空间用60 Ah氢镍蓄电池组性能

明文成，赵梁博

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.北京空间机电研究所，北京100094)

空间用60 Ah氢镍蓄电池组性能

明文成1，赵梁博2

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.北京空间机电研究所，北京100094)

简要介绍了空间用60 Ah氢镍蓄电池组的结构设计及结构组成，并对该蓄电池组进行了容量、过充电、过放电、高低温寿命等实验进行了测试。测试结果表明，该蓄电池组的设计和性能满足空间应用要求。

空间氢镍蓄电池组；结构设计；电性能

高压氢镍蓄电池是继镉镍蓄电池后的第二代空间贮能电源，正极为镉镍电池的镍电极，负极为燃料电池的铂电极，电解液为氢氧化钾溶液。充电时，由于负极产生的活性物质是氢气，所以，整个电池的极组被包含在密封的一个压力容器内[1-2]。

经过1976—1977的飞行实验后，氢镍蓄电池于1983开始服务于Intelsat V-B同步地球轨道通信卫星上。从此，氢镍蓄电池逐渐地取代了镉镍电池在空间的应用。1990年发射的哈勃望远镜是氢镍蓄电池第一次应用在低轨道上。目前，长寿命地球轨道卫星电源的贮能系统仍以氢镍蓄电池系列为主。

60 Ah氢镍蓄电池组是为北斗导航系统配套使用的储能电源，氢镍蓄电池组在卫星发射主动段、转移轨道和同步轨道地影区给卫星供电，同时为星上火工品及大电流脉冲负载供电。2012年底北斗区域卫星导航系统最终建成，形成区域导航服务能力。

本文主要就60 Ah氢镍蓄电池组的结构性能和电性能进行讨论。

1　电池组的构成

电池组由27只60 Ah氢镍蓄电池单体串联而成，分为A、B两个组件，A组件14只单体，B组件13只单体。氢镍蓄电池组外形图见图1，电池组的结构采用“铣空铝板-卡套-电池”的设计，提高电池组的抗振性能以及导热性能。在每只单体电池正负两极并联一只保护二极管，防止一只单体电池开路失效导致整个电池组失效。

图1　60 Ah氢镍蓄电池组的外形图

2　关键技术

2.1结构设计

60 Ah氢镍蓄电池单体为细长结构，单体电池直立安装时重心比较高，再加上电池容量大，发热量大，在电池组的结构设计时必须考虑抗力学性能以及散热性能。

采用EDS-IDEAS软件建立电池组的有限元结构模型，并对电池组进行模态分析、正弦响应分析和随机响应分析计算，从而求得电池组强度和质量的最优化关系。

电池组底板用15mm厚的铝合金铣空制造而成；卡套用铝合金管制造，卡套与单体电池粘贴好后，卡套安装到底板的卡槽内，再通过均布的四个安装孔，将电池-卡套与底板固定在一起。

2.2热设计

单体电池极组结构采用大中心孔、菠萝片结构设计，解决了φ90mm较高容量氢镍蓄电池的散热问题。电池在较高的充放电电流下，极组内部的径向温差减小，有利于电液均匀分布，较大延长了电池的使用寿命。

为满足电池组各单体之间的温度梯度要求，电池组由热控系统进行主动均衡加热控制，采用热管网络辐射器散热，减小电池单体间的温差；电池舱采用隔热设计，并强化电池组与舱内仪器的辐射换热。图2为电池组热控设计示意图。

图2　电池组热控设计示意图

通过蓄电池组真空状态下的热平衡、热真空实验来验证电池组及单体的热设计是否满足要求。图3为热平衡、热真空实验电池组温度曲线(北)，图4为热平衡、热真空实验电池组温度曲线(南)。蓄电池组在热平衡、热真空实验中的性能总结如下：

(1)地影放电期间，北电池组放电电流约33 A，放电容量约38.1 Ah，放电深度63.5%，电池组温度由－4℃升至8.2℃，电池组最低电压为33.33 V。

南电池组放电电流约26.8 A，放电容量约32.0 Ah，放电深度53.3%，电池组温度由－5.7℃升至3.4℃，电池组最低电压为34.13 V。

图3　热平衡、热真空实验电池组温度曲线(北)

图4　热平衡、热真空实验电池组温度曲线(南)

