航天器用氢镍蓄电池钝化技术研究

乔 明，陈 琦，曾 毅，李小飞

（北京空间飞行器总体设计部，北京100094）

0 引言

空间碎片的激增对航天器的飞行安全造成了威胁，已成为一个引人瞩目的环境问题[1]。由于空间碎片滞留轨道时间较长，碎片之间相互碰撞或爆炸又产生新的、体积更小的空间碎片，从而加大了对空间飞行器特别是载人航天器的潜在危害。无论是GEO还是LEO飞行器，其蓄电池的爆炸是空间碎片产生的重要原因之一。目前有效的减缓措施是对寿命末期航天器的蓄电池组进行钝化处理。

1 氢镍蓄电池爆炸机理分析

密封的氢镍蓄电池的性能主要取决于自身的电极反应。氢镍蓄电池工作状态可分为三种：正常工作状态，过充电状态和过放电（反极）状态。在不同工作状态下电池内部发生的电化学反应是不同的。

氢镍蓄电池负极活性物质是氢气，其在充电时而在放电时消耗，因此电池内气体压力与带电状态（容量状态）有直接联系。如果充电是恒电流，则气体压力随充电时间线性地变化。图1清楚地显示了电池这种特点。曲线表明：充电过程中气体压力增加，过充电开始时压力有个上升阶段，然后趋于平稳。究其原因是过充电所产生的氧气在催化电极上能与氢气复合，当产生气体的速率与气体复合的速率相等时，气体压力为一稳定值。开路贮存阶段，电池的自放电使内部气体压力下降。在放电过程中，气体压力继续下降；而在过放电阶段，气体压力仍能维持在一个稳定值，这是由于在镍电极上产生的氢气在氢电极上继续消耗。

图1 氢镍电池内部压力随充放电时间的变化Fig.1 The pressure inside hydrogen-nickel batteries varying with charging and discharging times

在电池充电和放电过程中，氢气最大压力不超过6 MPa。目前壳体设计的安全系数在2.5左右，即壳体能承受15 MPa的压力。当氢镍电池实际运行中，氢气压力大于此值时，就有可能导致壳体爆炸失效。

1.1 正常条件下爆炸可能性

氢镍电池正常充放电时，其反应式为[2-3]

可见，在正常工作状态下，正极（氧化镍）电极发生的电化学反应与镉镍电池正极所发生的电化学反应相同。负极（氢电极）发生的电化学反应与燃料电池负极所发生的反应相同：放电时氢气与氧气反应生成水；充电时水被电解，又生成了氢气。压力不会超过其设计最大压力值，因而不会导致壳体爆炸失效。

1.2 非正常条件下爆炸可能性

1.2.1 过充电[3-6]

当充电进行到正电极的氢氧化镍向氧化镍的转化已经完成时，正极的反应过程为

反应结果是氧气在正极界面析出，电池进入过充电状态。

在过充电状态下负极继续进行氢气阴极析出的过程，电极反应式为

因此，过充电过程的总反应为

因为负极本身为铂黑催化电极，因此正极界面析出的氧气能够在负极的铂催化剂表面迅速地和等当量的氢气化学复合生成水。复合反应的速度非常快，即使在过充电速率很高情况下产生的氧气几乎都能及时复合。对电池内部气体成分分析结果表明氧气分压低于1%。但氢氧复合后会释放出大量的热，导致氢镍电池温度升高。

若蓄电池组温控系统运行良好，及时将复合热量导走，将不会导致气体压力的上升。即在一定的温控措施下，氢镍电池具有相当的耐过充电能力，因此过充电工作条件下不会发生爆炸。

1.2.2 过放电

氢镍电池的过放电有两种情况：负极预充和正极预充。

对于负极预充的情况（针对镍电极），当放电进行到正极的氧化镍阴极还原成氢氧化镍的过程结束时，氢气将在正极界面开始析出，电池进入过放电状态，其反应式为

总反应无净产物生成。可见，在过放电状态下负极依然进行氢气催化氧化生成水的过程，正极产生的氢气能够等当量地在负极消耗掉，电池内部不会发生因氢气积累而造成的内部压力升高，即不会发生爆炸。

