空间用镉镍蓄电池低轨道循环性能研究

谢守韫，乔学荣

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384）

空间用镉镍蓄电池低轨道循环性能研究

谢守韫，乔学荣

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384）

比较了镉镍电池在不同环境温度下的低轨道(LEO)循环性能，在低轨道卫星设计寿命末期或故障模式下，卫星电源分系统当圈能量不平衡导致蓄电池组欠充电的情况下，比较了镉镍电池的LEO循环性能，以及不同循环制度对镉镍电池组在轨寿命的影响。

镉镍电池；低轨道；循环性能

镉镍全密封电池是20世纪60年代电源技术的重大成果，主要用于卫星等空间飞行器。到目前为止我国发射的低轨道(LEO)卫星绝大部分都采用镉镍电池作为储能电源[1]。

电源分系统是卫星的“心脏”，提供卫星平台设备、载荷设备所需的电能。作为化学储能电源，镉镍电池在轨最佳工作温度为0～10℃，通过加热带主动加热和卫星上设计的散热进行温度控制。若卫星散热通道受损，在轨蓄电池组温度将不可避免地升高，缩短蓄电池组的工作寿命。本文基于两个前提进行实验：（1）卫星在轨运行过程中电池内阻增大或散热通道受损，导致蓄电池组工作温度升高[2]；（2）寿命末期太阳电池阵输出功率下降导致电池组当圈充电不足。

镉镍电池的电化学性能与电池的工作温度关系很大，电池的容量衰降和多数失效方式因升温而加快。这是由于负极活性物质（镉）的溶解度随温度的升高而加快，并加速向负极板外侧迁移，甚至会迁移到隔膜中，造成电池短路；温度升高促使小晶粒溶解并形成大晶粒，使镉电极活性降低。高温也加速了镍基板腐蚀和隔膜氧化，使电解液中碳酸钾的含量增加，进一步消耗氢氧化镉，即消耗了过充电保护物质，导致电池失效。镍电极的析气速度随温度升高而加速，析气作用又降低了电池的充电效率，最终导致容量衰降和电池失效。另外，传统的镉镍电池都采用有机隔膜（尼龙材料），隔膜降解的速度也与温度有关，温度越高，降解速度越快，温度升高10℃，降解速度加快3倍[3]。有机隔膜降解生成的碳酸根与活性物质反应生成了不参加电化学反应的物质，消耗了活性物质，使得电池容量降低。本文比较了不同环境温度下镉镍电池的低轨道循环寿命。

目前国内在轨运行的低轨道卫星的设计寿命为2～3年，多采用太阳电池阵与镉镍电池组联合供电的方式[1]，轨道周期为95～100min，地影时间为25～35min，蓄电池组放电深度()不大于30%。一般情况下，太阳电池阵的总功率有5%～15%的冗余设计，卫星设计寿命末期（2.5～3年）其输出功率损失20%～30%。届时卫星有可能出现当圈能量不平衡的情况，即蓄电池组当圈充电不足，此种情况下可采取调整星上载荷工作时间以及调姿、变轨等方式延长卫星的在轨寿命。本文讨论了通过调整星上载荷的方式对卫星在轨寿命的影响。

1 实验

选择3只额定容量为45Ah（04-6批，同批次产品应用于XX-6卫星）和11只额定容量为30Ah（04-7、05-4批，同批次产品应用于XX-1B卫星初样、正样）的镉镍电池作为实验对象，两颗卫星均在轨工作5年以上，状态良好。镉镍电池在温度箱中进行实验，将单体电池的温度测量回路接入安捷伦数据采集板，电压、电流等参数在与充放电设备连接的电脑中采集。测试状态见图1。

按标准的LEO制度进行各温度点下的循环寿命测试，蓄电池充电时间为60min，放电时间为35min。充电分两阶段进行，采用电量计充电控制，充电终止电压不高于1.52V。充放电电流根据放电深度进行计算，选择的充电电流应满足蓄电池当圈能量平衡。

图1 镉镍电池实验示意图

实验过程中根据放电终压情况允许进行充放比的调整。循环大于1000次或单体电池电压低于1.0V时结束实验。实验结束后于(10±2)℃环境下测试该电池残余容量（/5容量）。

充放电设备：Arbin/Digatron性能测试仪；数据采集器：Agilent 34970A；电热鼓风干燥箱：0～300℃；冰柜：－20～15℃；测温电阻：Pt100。

2 结果与讨论

2.1 镉镍电池在不同放电深度不同环境温度下的LEO循环性能

表1 0-1#镉镍电池30% DOD(5～10 ℃)LEO循环过程C/5容量测试

根据镉镍电池循环寿命实验容量衰降情况，在轨工作两年后镉镍电池的实际放电深度为40%，在轨工作3年后其实际放电深度为50%。

该寿命实验开始于2005年11月，电池编号为0-2#，共循环15529周，至14730周测试电池的放电终压均大于1.1V，放电终压集中于1.14～1.18V。图2～图4分别为30Ah电池于30、40、50℃环境温度下40%LEO循环充放电终压曲线。从图中可以看出，随着环境温度的升高，放电终压逐渐下降，当环境温度高于40℃时，放电终压无法维持在某一电压区域，而是呈明显的下降趋势。实验数据见表2。

图2 1-1#镉镍电池40%LEO循环充放电终压曲线(30℃)

图3 1-2#镉镍电池40%LEO循环充放电终压曲线(40℃)