(2)光照期间，夏至时(同步轨道北板的高温工况)，北蓄电池组的温度最高为2.7℃，南蓄池组的温度在－6.0℃到－4.1℃之间；冬至时(同步轨道南板的高温工况)，北蓄电池组的温度在－6.0℃到－4.0℃之间，南蓄池组的温度最高为7.8℃。

60 Ah氢镍蓄电池组在模拟轨道工况和热真空温度循环条件下性能满足要求，证明氢镍单体电池的热设计、电池组的热设计和热控设计合理有效。

3　电性能

3.1不同温度下电池容量、压力、温度、自放电特性

通过氢镍蓄电池在不同温度下的容量实验可以看出(见表1)，随着环境温度的升高，电池放电容量呈先升后降趋势，尤其当温度高于15℃后，电池放电容量迅速下降。图5为不同温度下放电容量曲线当环境温度在－10～10℃之间时，电池的放电容量均在63 Ah以上，从表1结果可以看出，电池在－10～10℃之间具有较高的放电容量。

图5　不同温度下放电容量曲线

表1　不同温度下容量实验中电池放电容量值

由表2可知，在环境温度低于15℃时，电池充电结束压力随环境温度的升高而增加，这是由于在相对较低的温度下，电池的充电效率都较高。根据气体方程可知，电池内氢气压力与温度呈正比关系；但是当温度高于15℃时，充电效率下降，而且温度越高，充电效率越低，电池壳体内的氢气就越少，因此电池内的压力就逐渐减少。

表2　不同温度下充电结束压力数值

由表3可知，放电结束温度随着环境温度的升高而增加，当环境温度为25℃时，放电结束温度甚至可高达44.6℃，电池的温度过高，有可能使电池内部的隔膜等部件受到损坏，影响电池的放电容量，甚至寿命。电池放电过程中的温差在14～20℃之间波动。

表3　不同温度下放电结束电池温度值

由表4可知，电池的自放电率随温度迅速升高，－5℃时电池的3d自放电率为5%，而25℃时电池的3d自放电率高达38%。由表5可知，电池的自放电率随着搁置时间的延长逐渐增大，随着搁置时间的增加，电池自放电的变化率逐渐减小，这是由于电池的自放电率不但与搁置时间有关，同时还与荷电态有关。

表4　不同温度下3天自放电率

表5　20 ℃下搁置不同时间自放电率

3.2过充电特性

图6为60 Ah氢镍蓄电池过充电曲线，实验过程中以6.6 A持续对电池进行充电。从图可以看出，当电池容量充电至75 Ah左右的时候，电池的电压开始下降，电池温度迅速上升，此时电池出现明显的过充电现象。当过充电时，电池正极产生的氧气与负极产生的氢气在催化剂的作用下发生如下反应：

图6　60 Ah氢镍蓄电池过充电实验曲线

过充电时由于氢、氧复合放出大量的热，导致电池温度迅速上升，实验停止时，电池温度已经达到近46℃。电池压力在过充电初期继续上升，后来逐渐保持不变，这可能是由于初期过充电时，产生的氢气和氧气不能全部迅速复合，因此电池内压力有所增加；另一方面，电池温度的快速上升也会使电池压力增加。但到过充电后期，氢气、氧气产生及复合的速度以及温度的上升达到了一个平衡，所以压力保持一个相对稳定的状态。

3.3过放电特性实验

图7为60 Ah氢镍蓄电池过放电曲线。从图中可以看出，电池在过放电过程中，电池电压保持在－0.2 V左右，电池温度持续上升，电池压力先逐渐下降，之后就基本保持在短路恢复水平。氢镍蓄电池在过放电时发生如下反应：

由式(2)、(3)反应可以看出，电池内净物质没有发生变化。

图7　60 Ah氢镍蓄电池过放电曲线

3.4大电流放电特性

60 Ah氢镍蓄电池在200 A下的高倍率放电性能见图8。可以看出，放电曲线非常平坦，放电电压几乎一直保持在0.95 V。电池的内阻为1.5 mΩ，因此电池的电压降约为300 mV(1.5 mΩ×200 A＝300 mV)。

图8　60 Ah氢镍蓄电池在200 A下的放电曲线

图9为电池组的充放电曲线，当放电速率为C/2时，电池组中单体电池的放电中点电压为1.25～1.30 V。空间用IPV氢镍蓄电池并不适于高倍率放电，而适于在C/2～C/1.5倍率下放电，此时获得的比能量最高。若增大放电倍率，电池内阻造成的电压降将显著增大。

