空間用60 Ah氫鎳蓄電池組性能

明文成，趙梁博

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.北京空間機(jī)電研究所，北京100094)

空間用60 Ah氫鎳蓄電池組性能

明文成1，趙梁博2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.北京空間機(jī)電研究所，北京100094)

簡(jiǎn)要介紹了空間用60 Ah氫鎳蓄電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)組成，并對(duì)該蓄電池組進(jìn)行了容量、過(guò)充電、過(guò)放電、高低溫壽命等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該蓄電池組的設(shè)計(jì)和性能滿足空間應(yīng)用要求。

空間氫鎳蓄電池組；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電性能

高壓氫鎳蓄電池是繼鎘鎳蓄電池后的第二代空間貯能電源，正極為鎘鎳電池的鎳電極，負(fù)極為燃料電池的鉑電極，電解液為氫氧化鉀溶液。充電時(shí)，由于負(fù)極產(chǎn)生的活性物質(zhì)是氫氣，所以，整個(gè)電池的極組被包含在密封的一個(gè)壓力容器內(nèi)[1-2]。

經(jīng)過(guò)1976—1977的飛行實(shí)驗(yàn)后，氫鎳蓄電池于1983開(kāi)始服務(wù)于Intelsat V-B同步地球軌道通信衛(wèi)星上。從此，氫鎳蓄電池逐漸地取代了鎘鎳電池在空間的應(yīng)用。1990年發(fā)射的哈勃望遠(yuǎn)鏡是氫鎳蓄電池第一次應(yīng)用在低軌道上。目前，長(zhǎng)壽命地球軌道衛(wèi)星電源的貯能系統(tǒng)仍以氫鎳蓄電池系列為主。

60 Ah氫鎳蓄電池組是為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)配套使用的儲(chǔ)能電源，氫鎳蓄電池組在衛(wèi)星發(fā)射主動(dòng)段、轉(zhuǎn)移軌道和同步軌道地影區(qū)給衛(wèi)星供電，同時(shí)為星上火工品及大電流脈沖負(fù)載供電。2012年底北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最終建成，形成區(qū)域?qū)Ш椒?wù)能力。

本文主要就60 Ah氫鎳蓄電池組的結(jié)構(gòu)性能和電性能進(jìn)行討論。

1　電池組的構(gòu)成

電池組由27只60 Ah氫鎳蓄電池單體串聯(lián)而成，分為A、B兩個(gè)組件，A組件14只單體，B組件13只單體。氫鎳蓄電池組外形圖見(jiàn)圖1，電池組的結(jié)構(gòu)采用“銑空鋁板-卡套-電池”的設(shè)計(jì)，提高電池組的抗振性能以及導(dǎo)熱性能。在每只單體電池正負(fù)兩極并聯(lián)一只保護(hù)二極管，防止一只單體電池開(kāi)路失效導(dǎo)致整個(gè)電池組失效。

圖1　60 Ah氫鎳蓄電池組的外形圖

2　關(guān)鍵技術(shù)

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

60 Ah氫鎳蓄電池單體為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，單體電池直立安裝時(shí)重心比較高，再加上電池容量大，發(fā)熱量大，在電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮抗力學(xué)性能以及散熱性能。

采用EDS-IDEAS軟件建立電池組的有限元結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)電池組進(jìn)行模態(tài)分析、正弦響應(yīng)分析和隨機(jī)響應(yīng)分析計(jì)算，從而求得電池組強(qiáng)度和質(zhì)量的最優(yōu)化關(guān)系。

電池組底板用15mm厚的鋁合金銑空制造而成；卡套用鋁合金管制造，卡套與單體電池粘貼好后，卡套安裝到底板的卡槽內(nèi)，再通過(guò)均布的四個(gè)安裝孔，將電池-卡套與底板固定在一起。

2.2熱設(shè)計(jì)

單體電池極組結(jié)構(gòu)采用大中心孔、菠蘿片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了φ90mm較高容量氫鎳蓄電池的散熱問(wèn)題。電池在較高的充放電電流下，極組內(nèi)部的徑向溫差減小，有利于電液均勻分布，較大延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

為滿足電池組各單體之間的溫度梯度要求，電池組由熱控系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)均衡加熱控制，采用熱管網(wǎng)絡(luò)輻射器散熱，減小電池單體間的溫差；電池艙采用隔熱設(shè)計(jì)，并強(qiáng)化電池組與艙內(nèi)儀器的輻射換熱。圖2為電池組熱控設(shè)計(jì)示意圖。

