80 Ah氫鎳蓄電池組在軌性能分析

王 男，焦黎斌，樊紅敏

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

80 Ah氫鎳蓄電池組在軌性能分析

王 男，焦黎斌，樊紅敏

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

闡述了80Ah氫鎳蓄電池組在軌運行期間，電池組電壓和衰降情況，對在軌三個地影季氫鎳蓄電池組在軌性能數據進行了分析，并與地面壽命試驗數據進行比對，分析結果表明電池性能良好，對氫鎳蓄電池組在軌管理長壽命使用提出了建議。

氫鎳蓄電池組；電壓；壽命試驗

在過去的20年間，無論是LEO還是GEO衛星都廣泛使用了氫鎳電池。已經有100多顆衛星攜載10 000多個氫鎳電池作為電源系統。它們累積安全飛行近10億小時，具有高可靠性[1]。目前國內外在氫鎳電池單體和組件技術方面，無論是設計還是工藝技術都日趨成熟，而氫鎳蓄電池應用技術，如在軌充電管理技術，逐漸成為制約和影響蓄電池空間工作壽命和可靠性的主要因素[2]。

80 Ah氫鎳蓄電池組主要應用于我國東方紅四號平臺衛星，在軌飛行的尼日利亞衛星、巴基斯坦衛星、玻利維亞衛星、鑫諾六號等多顆衛星均采用此規格電池組，衛星設計壽命15年。本文介紹在軌飛行的某型號蓄電池組三次地影工作情況及數據分析。

1 蓄電池組技術特點介紹

東四平臺衛星為靜止軌道衛星，衛星每年在春分和秋分前后經歷兩個共90天左右的地影時間，蓄電池組只在地影期間供電，全日照期蓄電池組涓流充電，不參加整星的供電。

氫鎳蓄電池組單體極板為全燒結式，采用陶瓷-金屬極柱密封技術。電極容量為正限制，容量為80 Ah。蓄電池組由2個模塊，共計54只單體組成。在軌充電控制采用電子電量計為主，壓力控制為輔的控制方式。每只單體電池并聯一只保護二極管組件，提供單體電池內部開路失效時的旁路保護。氫鎳蓄電池組三維外形圖見圖1。

圖1 80 Ah氫鎳蓄電池組三維外形圖

2 在軌數據整理及分析

2.1 在軌數據整理

衛星發射至今，共經歷三個地影季。在三個地影季中，最長地影一天中蓄電池組的電壓、電池壓力和溫度的數據見圖2～圖9。

圖2 北蓄電池組的電壓

2.2 數據分析

在這三次最長地影中，蓄電池組充電最高電壓、放電平臺電壓、放電終止電壓見表1。表1中，三次充放電循環中，蓄電池組充電終止電壓無升高(相對于第一次地影)，放電平臺電壓相對穩定，放電終止電壓有一定下降。

圖3 南蓄電池組的電壓

圖4 北電池壓力1

圖5 北電池壓力2

圖6 南電池壓力1

在蓄電池組充電終止電壓沒有上升的情況下，蓄電池組的放電終止電壓出現下降是正常的。衛星同批次電池壽命試驗的數據見圖10。

由圖10可見，隨著壽命循環的進行，蓄電池組的充電電壓在逐漸升高，放電終止電壓有一定程度的下降。與在軌衛星三個地影季蓄電池組的性能變化相一致。

圖8 北電池溫度

圖9 南電池溫度

表1 蓄電池組充電最高電壓、放電平臺電壓、放電終止電壓

圖10 電池壽命試驗中充放電電壓曲線

隨著循環的增加，若電池充電電壓沒有隨著升高，則意味著電池的充電容量相應地減少了，電池的放電終止電壓也會相應地降低。但放電終止電壓的下降并不代表電池性能的下降，壽命試驗的結果表明，壽命初期電池的容量呈上升趨勢。

若適當提高充電容量，電池的放電終止電壓可以穩定在一定的水平。圖11為同批次電池壽命試驗數據，在812次恒定DOD40%充放電循環(對應在軌工作壽命的中期)之前，可以通過提高電池的充電容量(反映為充電電壓上升)來穩定放電終止電壓，無需調整充放電量比。但在壽命后期，電池的性能呈逐漸下降趨勢，需要通過提高充放電量比來穩定放電終止電壓。

經歷三個地影季，衛星蓄電池組的放電終止電壓雖有一定下降，但對應的單體電池的放電終止電壓為1.255 V，仍在較高水平。目前，無需提高蓄電池組的充電容量，可以繼續將電池的充電終止電池壓力控制在規定的3.85～4.2 MPa之間。

圖11 電池壽命實驗中充放電電壓曲線

蓄電池組在軌工作期間，當蓄電池組的放電終止電壓低于65 V時，考慮提高蓄電池組的充電容量。

3 結論

氫鎳蓄電池組在軌工作期間性能穩定，工作正常；經歷三個地影季，衛星蓄電池組的放電終止電壓雖有一定下降，但對應的單體電池的放電終止電壓為1.255 V，仍在較高水平；壓力傳感器的性能穩定，可有效地控制充電。

根據對三個地影季分析，合理的在軌管理制度有益于延長氫鎳蓄電池組壽命，確保供電安全。為延長在軌衛星氫鎳蓄電池組的壽命，建議在軌管理采取如下措施：

(2)采用間斷涓流充電（二至點期間或地影期間），蓄電池壓力控制在4.0～4.6 MPa之間，把過充電量控制到最小。

[1]穆肯德·R·帕特爾.航天器電源系統[M].韓波，陳琦，崔曉婷，譯.北京：中國宇航出版社，2010.

[2]杜紅，劉震，曹俊，等.氫鎳蓄電池壽命影響分析及在軌充電控制技術研究[M].航天器工程，2011(1)：88-94.

Orbit performance analysis of Ni-Cd battery for space 80 Ah nickel-hydrogen battery

80 Ah Nickel-Hydrogen battery voltage and its decrease in orbit were showed,and the performance data of battery in orbit in three earth shadow seasons was analyzed.Compared with the data of ground test for battery life, good performances in orbit was showed.Also the advises of management of Ni-Cd battery in long life time were presented.

Nickel-Hydrogen battery;voltage;life test

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2141-03

2015-06-08

王男(1982—)，女，吉林省人，學士，主要研究方向為空間電源。