基于三平模式測試發射技術的運載火箭箭上電池技術

謝巧 呂士銀 蔡森丹 王舒丹 孫佳東 呂寧萍

摘 要：本文基于三平模式測試發射技術，介紹了鋅銀蓄電池的特點，提出了鋰離子蓄電池技術，并結合國內外發展現狀，對鋰離子蓄電池單體技術、結構技術、加溫技術、在箭充電技術進行分析，研究了其技術優勢及需解決的關鍵技術難題。

關鍵詞：三平模式;鋅銀蓄電池;鋰離子蓄電池

1 概述

運載火箭的三平模式測試發射技術（即水平整體測試、水平整體星箭對接、水平整體運輸）具備快速發射和連續發射能力，是實現快速響應、高質量、高可靠的進入空間以完成空間任務的關鍵因素，將成為后續航天技術的發展趨勢[1]。

箭上電源是運載火箭中最為重要的部件之一，在飛行過程中為全箭提供電源，其電性能、結構性能、快速響應能力等特點將對三平模式測發技術產生重要影響，因此，如何滿足三平測發模式的使用需求，成為運載火箭電池必須研究的課題。本文基于三平模式測試發射技術，介紹鋅銀蓄電池的特點，提出鋰離子蓄電池技術，并針對國內外發展現狀，分析用于三平測發模式的鋰離子蓄電池關鍵技術研究。

2 鋅銀蓄電池

運載火箭箭上用鋅銀電池具有內阻小、放電功率大、電壓平穩、電性能穩定、使用安全可靠、比能量高、技術成熟等優點。箭上鋅銀蓄電池的關鍵技術主要有兩部分組成。一是電性能。對單體電池進行串并聯組裝成電池組，以滿足任務書規定的工作電壓、工作電流、工作時間等要求。二是結構性能，以保證單體電池組裝成電池組后在特定的環境下完成其供電任務[2]。產品出廠絕大多數是干荷態電狀態，在使用之前要加注電解液進行人工激活。為了便于人工激活，外殼和蓋做成可拆卸的。典型鋅銀蓄電池結構見圖1。

箭上鋅銀蓄電池激活后，在濕擱置過程中會產生氣體。在充電或放電后期，由于過充或者過放，也會產生大量的氣體（氫氣，氧氣）積聚在單體電池內部。為提高電池的可靠性，使用過程中需對電池進行消氫和排氣。

因此，現有箭上鋅銀蓄電池具有操作復雜、需重復安裝、循環壽命短、研制周期長、平臺電壓低、地面測試設備繁雜等缺點，不能滿足電源產品簡易操作、反復測試、無人值守在線充放電、快速發射、智能化、通用化等要求，延緩了運載火箭的三平測試發射技術的發展進程。

（1）側置電性能差

當箭上鋅銀蓄電池組在不同的側置姿態下進行較長時間的濕擱置時，電池單體內部析出的游離態強堿性電解液可能會從單體內漏出，造成電池組的絕緣性能下降，甚至會影響到箭上其它的設備。

當電池組在不同的姿態下對外供電，可能會造成電池組工作電壓降低、電池工作時間縮短、放電容量減小等問題。主要原因是在鋅銀電池工作過程中，在正極活性物質和電解液之間，負極活性物質和電解液之間，發生了電化學反應，電化學反應的速度決定了電池的功率特性。而當電池組偏離正向位置時，會引起電解液游離出極群組進入氣室位置，隨著電池組姿態偏離正向程度的增大，游離出的電解液量會增多。游離出的電解液越多，可發生電化學反應的電解液量就越少，造成單體電池內阻增大，工作電壓降低，至終止電壓時工作時間縮短，最終導致電池組性能不能滿足使用要求，尤其是在電池組大電流工作情況下或者電池組工作的后期更加明顯。

（2）靶場操作復雜

現有型號火箭發射周期一般為4周～6周，包括拆箱、電池干態檢查、電解液加注、預放電檢查、放電后維護等靶場操作流程。現有箭上電池的使用操作步驟已經難以滿足運載火箭的三平測試發射模式要求箭上鋅銀蓄電池必須具有的快速使用和簡易使用性能。

同時，復雜的和加注電解液過程也是影響運載火箭 “三平”測發技術實現的關鍵因素。產品出廠絕大多數是干荷電狀態，在使用之前要加注電解液進行人工激活，此過程不能在箭上實現。

（3）充電維護時間長

在現有箭上鋅銀電池的使用方面，快速充電維護成為制約箭上鋅銀蓄電池的快速使用和簡易使用性能的技術難點。

目前，箭上鋅銀蓄電池的充電制度均使用電池組額定容量的1/10C倍率進行充電，單體電池的終止電壓為2.05V，對電池組進行充電的時間至少需要10h。結合單體的一致性差異，預計單個電池組的充電時間超過15h。可見，現有的鋅銀電池充電維護方式，遠遠不能滿足運載火箭快速使用的要求，尚不具有簡易使用的特點。

（4）循環壽命較短

鋅銀蓄電池濕擱置壽命僅幾個月至一年多，因此，受限于鋅銀蓄電池的循環壽命，箭上鋅銀蓄電池組僅在發射場測試時參加有限次數總檢查，在地面測試時均采用地面電源進行箭上供電，由此帶來地面電源復雜、可測試性差、測試狀態轉換和測試覆蓋不夠真實的缺點。

3 鋰離子蓄電池

3.1鋰離子蓄電池特點

與鋅銀電池的性能比較，鋰離子電池在比能量、比功率、循環性能、荷電保持能力以及使用便利性等方面存在明顯的優勢。

1）比能量高，鋰離子電池單體的質量比能量可以達到200 Wh·kg-1，遠高于鋅銀電池單體的質量比能量30 Wh·kg-1～120 Wh·kg-1;

2）平均放電電壓高，鋰離子電池的平均放電電壓一般大于3.6V，是鋅銀電池平均放電電壓的2.5倍;

3）自放電率低，鋰離子電池在正常存放情況下的月自放電率小于5%;

4）功率型鋰離子電池可實現15C以上的倍率放電，甚至能夠滿足30C以上的脈沖放電，而鋅銀電池組倍率放電性能在10C左右;

5）循環壽命長，鋰離子電池在100%DOD充放電可達800周;

6）工作溫度范圍寬，鋰離子電池的工作溫度范圍可以達到-20oC～+60oC;

7）無記憶效應;

8）使用方便，與鋅銀電池相比，使用前不需要進行電解液加注，同時鋰離子電池還具有快速充電的特性，通常情況下可以以0.2C～0.5C倍率充電，而鋅銀電池以0.1C倍率充電。