图4 1-3#镉镍电池40%LEO循环充放电终压曲线(50℃)

该寿命实验开始于2011年2月，电池编号为0-3#，共循环9800周，至9652周测试电池的放电终压均大于1.1V，放电终压集中于1.13～1.18V。图5、图6分别为30Ah电池于30、40℃下50%LEO循环充放电终压曲线。从图中可以看出，电池放电深度达到50%时随着环境温度的升高，LEO循环寿命急剧缩短，30℃时小于700周，40℃时仅能维持42周。实验数据见表2。

2.2 卫星寿命末期或故障模式下镉镍电池的LEO循环性能

2.2.1功率损失20%不同环境温度下的LEO循环寿命

一般情况下，由于卫星的冗余设计，当太阳电池阵的输出功率损失小于20%时可以保持当圈能量平衡，即不影响光照期对蓄电池组的供电；但在故障模式下，当蓄电池组在星上的散热通道受损导致蓄电池环境温度上升，由于高温环境下镉镍电池的充电效率下降，将影响蓄电池组电量的补充，导致当圈能量不平衡，进而加速蓄电池组的失效。

表2 镉镍电池不同环境温度不同放电深度LEO循环性能测试

图5 1-4#镉镍电池50%LEO循环充放电终压曲线(30℃)

实验件为30Ah镉镍电池，分别在30、40、50℃环境温度下进行实验，放电深度为30%。图7～图9为不同温度下的LEO循环放电终压曲线，实验数据见表3。

2.2.2 功率损失30%不同环境温度下的LEO循环寿命

当太阳电池阵的输出功率损失在20%～30%时，可以通过地影期关闭负载的方式减小蓄电池组放出的电量，以保持当圈能量平衡，必要情况下光照期也需适当减少负载以保证对蓄电池组电量的补充。本节比较了两种在轨循环制度对镉镍电池LEO循环寿命的影响。

图6 1-5#镉镍电池50%LEO循环充放电终压曲线(40℃)

图7 2-1#镉镍电池LEO循环放电终压曲线(30℃)

表3 镉镍电池不同环境温度不同放电深度LEO循环性能测试

图8 2-2#镉镍电池LEO循环放电终压曲线(40℃)

图9 2-3#镉镍电池LEO循环放电终压曲线(50℃)

实验件分别在30、40、50℃环境温度下进行，测试制度详见图10。

图10 LEO循环制度框图

图11～图13分别为30Ah电池于30、40、50℃环境温度下30%在A/B制度下LEO循环充放电终压曲线。从图中可以看出，在相同的环境温度与欠充状态下，与制度A相比，执行制度B时电池的循环次数明显增多。实验数据见表4。

图11 3-1#镉镍电池LEO循环充放电终压曲线(30℃)

图12 3-2#镉镍电池LEO循环充放电终压曲线(40℃)

表4 镉镍电池不同环境温度不同放电深度LEO循环性能测试

图13 3-3#镉镍电池LEO循环充放电终压曲线(50℃)

3 结论

（2）镉镍电池失效与其工作温度有关，相同充放电制度下，镉镍电池的工作温度越高其循环寿命越短。镉镍蓄电池组在轨的最佳工作温度为5～10℃，当环境温度低于30℃，镉镍电池在实际放电深度小于40%时可充放电1000周以上，即可支持航天器在轨运行70天以上；当环境温度高于50℃时，镉镍电池的失效速度明显加快，实验电池在各实验制度（50℃下）充放电均小于340周，且电池的不可逆容量损失也明显加大（即电池在正常工作环境下容量也无法恢复），由此表明高温下循环对镉镍电池的工作寿命十分不利。

（3）太阳电池阵输出功率损失及在轨充放电制度对镉镍电池的循环寿命也有明显的影响。卫星在轨运行时，若出现当圈能量不平衡（蓄电池组欠充电）的情况应使蓄电池组亏欠的电量及时得到补充，否则连续欠充状态将导致蓄电池实际放电深度不断增大。当太阳电池阵输出功率损失达到30%时，连续3周欠充电（制度A）的实验电池的循环次数均小于200周；若欠充的电量能够在下一循环得到补充（制度B），则实验电池的循环寿命可延长数倍，可见及时补充亏欠电量有利于延长蓄电池组的在轨寿命。

[1]徐福祥.卫星工程[M].北京：中国宇航出版社，2004：180-196.

[2]乔学荣，杨学毅，李垚.低轨道卫星镉镍蓄电池组在轨性能分析[J].电源技术，2009，33(12)：1101-1103.

[3]LEWIS H,HWANG W,MICHELLE M,et al.Historical performance of nickel/cadmium and nickel/metalhydride geosynchronous-orbit packs and determination of voltage/temperature levels for advanced nickel/cadmium designs[J].Journal of Power Sources,2004,136:307-316.

Low earth orbit cycle life performance of Cd/Ni spacecraft battery

XIE Shou-yun,QIAO Xue-rong

The LEO cycle life performance of Cd/Ni batteries in differentmodes,such as in different temperature,was investigated.In the end of cycle life or in the failedmode as well as in(state of charge)deficiency due to unbalanced energy,the cycle life performance was investigated.On the otherhand,the different cyclemethods effect on cycle life on orbit of Cd/Ni batteries were compared.

Cd/Ni spacecraft battery;LEO;cycle life

TM 912

A

1002-087 X(2014)10-1843-05

2014-04-01

谢守韫(1977—)，女，天津市人，工程师，主要研究方向为空间用镉镍蓄电池。