对于正极预充的电池，在过放电初期，电池内的氢气被消耗光，氧气在氢电极产生。随着过放电的进行，这些氧气与正极上析出的氢气复合生成水，使电池内气体量保持恒定，因此正极预充的氢镍蓄电池过放电也不会发生爆炸。

2 氢镍蓄电池爆炸试验验证

2.1 过充电试验

试验条件：对用4 A的电流已充电16 h的电池进行过充电试验；环境温度20 ℃。采用不同的过充电流（即0.4C倍率和0.2C倍率）过充168 h，期间记录电池的温度、内压变化情况，结果如图2、图3所示。

图2 40 Ah氢镍电池0.4 C过充电时内压和温度变化时内压和温度变化Fig.2 Variation of inner pressure and temperature for 40 Ah battery overcharge in 0.4 C

图3 40 Ah氢镍电池0.2 C过充电Fig.3 Variation of inner pressure and temperature for 40 Ah battery overcharge in 0.2 C

以0.4C倍率充电时，电池内压开始时呈线性增长，在60 h后达到稳定值，为5.7 MPa左右；电池温度开始时上升，20 h附近达到最大值后随即下降，到最低点后又略有升高，但总体在23 ℃以下。

以0.2C倍率充电时，电池内压和温度的变化规律与0.4C倍率充电的情形相同。50 h后，电池内压达到稳定值，为5.1 MPa左右；温度经历先上升再下降的过程后达到稳定值20 ℃左右。

2.2 过放电试验

试验条件：以4 A电流对电池充电16 h，停0.5 h；以20 A电流放电至1.0 V，1 Ω电阻短接16 h；测试环境温度20 ℃。期间记录电池的电压、内压和温度变化情况，结果如图4、图5所示。

从图4可以看出，充电开始时电池温度略有下降，之后又略有上升，这与电池的充电是个吸热反应过程有关；16 h后开始放电，电池温度急剧上升，放电结束后达到35 ℃左右，其原因是氢镍电池放电是个放热过程；放电结束后电阻短接的过程温度下降，16 h后电池温度降到与环境温度相一致，此时电池电压约为0 V。由图5可知，电池内压随充电时间呈线性上升又随放电时间呈线性下降，在电阻短接超过10 h后，电池内压低于0.5 MPa。

图4 40 Ah氢镍电池过放电电压和温度的变化情况Fig.4 40 Ah battery voltage and temperature during over-discharge

图5 40 Ah 氢镍电池过放电电压和内压的变化情况Fig.5 40 Ah battery voltage and inner pressure during over-discharge

氢镍电池在以2 A过放电到反极情况下，气体压力仍能维持在一个稳定值，这是由于在镍电极上产生的氢气在氢电极上继续消耗所致。

2.3 高压气爆试验

气爆试验条件：采用设计压力为5 MPa的40 Ah氢镍电池；环境温度20 ℃；采用高压气体缓慢加压，加压速率为1 MPa/min左右；壳体的设计压力为15 MPa，实际爆破压力达到23.5 MPa，安全系数在3.0以上。气爆试验发生爆裂的部位均为焊接处，图6为爆破后电池壳体裂开的一块小裂片。

图6 氢镍蓄电池发生气爆Fig.6 The gas explosion of hydrogen-nickel battery

高压气爆对电池壳体的损害比液爆显著。这是由于使容器内气体介质上升到较高压力，必须对介质做一定的功，功以内能的形式储存在介质中。一旦容器破裂，器内压力瞬间降回到大气压力，储存在介质中的能量被释放出来。

3 氢镍蓄电池组安全性设计

电池组安全性设计主要考虑的因素有：保证单体性能的一致性，防止成组后出现单体性能匹配的差异；保证蓄电池组自身热设计及其热控制的可靠性，防止热失控现象发生；保证良好的充电控制，防止过充电导致的电池性能下降及温度的上升。

3.1 电池组单体筛选

对单体性能的一致性要求很高。从基片设计到电池装配均要进行严格控制，防止任何内部短路隐患的存在。为了提高电池单体的一致性，电极基片的制备尽量选用同一批次，将性能相近的基片组装到同一单体。再从若干单体中选取容量和自放电率与放电平台相当的单体组装成蓄电池组，以杜绝性能不匹配的蓄电池组的产生。

