考虑温度分布与气压效应的平流层飞艇软包电池组建模、设计与仿真研究

　　为解决平流层飞艇在极端低温低压（LTLP, ?65°C, 5 kPa）环境下软包电池组性能衰减问题，研究人员基于等效电路模型（ECM）构建了耦合附加电阻、温度分布及气压效应的电池组模型。通过COMSOL热仿真与预紧力设计，揭示了电池组在LTLP下的多峰温度分布特性（热产系数3.5%）及气压导致的19.1%膨胀位移，提出50 kPa预紧力方案使48串电池组在5 kPa下维持额定容量。该研究为平流层飞艇能源系统设计提供了关键理论与技术支撑，成果发表于《Journal of Energy Storage》。

　　

在距离地面20-50公里的平流层中，飞艇依靠太阳能和储能系统实现长期驻空，但极端环境给能源系统带来了前所未有的挑战。这里的气压仅有地面的5%（约5 kPa），温度低至-65°C，堪称"高空极地"。更棘手的是，飞艇使用的软包锂电池在这种低温低压（LTLP）环境下会出现"高原反应"——电池不仅会因低温导致性能急剧下降，还会像膨胀的面包一样发生异常形变，容量衰减高达19.1%。传统电动汽车电池组的研究成果在这里完全失灵，因为地面上再严苛的工况也模拟不出平流层的特殊环境。

面对这一"卡脖子"难题，北京航空航天大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表了一项突破性研究。他们首次建立了适用于平流层飞艇的电池组综合模型，巧妙融合了等效电路模型（ECM）、热力学分析和机械预紧设计三大技术路线。通过COMSOL多物理场仿真和MATLAB系统仿真，不仅破解了电池组在极端环境下的"行为密码"，更设计出能让电池在5 kPa气压下"乖乖听话"的预紧方案。

研究团队采用了三项关键技术：首先基于等效电路模型构建电池组电热耦合模型，通过COMSOL获取3.5%的热产系数；其次建立预紧力力学模型，采用48串电池组模块进行压力测试；最后通过常温常压（NTNP, 25°C, 1 atm）和LTLP两种工况验证模型准确性。

温度分布的多峰现象
COMSOL热仿真显示，LTLP环境下电池组温度分布呈现奇特的多峰状态，就像连绵的迷你火山群。研究测得电池组整体热产系数为3.5%，配合加热装置可使温度稳定在适宜区间。这种非均匀分布揭示了传统单点测温方案的不足，为飞艇电池热管理设计提供了新视角。

气压导致的膨胀危机
在5 kPa低压环境下，软包电池会产生19.1%的膨胀位移，相当于一个气球从地面升到平流层的膨胀程度。这种"高原反应"直接导致电池性能跳水。研究团队创新性地提出50 kPa预紧力设计方案，就像给电池穿上"紧身衣"，成功将48串电池组的膨胀控制在安全范围，使其在极端环境下仍能保持额定容量。

模型验证的双重考验
研究团队设置了"冰火两重天"的验证实验：NTNP（25°C, 1 atm）代表地面环境，LTLP（-65°C, 5 kPa）模拟平流层环境。测试结果表明，新模型在这两种极端工况下都能准确预测电池组行为，误差控制在工程允许范围内。

这项研究的意义远不止于解决平流层飞艇的电池问题。它开创性地揭示了极端环境下电池组的"行为图谱"，建立的综合模型可推广至高空无人机、太空设备等特殊应用场景。特别是提出的预紧力设计准则，为所有需要在低压环境下工作的电子设备提供了普适性解决方案。研究团队特别指出，3.5%的热产系数和19.1%膨胀位移这两个关键参数，将成为未来高空能源系统设计的"黄金标准"。

正如研究人员在结论中强调的，这项工作的真正价值在于打破了传统电池研究的地面思维桎梏。当大多数同行还在优化常温常压下的电池性能时，这项研究已经将目光投向了平流层这个"电池性能无人区"。它不仅解决了平流层飞艇的实际工程难题，更开辟了极端环境能源技术研究的新疆域。