圖2　電池組熱控設(shè)計(jì)示意圖

通過(guò)蓄電池組真空狀態(tài)下的熱平衡、熱真空實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證電池組及單體的熱設(shè)計(jì)是否滿足要求。圖3為熱平衡、熱真空實(shí)驗(yàn)電池組溫度曲線(北)，圖4為熱平衡、熱真空實(shí)驗(yàn)電池組溫度曲線(南)。蓄電池組在熱平衡、熱真空實(shí)驗(yàn)中的性能總結(jié)如下：

(1)地影放電期間，北電池組放電電流約33 A，放電容量約38.1 Ah，放電深度63.5%，電池組溫度由－4℃升至8.2℃，電池組最低電壓為33.33 V。

南電池組放電電流約26.8 A，放電容量約32.0 Ah，放電深度53.3%，電池組溫度由－5.7℃升至3.4℃，電池組最低電壓為34.13 V。

圖3　熱平衡、熱真空實(shí)驗(yàn)電池組溫度曲線(北)

圖4　熱平衡、熱真空實(shí)驗(yàn)電池組溫度曲線(南)

(2)光照期間，夏至?xí)r(同步軌道北板的高溫工況)，北蓄電池組的溫度最高為2.7℃，南蓄池組的溫度在－6.0℃到－4.1℃之間；冬至?xí)r(同步軌道南板的高溫工況)，北蓄電池組的溫度在－6.0℃到－4.0℃之間，南蓄池組的溫度最高為7.8℃。

60 Ah氫鎳蓄電池組在模擬軌道工況和熱真空溫度循環(huán)條件下性能滿足要求，證明氫鎳單體電池的熱設(shè)計(jì)、電池組的熱設(shè)計(jì)和熱控設(shè)計(jì)合理有效。

3　電性能

3.1不同溫度下電池容量、壓力、溫度、自放電特性

通過(guò)氫鎳蓄電池在不同溫度下的容量實(shí)驗(yàn)可以看出(見(jiàn)表1)，隨著環(huán)境溫度的升高，電池放電容量呈先升后降趨勢(shì)，尤其當(dāng)溫度高于15℃后，電池放電容量迅速下降。圖5為不同溫度下放電容量曲線當(dāng)環(huán)境溫度在－10～10℃之間時(shí)，電池的放電容量均在63 Ah以上，從表1結(jié)果可以看出，電池在－10～10℃之間具有較高的放電容量。

圖5　不同溫度下放電容量曲線

表1　不同溫度下容量實(shí)驗(yàn)中電池放電容量值

由表2可知，在環(huán)境溫度低于15℃時(shí)，電池充電結(jié)束壓力隨環(huán)境溫度的升高而增加，這是由于在相對(duì)較低的溫度下，電池的充電效率都較高。根據(jù)氣體方程可知，電池內(nèi)氫氣壓力與溫度呈正比關(guān)系；但是當(dāng)溫度高于15℃時(shí)，充電效率下降，而且溫度越高，充電效率越低，電池殼體內(nèi)的氫氣就越少，因此電池內(nèi)的壓力就逐漸減少。

表2　不同溫度下充電結(jié)束壓力數(shù)值

由表3可知，放電結(jié)束溫度隨著環(huán)境溫度的升高而增加，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，放電結(jié)束溫度甚至可高達(dá)44.6℃，電池的溫度過(guò)高，有可能使電池內(nèi)部的隔膜等部件受到損壞，影響電池的放電容量，甚至壽命。電池放電過(guò)程中的溫差在14～20℃之間波動(dòng)。

表3　不同溫度下放電結(jié)束電池溫度值

由表4可知，電池的自放電率隨溫度迅速升高，－5℃時(shí)電池的3d自放電率為5%，而25℃時(shí)電池的3d自放電率高達(dá)38%。由表5可知，電池的自放電率隨著擱置時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，隨著擱置時(shí)間的增加，電池自放電的變化率逐漸減小，這是由于電池的自放電率不但與擱置時(shí)間有關(guān)，同時(shí)還與荷電態(tài)有關(guān)。

表4　不同溫度下3天自放電率

表5　20 ℃下擱置不同時(shí)間自放電率

3.2過(guò)充電特性

圖6為60 Ah氫鎳蓄電池過(guò)充電曲線，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以6.6 A持續(xù)對(duì)電池進(jìn)行充電。從圖可以看出，當(dāng)電池容量充電至75 Ah左右的時(shí)候，電池的電壓開(kāi)始下降，電池溫度迅速上升，此時(shí)電池出現(xiàn)明顯的過(guò)充電現(xiàn)象。當(dāng)過(guò)充電時(shí)，電池正極產(chǎn)生的氧氣與負(fù)極產(chǎn)生的氫氣在催化劑的作用下發(fā)生如下反應(yīng)：

