0 引　言

目前，应用于全海深环境的电池单体主要采用聚合物磷酸铁锂电池体系^{[1 - 2]}，满足全海深工作的压力要求，通过电极优化设计，提高其在耐压环境下低温放电性能，采用电极/隔膜/电极一体化复合设计，实现多相界面的结构稳定和离子高效运输。电池组为充油耐压形式^{[3 - 4]}，主要包括电池箱体、补偿皮囊、保护罩、升降轮及加油阀和开关阀及单向阀等，电池组包括3个并联电池支路。

图1所示为5℃、115 MPa条件下电池单体恒流放电电压与容量曲线，当电池单体截止电压为2.50 V时，电池单体低温高压放电容量为44.28 Ah。通过电压与容量的积，可知电池单体低温高压的放电能量为130.7 Wh，约为低温常压放电能量的99.85%。

对于单体电池，其总体能量设计验证主要从3个方面说明，包括常温（25℃）常压下电池能量、低温（0℃）常压下电池能量和低温耐压（5 ℃，115 MPa）下电池能量，不同工况下电池组总体能量验证如表1所示。可以看出，在常压情况下，低温环境对电池容量影响较大^{[5 - 6]}，而压力环境对电池容量影响不大^{[7 - 8]}。

1 电池工作环境

对于电芯温度，电池电流和海水温度对其有双重影响，电池放电时自身会生热，导致电芯温度升高，海水温度较低，对电池组有冷却作用，电芯温度会降低，最终电芯温度的特性需要综合考虑二者影响的大小，对于SOC（荷电状态），主要受电池电流的影响。因此，需要先对电池电流和海水温度的变化特点进行分析^{[9 - 10]}。

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，以某次使用为例，全海深环境的海水温度与深度关系曲线如图2所示。

下潜阶段，在0～1500 m深度，随着深度变大，海水温度急剧降低，从初始温度29.7℃降低到3℃，1500 m深度以外时海水温度缓慢下降，在4400 m深度时达到最低温度1.4℃，4400 m到最深处时海水温度缓慢回升到2.5℃，在最深处10900 m时温度保持2.5℃不变，上浮阶段温度变化特点与下潜阶段一致。

除环境温度外，电池的工作特性还与电池的工作电流有关，以某次使用为例，其主电池工作电流如图3所示，3个支路的电流总体保持一致，电流幅值变化较大，支路电流最高可到70 A，同时也会出现多次持续一段时间电流为0的工况，电流具体数值与所连接负载是否工作相关，主要包括推进器、液压源、海水泵等。

2 全海深环境锂离子电池放电特性分析 2.1 电池电芯温度工作特性分析

如图4所示，以某次使用为例，分析潜水器工作过程中，电芯温度随深度及电池电流的变化特点。主电池电芯最高温度总体趋势是随着下潜—作业—上浮的过程持续下降，电芯初始温度为48℃；下潜结束时为47℃；作业结束后为35℃；浮出水面时为21℃；电芯温度下降至27℃。

分阶段来看，下潜前电池组暴露在母船甲板上，空气温度较高，导致电芯温度较高，下潜过程中，海水环境温度在短时间内急剧下降，电池温度与海水温度未得到充分的热量交换，且此时电池电流只有短时的小电流工况，因此下潜结束时电芯温度降低不够明显；作业过程持续约6 h，在此阶段电池组一直处于2.5℃的海水环境中，电芯温度会处于持续降温的过程，但由于作业时电池组需要频繁工作，导致电芯本身有放电热量产生，因此电芯温度下降速度会低于上浮阶段；上浮阶段，海水温度在短时间内又回到29.8℃，结合电池组在上浮过程有短时少量工作现象，电芯温度仍继续下降，且下降速度高于作业阶段。