3.2 电池组温度控制

氢镍蓄电池组的工作特性与温度密切相关，其适宜的工作温度范围为0～15 ℃，单体电池内温差应不大于7 ℃，同组内各电池单体间温差应不大于3 ℃，两组之间的温差应不大于5 ℃。温度过高，氢镍蓄电池充放电性能变差。

安装在卫星舱内的蓄电池组采用冷板温控方式，确保其工作在合理的温度范围内。为减少舱内环境和安装对电池组的热影响，采取以下措施：减小蓄电池组结构表面发射率（≤0.2）；提高安装面的平面度（100 mm×100 mm： 0.1 mm）和降低其粗糙度（≤3.2 μm）。

3.3 充电控制

氢镍电池充电控制方式以氢气压力控制为主、安时计控制为辅，再加上过温过压保护。充电控制采用软、硬件相结合的技术实现模式。电源下位机通过软件实现对氢压控制、安时计控制和过温过压保护；在应急情况下，采用硬件电路对氢压进行控制。该模式控制准确，可靠性高。

4 氢镍蓄电池钝化装置及消能试验

4.1 钝化装置

为防止氢镍蓄电池在任务末期解体，通常采用对其消能处理的钝化设计。为实现蓄电池钝化，研制了一台氢镍蓄电池钝化装置。该装置的控制电路由电压检测电路、比较电路、驱动电路和控制单元等组成，其控制原理如图7所示。在控制单元电路设计中采用了磁保持继电器作开关，并且实行串联。

图7 氢镍蓄电池钝化电路原理Fig.7 The principle of passivation circuit for hydrogen-nickel battery

当航天器处于正常工作情况下，继电器均处于断开状态，放电电路不工作。卫星寿命末期，通过遥控指令连通放电电路磁保持继电器，蓄电池组通过放电电阻进行放电。

经过钝化消能的蓄电池组内部已经没有电能了，且由于电阻一直放置在单体电池上，蓄电池也不会发生过充、过放电等情况，此时蓄电池的电压均为0 V，不会发生爆炸危险。

4.2 钝化消能试验

钝化装置电装调试完成后，与蓄电池组进行了联试，硬件测试平台如图8所示。

图8 氢镍蓄电池钝化测试平台Fig.8 The passivation test platform for hydrogen-nickel battery

钝化装置与氢镍蓄电池组按照常压温度循环试验钝化要求一起放置于高低温试验箱内，进行高低温循环测试。

测试结果表明，钝化装置在常压温度循环试验下工作正常、性能稳定。表1所示的是氢镍蓄电池组在低温（-20 ℃）条件下钝化试验电压测试数据，截止电压为0.424 V；电压测试曲线如图9(a)所示，表2是在高温条件下钝化试验电压测试数据，截止电压为0.425 V，电压测试曲线如图9(b)所示。

表1 镍氢蓄电池组低温钝化试验电压测试数据（-20 ℃）Table 1 Results of measured voltage for the passivation test of hydrogen-nickel battery at -20 ℃

表2 镍氢蓄电池组高温钝化试验电压测试数据（55 ℃）Table 2 The measured voltage in the passivation test of hydrogen-nickel battery at 55 ℃

图9 氢镍蓄电池组不同温度下钝化电压测试曲线Fig.9 The voltage curve of various temperature passivation test for hydrogen-nickel battery

从试验结果可以看出，钝化装置在常压温度循环试验下工作正常、参数稳定、无异常现象，各项性能参数均能基本保持一致，能够实现氢镍蓄电池组钝化。

5 结束语

本文对航天器常用的氢镍蓄电池钝化技术进行了研究。通过对蓄电池爆炸机理分析和爆炸试验验证，认为在温控措施合理的情况下，氢镍蓄电池在过充电和过放电时不会发生爆炸。采用自主设计的钝化装置与氢镍蓄电池组进行了联合钝化试验，所取得的成果可为未来航天器的设计提供借鉴。

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