謝守韞，喬學(xué)榮

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384）

空間用鎘鎳蓄電池低軌道循環(huán)性能研究

謝守韞，喬學(xué)榮

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384）

比較了鎘鎳電池在不同環(huán)境溫度下的低軌道(LEO)循環(huán)性能，在低軌道衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命末期或故障模式下，衛(wèi)星電源分系統(tǒng)當(dāng)圈能量不平衡導(dǎo)致蓄電池組欠充電的情況下，比較了鎘鎳電池的LEO循環(huán)性能，以及不同循環(huán)制度對(duì)鎘鎳電池組在軌壽命的影響。

鎘鎳電池；低軌道；循環(huán)性能

鎘鎳全密封電池是20世紀(jì)60年代電源技術(shù)的重大成果，主要用于衛(wèi)星等空間飛行器。到目前為止我國(guó)發(fā)射的低軌道(LEO)衛(wèi)星絕大部分都采用鎘鎳電池作為儲(chǔ)能電源[1]。

電源分系統(tǒng)是衛(wèi)星的“心臟”，提供衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備、載荷設(shè)備所需的電能。作為化學(xué)儲(chǔ)能電源，鎘鎳電池在軌最佳工作溫度為0～10℃，通過(guò)加熱帶主動(dòng)加熱和衛(wèi)星上設(shè)計(jì)的散熱進(jìn)行溫度控制。若衛(wèi)星散熱通道受損，在軌蓄電池組溫度將不可避免地升高，縮短蓄電池組的工作壽命。本文基于兩個(gè)前提進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：（1）衛(wèi)星在軌運(yùn)行過(guò)程中電池內(nèi)阻增大或散熱通道受損，導(dǎo)致蓄電池組工作溫度升高[2]；（2）壽命末期太陽(yáng)電池陣輸出功率下降導(dǎo)致電池組當(dāng)圈充電不足。

鎘鎳電池的電化學(xué)性能與電池的工作溫度關(guān)系很大，電池的容量衰降和多數(shù)失效方式因升溫而加快。這是由于負(fù)極活性物質(zhì)（鎘）的溶解度隨溫度的升高而加快，并加速向負(fù)極板外側(cè)遷移，甚至?xí)w移到隔膜中，造成電池短路；溫度升高促使小晶粒溶解并形成大晶粒，使鎘電極活性降低。高溫也加速了鎳基板腐蝕和隔膜氧化，使電解液中碳酸鉀的含量增加，進(jìn)一步消耗氫氧化鎘，即消耗了過(guò)充電保護(hù)物質(zhì)，導(dǎo)致電池失效。鎳電極的析氣速度隨溫度升高而加速，析氣作用又降低了電池的充電效率，最終導(dǎo)致容量衰降和電池失效。另外，傳統(tǒng)的鎘鎳電池都采用有機(jī)隔膜（尼龍材料），隔膜降解的速度也與溫度有關(guān)，溫度越高，降解速度越快，溫度升高10℃，降解速度加快3倍[3]。有機(jī)隔膜降解生成的碳酸根與活性物質(zhì)反應(yīng)生成了不參加電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，消耗了活性物質(zhì)，使得電池容量降低。本文比較了不同環(huán)境溫度下鎘鎳電池的低軌道循環(huán)壽命。

目前國(guó)內(nèi)在軌運(yùn)行的低軌道衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為2～3年，多采用太陽(yáng)電池陣與鎘鎳電池組聯(lián)合供電的方式[1]，軌道周期為95～100min，地影時(shí)間為25～35min，蓄電池組放電深度()不大于30%。一般情況下，太陽(yáng)電池陣的總功率有5%～15%的冗余設(shè)計(jì)，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命末期（2.5～3年）其輸出功率損失20%～30%。屆時(shí)衛(wèi)星有可能出現(xiàn)當(dāng)圈能量不平衡的情況，即蓄電池組當(dāng)圈充電不足，此種情況下可采取調(diào)整星上載荷工作時(shí)間以及調(diào)姿、變軌等方式延長(zhǎng)衛(wèi)星的在軌壽命。本文討論了通過(guò)調(diào)整星上載荷的方式對(duì)衛(wèi)星在軌壽命的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

選擇3只額定容量為45Ah（04-6批，同批次產(chǎn)品應(yīng)用于XX-6衛(wèi)星）和11只額定容量為30Ah（04-7、05-4批，同批次產(chǎn)品應(yīng)用于XX-1B衛(wèi)星初樣、正樣）的鎘鎳電池作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，兩顆衛(wèi)星均在軌工作5年以上，狀態(tài)良好。鎘鎳電池在溫度箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將單體電池的溫度測(cè)量回路接入安捷倫數(shù)據(jù)采集板，電壓、電流等參數(shù)在與充放電設(shè)備連接的電腦中采集。測(cè)試狀態(tài)見(jiàn)圖1。

按標(biāo)準(zhǔn)的LEO制度進(jìn)行各溫度點(diǎn)下的循環(huán)壽命測(cè)試，蓄電池充電時(shí)間為60min，放電時(shí)間為35min。充電分兩階段進(jìn)行，采用電量計(jì)充電控制，充電終止電壓不高于1.52V。充放電電流根據(jù)放電深度進(jìn)行計(jì)算，選擇的充電電流應(yīng)滿(mǎn)足蓄電池當(dāng)圈能量平衡。

圖1 鎘鎳電池實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)放電終壓情況允許進(jìn)行充放比的調(diào)整。循環(huán)大于1000次或單體電池電壓低于1.0V時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后于(10±2)℃環(huán)境下測(cè)試該電池殘余容量（/5容量）。

