；均以2 C放電時，電池的可用電容量減少了6.163 Ah。該部分的能量消耗值大于電池總?cè)萘康?0%。

此外，鋰離子電池組由-35 ℃預熱至0 ℃以0.5 C放電，相比于環(huán)境溫度為0 ℃以0.5 C放電，電池的可用電容量減少了4.098 Ah；以1 C放電，電池的可用電容量減少了3.857 Ah。鋰離子電池組由-35 ℃預熱至0 ℃以0.5 C放電，相比于環(huán)境溫度為0 ℃以2 C放電，電池的可用電容量減少了4.065 Ah。該部分能量是由于電池組為熱管理裝置供電而造成的消耗，該消耗值約占電池總?cè)萘康?0%?？梢姡A熱溫度越大，對能量的消耗也越大。

5 結語

綜合電力推進船舶在排放性和經(jīng)濟性都優(yōu)于傳統(tǒng)柴油機船舶，并且其可靠性更高，將成為極地科考船舶的最佳選擇之一。文中針對綜合電力推進科考船的儲能系統(tǒng)中鋰離子電池組在低溫環(huán)境下性能衰減的問題，設計了一種鋰離子電池熱管理模塊，包括硬件電路設計以及熱管理策略設計。實驗表明，該模塊能夠有效提高鋰離子電池在高寒環(huán)境中的放電容量，有助于延長極地科考船儲能系統(tǒng)的使用壽命。

由于該系統(tǒng)采用鋰離子電池組為熱管理裝置供電，消耗了一定的儲能系統(tǒng)自身能量。后期研究將考慮采用船舶廢氣鍋爐產(chǎn)生的熱蒸汽參與儲能系統(tǒng)熱管理，進一步提高儲能系統(tǒng)的綜合利用效率。