图9　60 Ah氢镍蓄电池组的充放电曲线(27只串联，放电倍率：C/2)

3.5脉冲测试

对60 Ah氢镍蓄电池组加载脉冲电流25 A、脉宽100 ms的脉冲负载，蓄电池组的电压曲线见图10，放电最低电压为34.00 V，满足星上火工品及大电流脉冲负载供电要求(最低电压不小于28 V)。

图10　60 Ah氢镍蓄电池组25 A脉冲100 ms曲线

3.6寿命特性

用于寿命实验的组件由5只额定容量为60 Ah氢镍蓄电池串联而成，监测组件电池的电流、电压、压力、温度及环境温度参数。寿命实验样品共2组(见图11)。表6为寿命实验制度。

图11　寿命实验组件(2个组件)

表6　寿命实验制度

图12为60 Ah电池组件在－10℃下寿命循环曲线，组件在3 849次寿命循环过程中，充电结束温度在－14℃左右，放电结束温度在2℃左右，温度变化平稳。寿命前期充电结束电压在1.52 V左右，放电结束电压在1.20 V左右；寿命末期充电结束电压在1.60 V左右，放电结束电压基本稳定保持在1.15 V左右。寿命实验期间，电池的放电容量呈逐渐下降趋势，但放电电压平台相对稳定。充放电结束时电池温度变化保持稳定，说明电池热平衡状态良好，电池电性能无明显衰降现象。

图12　60 Ah电池组件－10℃下寿命循环曲线

寿命循环前，60 Ah电池组件在－10℃下容量为62.00 Ah，寿命循环1 120次后，该组件容量为60.00 Ah，寿命循环3 050次后，该组件容量为58.60 Ah，容量衰降为5.5%。虽然该电池组件容量有所衰降，从图12可以看出，对其寿命循环性能影响不大。

图13为60 Ah电池组件25℃极端温度下寿命循环曲线，从图中可以看出，在前550次循环过程中，充电结束电压在1.47 V左右；放电过程中，电压逐渐下降。充电结束温度保持在25℃左右，放电结束温度在42℃左右。寿命循环至500次左右时，放电电压下降加速，继续循环至550次左右时，单体放电电压跌至0.8 V左右，电池由于性能下降，充放电效率降低，充放电结束温度均明显升高，可达44℃，由于电池单体电压跌至0.8 V，暂时停止寿命实验。电池循环550次左右后性能下降，可能主要是由于电池在高温下电液回流性能较差。另外，在高温下，电池的隔膜易发生老化现象，电池充电易发生过充电等所致。将电池开路搁置30天后，进行一次容量测试，寿命循环测试前组件容量为61.5 Ah，550寿命测试后容量为57.0 Ah，容量衰降为7.30%。

图13　60 Ah电池组件25℃下寿命循环曲线

550次寿命测试后，将电池开路搁置30天，继续按寿命实验制度进行寿命循环。在这之后的寿命循环过程中，充电结束电压保持在1.49 V左右，放电结束电压呈下降趋势，累计循环至710次左右时，电池电压跌落至1.03 V。由上面实验结果可以看出，60 Ah氢镍蓄电池在25℃下可进行寿命循环500次左右，超过500次寿命循环后，电池电性能迅速衰降；电池经长期搁置后，电池电性能虽略有恢复，但寿命循环过程中电性能衰降仍很明显。

4　达到的技术指标

额定容量：60 Ah；实测容量：65 Ah；工作电压：33.75 V(27只串联)；外形尺寸：518mm×290mm×237mm(A/B组件)；质量：47.5 kg(A+B组件)；设计寿命：8年；比能量：47.0 Wh/kg (电池组)；体积比能量：31.3 Wh/L。

5　结束语

空间用60 Ah氢镍蓄电池组采用“铣空铝板-卡套-电池”的结构设计，并贴有加热带实行主动温控，经过热平衡、热真空实验、力学实验、电性能检验和寿命实验证明全面满足工程使用要求。

空间用60 Ah氢镍蓄电池组应用于北斗二号导航系统，为北斗二号导航卫星区域组网做出了贡献，而且为后继型号的工程应用提供借鉴，提高了我国空间储能电源的研制水平，社会效益、经济效益显著。

[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，工程师，主要研究方向为空间飞行器储能电源。