圖6　60 Ah氫鎳蓄電池過(guò)充電實(shí)驗(yàn)曲線

過(guò)充電時(shí)由于氫、氧復(fù)合放出大量的熱，導(dǎo)致電池溫度迅速上升，實(shí)驗(yàn)停止時(shí)，電池溫度已經(jīng)達(dá)到近46℃。電池壓力在過(guò)充電初期繼續(xù)上升，后來(lái)逐漸保持不變，這可能是由于初期過(guò)充電時(shí)，產(chǎn)生的氫氣和氧氣不能全部迅速?gòu)?fù)合，因此電池內(nèi)壓力有所增加；另一方面，電池溫度的快速上升也會(huì)使電池壓力增加。但到過(guò)充電后期，氫氣、氧氣產(chǎn)生及復(fù)合的速度以及溫度的上升達(dá)到了一個(gè)平衡，所以壓力保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.3過(guò)放電特性實(shí)驗(yàn)

圖7為60 Ah氫鎳蓄電池過(guò)放電曲線。從圖中可以看出，電池在過(guò)放電過(guò)程中，電池電壓保持在－0.2 V左右，電池溫度持續(xù)上升，電池壓力先逐漸下降，之后就基本保持在短路恢復(fù)水平。氫鎳蓄電池在過(guò)放電時(shí)發(fā)生如下反應(yīng)：

由式(2)、(3)反應(yīng)可以看出，電池內(nèi)凈物質(zhì)沒(méi)有發(fā)生變化。

圖7　60 Ah氫鎳蓄電池過(guò)放電曲線

3.4大電流放電特性

60 Ah氫鎳蓄電池在200 A下的高倍率放電性能見(jiàn)圖8。可以看出，放電曲線非常平坦，放電電壓幾乎一直保持在0.95 V。電池的內(nèi)阻為1.5 mΩ，因此電池的電壓降約為300 mV(1.5 mΩ×200 A＝300 mV)。

圖8　60 Ah氫鎳蓄電池在200 A下的放電曲線

圖9為電池組的充放電曲線，當(dāng)放電速率為C/2時(shí)，電池組中單體電池的放電中點(diǎn)電壓為1.25～1.30 V。空間用IPV氫鎳蓄電池并不適于高倍率放電，而適于在C/2～C/1.5倍率下放電，此時(shí)獲得的比能量最高。若增大放電倍率，電池內(nèi)阻造成的電壓降將顯著增大。

圖9　60 Ah氫鎳蓄電池組的充放電曲線(27只串聯(lián)，放電倍率：C/2)

3.5脈沖測(cè)試

對(duì)60 Ah氫鎳蓄電池組加載脈沖電流25 A、脈寬100 ms的脈沖負(fù)載，蓄電池組的電壓曲線見(jiàn)圖10，放電最低電壓為34.00 V，滿足星上火工品及大電流脈沖負(fù)載供電要求(最低電壓不小于28 V)。

圖10　60 Ah氫鎳蓄電池組25 A脈沖100 ms曲線

3.6壽命特性

用于壽命實(shí)驗(yàn)的組件由5只額定容量為60 Ah氫鎳蓄電池串聯(lián)而成，監(jiān)測(cè)組件電池的電流、電壓、壓力、溫度及環(huán)境溫度參數(shù)。壽命實(shí)驗(yàn)樣品共2組(見(jiàn)圖11)。表6為壽命實(shí)驗(yàn)制度。

圖11　壽命實(shí)驗(yàn)組件(2個(gè)組件)

表6　壽命實(shí)驗(yàn)制度

圖12為60 Ah電池組件在－10℃下壽命循環(huán)曲線，組件在3 849次壽命循環(huán)過(guò)程中，充電結(jié)束溫度在－14℃左右，放電結(jié)束溫度在2℃左右，溫度變化平穩(wěn)。壽命前期充電結(jié)束電壓在1.52 V左右，放電結(jié)束電壓在1.20 V左右；壽命末期充電結(jié)束電壓在1.60 V左右，放電結(jié)束電壓基本穩(wěn)定保持在1.15 V左右。壽命實(shí)驗(yàn)期間，電池的放電容量呈逐漸下降趨勢(shì)，但放電電壓平臺(tái)相對(duì)穩(wěn)定。充放電結(jié)束時(shí)電池溫度變化保持穩(wěn)定，說(shuō)明電池?zé)崞胶鉅顟B(tài)良好，電池電性能無(wú)明顯衰降現(xiàn)象。

