飛行器電池激活后待機(jī)安全性與剩余電量研究

陳雷雨，岳瑞華，徐中英

(第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安710025)

飛行器電池激活后待機(jī)安全性與剩余電量研究

陳雷雨，岳瑞華，徐中英

(第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安710025)

鋅銀電池作為航空航天飛行器的能源供應(yīng)設(shè)備，激活后不同情況下的剩余電量和安全性決定了電池的剩余可待機(jī)時(shí)間。利用電池的剩余可待機(jī)時(shí)間，可以開(kāi)展故障的現(xiàn)場(chǎng)分析排除和視情擇機(jī)發(fā)射。結(jié)合飛行器實(shí)際發(fā)射過(guò)程，在滿(mǎn)足飛行器發(fā)射、飛行對(duì)電池要求的基礎(chǔ)上，著重從電池使用的安全性和電池剩余電量?jī)煞矫嬲撌隽穗姵貙?duì)飛行器待機(jī)的影響，為制定科學(xué)的待機(jī)方案提供依據(jù)。

鋅銀電池；飛行器；待機(jī)；安全性；剩余電量

伴隨著航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，作為飛行器主電源的鋅銀電池，具有性能穩(wěn)定、使用簡(jiǎn)單方便、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、激活反應(yīng)時(shí)間短、比能量大等特點(diǎn)[1]。飛行器進(jìn)入發(fā)射階段后，電池?fù)?dān)負(fù)著為其提供能源、保證儀器正常工作的重要任務(wù)[2]，因此鋅銀電池對(duì)飛行器的熱待機(jī)時(shí)間有較大影響。

但是在飛行器發(fā)射過(guò)程中常常會(huì)遇到突發(fā)故障，為保證發(fā)射成功，需要現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)排除故障；若飛行器由于突發(fā)故障等原因未能如期發(fā)射，則需要保持熱待機(jī)狀態(tài)，等待下一個(gè)發(fā)射窗口進(jìn)行發(fā)射[3]。鋅銀電池作為飛行器的主電源，其激活后濕擱置時(shí)間成為影響待機(jī)時(shí)間的關(guān)鍵因素。因此，研究鋅銀電池的使用安全性和實(shí)時(shí)剩余電量，估算飛行器的剩余待機(jī)時(shí)間，可以為制定飛行器待機(jī)方案提供科學(xué)依據(jù)，也可以為技術(shù)人員排除突發(fā)故障提供時(shí)間上的限制。

1 電池安全性對(duì)待機(jī)的影響

目前，飛行器上一次電源多采用自動(dòng)激活鋅銀貯備電池。作為飛行器能量供給的重要設(shè)備，鋅銀電池的安全性能在很大程度上決定飛行器能否成功發(fā)射，因此必須充分考慮鋅銀電池使用過(guò)程中各種不安全因素的影響。針對(duì)飛行器實(shí)際發(fā)射待機(jī)過(guò)程，主要從以下兩方面研究電池的安全性。

1.1 電池激活前使用安全分析

自動(dòng)激活鋅銀貯備電池系統(tǒng)分為氣體發(fā)生器和電池堆兩部分。其中電池堆是由多個(gè)鋅銀電池單體串聯(lián)而成的。在電池的干態(tài)貯存期中，電解液儲(chǔ)存在不銹鋼的儲(chǔ)液器中，從而與電池堆分開(kāi)，并且儲(chǔ)液器的出口由一個(gè)易碎的隔膜封上，鋅銀電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。需要激活電池時(shí)，通過(guò)電流脈沖點(diǎn)燃?xì)怏w發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)高氣壓沖破易碎膜，從而將電解液壓入電池堆中激活電池放電[4]。

圖1 鋅銀電池結(jié)構(gòu)示意圖

鋅銀電池的結(jié)構(gòu)能夠保證電池一定的干態(tài)貯存時(shí)間，但同時(shí)也帶來(lái)了一定的問(wèn)題。由于鋅銀電池的特殊結(jié)構(gòu)，決定了其只能被使用一次。一旦激活，將電解液和電池堆混合，電池就必須使用，這決定了在飛行器發(fā)射前無(wú)法對(duì)電池進(jìn)行性能檢查。

鋅銀貯備電池的干貯存壽命在5～8年左右[5]，對(duì)于已經(jīng)達(dá)到規(guī)定貯存期的電池，無(wú)法對(duì)其是否能夠滿(mǎn)足飛行器發(fā)射、飛行需要進(jìn)行有效判斷。另一方面，隨著貯存時(shí)間變長(zhǎng)，電池的電極會(huì)發(fā)生自然氧化還原反應(yīng)、內(nèi)部橡膠、粘接劑老化等情況，電池的電量和電壓等指標(biāo)都會(huì)下降[6]，導(dǎo)致電池使用的可靠性隨之下降，這對(duì)電池的使用安全形成隱患，同時(shí)對(duì)電池待機(jī)時(shí)間也會(huì)造成影響。通過(guò)先驗(yàn)知識(shí)，結(jié)合實(shí)際貯存時(shí)間，利用貝葉斯估計(jì)將電池的可靠性進(jìn)行量化，對(duì)電池安全使用及飛行器安全發(fā)射至關(guān)重要。