图5为主电池3个支路的电芯最高温度曲线，可以看出，3个支路的电芯温度总体呈下降趋势，全过程中支路2电芯温度最高，其次是支路1，支路3最低，在支路电流基本一致的情况下，由于3个支路在电池舱内的位置不同，处于中心位置的电池模块散热效果要差于靠近电池舱壁的电池模块。

不同潜次下主电池电流、电芯温度与海水温度的曲线如图6所示，由于028潜次的电池电流幅值和工作频率明显低于005潜次和011潜次，这会导致028潜次SOC下降更慢。

对比不同潜次下主电池电芯温度，如表2所示，分别选取了1000 m级的005潜次、4500 m级的011潜次和11000 m级的028潜次，海水初始温度基本在30℃左右，由于深度的区别，不同潜次的最低海水温度有所不同，深度越大其最低温度越低。

下潜阶段，电芯温度基本保持不变。作业阶段005潜次与011潜次电池电流差别不大，但011潜次环境温度更低，导致011潜次作业结束时电芯温度相比作业开始差值更小，028潜次作业阶段电池电流要明显小于011潜次，但2个潜次的海底温度差别不大，因此028潜次电芯温度下降更多。上浮阶段，电池组整体仍处于低温环境，由于大深度潜次需要的上浮时间更多，其电池组降温的过程就会更长，028潜次在上浮阶段温度下降14℃，幅度大于005潜次的3℃和011潜次的7℃，说明电芯温度最终还是受电池电流和海水温度的双重影响，在不同阶段影响不一样。

2.2 电池SOC变化特点分析

如图7所示，以某次使用为例，分析潜水器工作过程中SOC随深度及电池电流的变化特点。下潜前主电池SOC为99%，下潜阶段主电池电流大部分时间为0，会间隔出现短时60 A左右的电流，主要是设备调试用电，此阶段电池耗电较慢，SOC曲线斜率较小，下潜结束时SOC为93%；进入作业阶段，由于工作电流幅值较高，最高超过200 A，且电池长时间处于放电状态，此阶段电池耗电较快，电流长时间处于0时SOC保持不变，在电流幅值较大且频繁时SOC有较明显的急剧降低现象，作业结束时SOC为65%；上浮阶段初期，电池电流延续作业末期的变化特点，此时SOC仍持续下降，深度6000 m左右时电池组基本不工作，此时SOC为59%，之后上浮过程SOC保持59%不变。

主电池3个支路的SOC曲线对比关系如图8所示，在潜水器下潜—作业—上浮过程中，主电池3个支路的电量一直在下降，下潜之前3个支路的SOC均为99%，初期保持一致，整个潜次中支路1和支路2的SOC有较好的一致性，经过一段时间作业后，支路3的SOC高于支路1和支路2，在潜次结束时支路1和支路2为59%，支路3为62%，说明主电池在实际工作时3个支路的电流并不完全一致，其中支路3的电流要小于另外2个支路。

不同潜次下主电池电流与SOC的曲线如图9所示，005潜次和011潜次的主电池工作频繁且电流幅值较大，最高可到350 A以上，此时主电池SOC下降非常快，而028潜次相比这2个潜次主电池的电流值明显偏小且中途有长时间电流为0的情况，这导致028潜次的SOC下降缓慢。

3 结　语

针对充油锂电池组在全海深环境的实际使用数据为依据，分析电池电芯温度和SOC与海水温度及电池工作电流的关系。下潜阶段电芯温度基本不变，作业阶段电池组处于较低温度的环境，电芯温度呈持续下降的特点，电池电流幅值较大且频率较高时，电芯温度下降更快，而在电池电流差别不大时，海水温度越低电芯温度下降越多，上浮阶段电芯温度仍继续下降，其下降幅度主要取决于下潜深度，深度越大电芯温度降低越多。电池的SOC在整个过程中主要与电池电流有关，电池电流幅值较高且频繁工作时，SOC急剧下降，在电池长时间不工作时SOC也保持不变。对于电池组的多个支路，由于支路电流的差异，不同支路的电芯温度和SOC均存在差异。