圖12　60 Ah電池組件－10℃下壽命循環(huán)曲線

壽命循環(huán)前，60 Ah電池組件在－10℃下容量為62.00 Ah，壽命循環(huán)1 120次后，該組件容量為60.00 Ah，壽命循環(huán)3 050次后，該組件容量為58.60 Ah，容量衰降為5.5%。雖然該電池組件容量有所衰降，從圖12可以看出，對(duì)其壽命循環(huán)性能影響不大。

圖13為60 Ah電池組件25℃極端溫度下壽命循環(huán)曲線，從圖中可以看出，在前550次循環(huán)過(guò)程中，充電結(jié)束電壓在1.47 V左右；放電過(guò)程中，電壓逐漸下降。充電結(jié)束溫度保持在25℃左右，放電結(jié)束溫度在42℃左右。壽命循環(huán)至500次左右時(shí)，放電電壓下降加速，繼續(xù)循環(huán)至550次左右時(shí)，單體放電電壓跌至0.8 V左右，電池由于性能下降，充放電效率降低，充放電結(jié)束溫度均明顯升高，可達(dá)44℃，由于電池單體電壓跌至0.8 V，暫時(shí)停止壽命實(shí)驗(yàn)。電池循環(huán)550次左右后性能下降，可能主要是由于電池在高溫下電液回流性能較差。另外，在高溫下，電池的隔膜易發(fā)生老化現(xiàn)象，電池充電易發(fā)生過(guò)充電等所致。將電池開(kāi)路擱置30天后，進(jìn)行一次容量測(cè)試，壽命循環(huán)測(cè)試前組件容量為61.5 Ah，550壽命測(cè)試后容量為57.0 Ah，容量衰降為7.30%。

圖13　60 Ah電池組件25℃下壽命循環(huán)曲線

550次壽命測(cè)試后，將電池開(kāi)路擱置30天，繼續(xù)按壽命實(shí)驗(yàn)制度進(jìn)行壽命循環(huán)。在這之后的壽命循環(huán)過(guò)程中，充電結(jié)束電壓保持在1.49 V左右，放電結(jié)束電壓呈下降趨勢(shì)，累計(jì)循環(huán)至710次左右時(shí)，電池電壓跌落至1.03 V。由上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，60 Ah氫鎳蓄電池在25℃下可進(jìn)行壽命循環(huán)500次左右，超過(guò)500次壽命循環(huán)后，電池電性能迅速衰降；電池經(jīng)長(zhǎng)期擱置后，電池電性能雖略有恢復(fù)，但壽命循環(huán)過(guò)程中電性能衰降仍很明顯。

4　達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

額定容量：60 Ah；實(shí)測(cè)容量：65 Ah；工作電壓：33.75 V(27只串聯(lián))；外形尺寸：518mm×290mm×237mm(A/B組件)；質(zhì)量：47.5 kg(A+B組件)；設(shè)計(jì)壽命：8年；比能量：47.0 Wh/kg (電池組)；體積比能量：31.3 Wh/L。

5　結(jié)束語(yǔ)

空間用60 Ah氫鎳蓄電池組采用“銑空鋁板-卡套-電池”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并貼有加熱帶實(shí)行主動(dòng)溫控，經(jīng)過(guò)熱平衡、熱真空實(shí)驗(yàn)、力學(xué)實(shí)驗(yàn)、電性能檢驗(yàn)和壽命實(shí)驗(yàn)證明全面滿足工程使用要求。

空間用60 Ah氫鎳蓄電池組應(yīng)用于北斗二號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)，為北斗二號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星區(qū)域組網(wǎng)做出了貢獻(xiàn)，而且為后繼型號(hào)的工程應(yīng)用提供借鑒，提高了我國(guó)空間儲(chǔ)能電源的研制水平，社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1]LAWRENCE H T,ALBERT H Z.Overview of the design,development,and application of nickel-hydrogen batteries[M].California:NASA Center for Aerospace Information,2003.

[2]TOM T H.The 2002 NASA aerospace battery workshop[M].Alabama:Marshall Space Flight Center,2002.

Properties of 60 Ah aerospace nickel hydrogen batteries

MING Wen-cheng1,ZHAO Liang-bo2
(1.Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China;2.Beijing Institute of Mechanical and Electrical Space,Beijing 100094,China)

In this paper,both the configurable design and configurable constitute of 60 Ah aerospace nickel hydrogen batteries were introduced.All of the capacity test,over-charge test,over-discharge test and high-low temperature cycle-life test of the batteries were also tested.The test results indicate that both the design and the performance of 60 Ah aerospace nickel hydrogen batteries can satisfy the demand of space application completely.

aerospace nickel hydrogen battery;configurable design;electrochemical performance

TM 912

A

1002-087 X(2016)10-2006-04

2016-03-03

明文成(1984—)，男，安徽省人，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g飛行器儲(chǔ)能電源。