1.2 電池激活后使用安全分析

分析研究電池安全時(shí)，除了對(duì)電池激活前的安全可靠性進(jìn)行評(píng)估外，在電池使用過(guò)程中的各種不安全因素對(duì)處于熱待機(jī)狀態(tài)的飛行器同樣重要。在電池進(jìn)行濕擱置的時(shí)間里要保證電池的工作安全，防止電池出現(xiàn)短路、泄漏電解液和排放有害氣體等情況。同時(shí)，飛行器的發(fā)射、飛行環(huán)境十分惡劣，在這樣的環(huán)境下，必須考慮到電池的可承受環(huán)境條件，以保證使用過(guò)程中的安全。因此，主要從以下四個(gè)方面分析電池的使用安全。

1.2.1 高溫

鋅銀電池具有優(yōu)越的大電流放電性能，在常溫下，當(dāng)電池以1小時(shí)率放電時(shí)，可放出額定容量的90%；以1/3小時(shí)率放電時(shí)，仍能放出額定容量的70%；在特定條件下，甚至可以在3～5min之內(nèi)放出大部分容量，所以鋅銀電池適合在大電流高速放電情況下使用[7]。

但電池在放電過(guò)程中，特別是在大電流放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大熱量，這種情況如果持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度逐漸升高，進(jìn)而有可能將隔膜熔化，使電池內(nèi)部發(fā)生短路，這樣更會(huì)加劇溫度升高，最后有可能發(fā)生爆炸。因此高溫對(duì)電池的影響必須考慮。

1.2.2 振動(dòng)

受地形等因素影響，飛行器在機(jī)動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)受到不規(guī)律的振動(dòng)，這對(duì)電池性能的保持也有很大考驗(yàn)。另一方面，飛行器點(diǎn)火起飛后，受空氣阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)推力和水平方向風(fēng)速等不均勻影響，飛行器本身會(huì)產(chǎn)生較大頻率的振動(dòng)，電池會(huì)受到從殼體傳來(lái)的強(qiáng)迫振動(dòng)[8]，這種高頻率的振動(dòng)會(huì)使電池零、部件結(jié)構(gòu)磨損破壞，造成活性物質(zhì)脫落、電池單體內(nèi)部銀絲斷裂，引起電性能降低而使電池失效，更有可能導(dǎo)致由于緊固件松動(dòng)引起的電解液泄漏[9]。所以，對(duì)電池進(jìn)行抗振性測(cè)試是保證電池安全性的一個(gè)重要方面。

1.2.3 電解液泄漏

在飛行器發(fā)射起飛前，如果操作過(guò)程中出現(xiàn)故障，并且在發(fā)射場(chǎng)地?zé)o法處理的，須對(duì)故障飛行器進(jìn)行撤收，此時(shí)要將飛行器從垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)為水平運(yùn)輸狀態(tài)，電池將翻轉(zhuǎn)90°，這種狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)動(dòng)運(yùn)輸就有可能造成電解液的泄漏，從而會(huì)對(duì)其他儀器設(shè)備造成腐蝕。如果通過(guò)測(cè)試得到電池翻轉(zhuǎn)90°進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)電解液不泄漏的可靠時(shí)間，可以為飛行器機(jī)動(dòng)運(yùn)輸時(shí)間、距離的判斷提供參考。

1.2.4 漏電

電池激活后隨時(shí)有可能發(fā)生漏電情況，特別是當(dāng)兩塊電池同時(shí)發(fā)生漏電時(shí)可能形成一個(gè)漏電回路，在此回路之中的儀器設(shè)備都會(huì)受到影響。當(dāng)漏電電流比較小時(shí)，會(huì)對(duì)飛行器內(nèi)部?jī)x器正常工作造成干擾；當(dāng)漏電電流較大時(shí)，很有可能燒毀儀器設(shè)備。因此，對(duì)電池漏電風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估很有必要。

2 電池剩余電量對(duì)待機(jī)的影響

鋅銀電池的突出優(yōu)點(diǎn)是比能量高，理論上，鋅銀電池質(zhì)量比能量可以達(dá)到 350 Wh/kg，體積比能量可以達(dá)到 750 Wh/dm3。因此，在航空航天飛行器這類(lèi)對(duì)電池體積和質(zhì)量有嚴(yán)格要求的尖端裝備中，鋅銀電池可以很好地滿(mǎn)足使用條件[10]。而且，在要求一定體積和質(zhì)量的前提下，電池比能量較高時(shí)飛行器的待機(jī)時(shí)間也會(huì)較長(zhǎng)。

自動(dòng)激活鋅銀一次電池通常是短壽命的。激活后，如不使用，在短時(shí)間內(nèi)即失效，其主要原因是電池濕擱置過(guò)程中電量等參數(shù)會(huì)逐步下降[11]，而飛行器可利用的待機(jī)時(shí)間和電池的濕擱置時(shí)間主要取決于待機(jī)過(guò)程中電池的電量，因此要對(duì)處于濕擱置狀態(tài)下的電池進(jìn)行剩余電量的實(shí)時(shí)監(jiān)控估算。

由于電池在帶載與空載情況下的工作狀態(tài)不同，結(jié)合飛行器的實(shí)際發(fā)射，將電池工作過(guò)程分為帶載與不帶載兩個(gè)階段進(jìn)行剩余電量的計(jì)算。在不帶載情況下，電池的濕擱置時(shí)間和其自放電速率關(guān)系密切；帶載情況下，電池?cái)R置時(shí)間主要取決于飛行器中儀器的用電情況。

2.1 電池空載狀態(tài)待機(jī)剩余電量分析

電池激活后，在不帶載的情況下，活性物質(zhì)浸泡在電解液中會(huì)自行發(fā)生氧化還原反應(yīng)而消耗掉，鋅銀電池的氧化銀電極在與電解液接觸過(guò)程中會(huì)進(jìn)行自放電而逐步喪失容量[12]，自放電的速率決定轉(zhuǎn)電前電池濕擱置的時(shí)間，因此電池在轉(zhuǎn)電前的濕擱置時(shí)間和電池的自放電有關(guān)。而且，飛行器結(jié)束待機(jī)狀態(tài)重新進(jìn)入發(fā)射程序后，加負(fù)載的電池必須能夠滿(mǎn)足飛行器中各儀器要求的供電條件以及后續(xù)發(fā)射、飛行的電量需求。

此時(shí)電池允許的濕擱置時(shí)間取決于以下三方面：(1)待機(jī)時(shí)間段內(nèi)電池自放電消耗的電量；(2)待機(jī)結(jié)束后滿(mǎn)足飛行器后續(xù)發(fā)射、飛行所需電量；(3)飛行器的各個(gè)儀器正常工作的供電條件。

其中，電池自放電大小隨待機(jī)時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷變化，通過(guò)計(jì)算才能確定。一般情況下，自放電速度較慢，可以忽略。但在鋅銀電池空載情況下，電池自放電成為電池能量損失的主要原因，因此需要通過(guò)計(jì)算得到電池自放電時(shí)間和剩余電量的關(guān)系。

2.2 電池帶載狀態(tài)待機(jī)剩余電量分析

轉(zhuǎn)電后飛行器中的儀器由電池供電，各個(gè)儀器用電情況成為電池剩余電量的主要影響因素。此時(shí)電池的擱置時(shí)間取決于三方面：(1)待機(jī)時(shí)間段內(nèi)飛行器中的儀器用去的電量；(2)待機(jī)結(jié)束后滿(mǎn)足飛行器后續(xù)發(fā)射、飛行所需電量；(3)飛行器的各個(gè)儀器正常工作的供電條件。

飛行器在發(fā)射場(chǎng)地的待機(jī)時(shí)間可以用來(lái)排除臨時(shí)故障以及等待發(fā)射窗口的到來(lái)，發(fā)射窗口到來(lái)或故障排除后，精確地判斷電池是否仍然可以滿(mǎn)足后續(xù)飛行器發(fā)射和飛行的電力需求則是十分必要的。在此情況下，如果難以準(zhǔn)確判斷，就需要撤收設(shè)備，則此次發(fā)射任務(wù)宣告失敗。通過(guò)對(duì)電池電量的估算得到的飛行器可靠待機(jī)時(shí)間，可以作為確定待機(jī)方案的主要依據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

鋅銀電池的使用安全性和剩余電量對(duì)飛行器的發(fā)射待機(jī)會(huì)產(chǎn)生影響。結(jié)合電池工作過(guò)程，從電池激活前使用可靠性和激活后的安全性?xún)煞矫娣治隽穗姵匕踩珜?duì)待機(jī)的影響；同時(shí)，將飛行器電池激活后的待機(jī)過(guò)程分為空載與加負(fù)載兩種情況，對(duì)兩種情況下電池剩余電量的影響因素進(jìn)行了分析，為估算飛行器待機(jī)時(shí)間以及確定最優(yōu)的待機(jī)方案提供參考。

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Research on security and remaining electric quantity of standby aircraft battery after activating

As the energy-supply device for aerospace aircraft,security and remaining electric quantity of silver-zinc battery after activated decide remaining standby time of battery in each case.Launch team can eliminate faults on the scene and choose proper time to launch aircraft by using standby time of battery.Combined with real process of aircraft launching, the effects of security and remaining electric quantity of silver-zinc battery on aircraft were stressed on the base of meeting the need of aircraft launching and flying process for battery,providing theory basis for formulating reasonable standby plan.

silver-zinc battery;aircraft;standby;security;remaining electric quantity

TM 91

A

1002-087 X(2016)06-1223-02

2015-12-15

陳雷雨(1990—)，男，河北省人，碩士，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)診斷技術(shù)及自動(dòng)化裝置。