充放電設(shè)備：Arbin/Digatron性能測(cè)試儀；數(shù)據(jù)采集器：Agilent 34970A；電熱鼓風(fēng)干燥箱：0～300℃；冰柜：－20～15℃；測(cè)溫電阻：Pt100。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎘鎳電池在不同放電深度不同環(huán)境溫度下的LEO循環(huán)性能

表1 0-1#鎘鎳電池30% DOD(5～10 ℃)LEO循環(huán)過(guò)程C/5容量測(cè)試

根據(jù)鎘鎳電池循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)容量衰降情況，在軌工作兩年后鎘鎳電池的實(shí)際放電深度為40%，在軌工作3年后其實(shí)際放電深度為50%。

該壽命實(shí)驗(yàn)開(kāi)始于2005年11月，電池編號(hào)為0-2#，共循環(huán)15529周，至14730周測(cè)試電池的放電終壓均大于1.1V，放電終壓集中于1.14～1.18V。圖2～圖4分別為30Ah電池于30、40、50℃環(huán)境溫度下40%LEO循環(huán)充放電終壓曲線。從圖中可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，放電終壓逐漸下降，當(dāng)環(huán)境溫度高于40℃時(shí)，放電終壓無(wú)法維持在某一電壓區(qū)域，而是呈明顯的下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖2 1-1#鎘鎳電池40%LEO循環(huán)充放電終壓曲線(30℃)

圖3 1-2#鎘鎳電池40%LEO循環(huán)充放電終壓曲線(40℃)

圖4 1-3#鎘鎳電池40%LEO循環(huán)充放電終壓曲線(50℃)

該壽命實(shí)驗(yàn)開(kāi)始于2011年2月，電池編號(hào)為0-3#，共循環(huán)9800周，至9652周測(cè)試電池的放電終壓均大于1.1V，放電終壓集中于1.13～1.18V。圖5、圖6分別為30Ah電池于30、40℃下50%LEO循環(huán)充放電終壓曲線。從圖中可以看出，電池放電深度達(dá)到50%時(shí)隨著環(huán)境溫度的升高，LEO循環(huán)壽命急劇縮短，30℃時(shí)小于700周，40℃時(shí)僅能維持42周。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

2.2 衛(wèi)星壽命末期或故障模式下鎘鎳電池的LEO循環(huán)性能

2.2.1功率損失20%不同環(huán)境溫度下的LEO循環(huán)壽命

一般情況下，由于衛(wèi)星的冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)太陽(yáng)電池陣的輸出功率損失小于20%時(shí)可以保持當(dāng)圈能量平衡，即不影響光照期對(duì)蓄電池組的供電；但在故障模式下，當(dāng)蓄電池組在星上的散熱通道受損導(dǎo)致蓄電池環(huán)境溫度上升，由于高溫環(huán)境下鎘鎳電池的充電效率下降，將影響蓄電池組電量的補(bǔ)充，導(dǎo)致當(dāng)圈能量不平衡，進(jìn)而加速蓄電池組的失效。

表2 鎘鎳電池不同環(huán)境溫度不同放電深度LEO循環(huán)性能測(cè)試

圖5 1-4#鎘鎳電池50%LEO循環(huán)充放電終壓曲線(30℃)

實(shí)驗(yàn)件為30Ah鎘鎳電池，分別在30、40、50℃環(huán)境溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，放電深度為30%。圖7～圖9為不同溫度下的LEO循環(huán)放電終壓曲線，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

2.2.2 功率損失30%不同環(huán)境溫度下的LEO循環(huán)壽命

當(dāng)太陽(yáng)電池陣的輸出功率損失在20%～30%時(shí)，可以通過(guò)地影期關(guān)閉負(fù)載的方式減小蓄電池組放出的電量，以保持當(dāng)圈能量平衡，必要情況下光照期也需適當(dāng)減少負(fù)載以保證對(duì)蓄電池組電量的補(bǔ)充。本節(jié)比較了兩種在軌循環(huán)制度對(duì)鎘鎳電池LEO循環(huán)壽命的影響。

圖6 1-5#鎘鎳電池50%LEO循環(huán)充放電終壓曲線(40℃)

圖7 2-1#鎘鎳電池LEO循環(huán)放電終壓曲線(30℃)

表3 鎘鎳電池不同環(huán)境溫度不同放電深度LEO循環(huán)性能測(cè)試

圖8 2-2#鎘鎳電池LEO循環(huán)放電終壓曲線(40℃)

圖9 2-3#鎘鎳電池LEO循環(huán)放電終壓曲線(50℃)

實(shí)驗(yàn)件分別在30、40、50℃環(huán)境溫度下進(jìn)行，測(cè)試制度詳見(jiàn)圖10。

圖10 LEO循環(huán)制度框圖

圖11～圖13分別為30Ah電池于30、40、50℃環(huán)境溫度下30%在A/B制度下LEO循環(huán)充放電終壓曲線。從圖中可以看出，在相同的環(huán)境溫度與欠充狀態(tài)下，與制度A相比，執(zhí)行制度B時(shí)電池的循環(huán)次數(shù)明顯增多。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

圖11 3-1#鎘鎳電池LEO循環(huán)充放電終壓曲線(30℃)

圖12 3-2#鎘鎳電池LEO循環(huán)充放電終壓曲線(40℃)

表4 鎘鎳電池不同環(huán)境溫度不同放電深度LEO循環(huán)性能測(cè)試

圖13 3-3#鎘鎳電池LEO循環(huán)充放電終壓曲線(50℃)

3 結(jié)論

（2）鎘鎳電池失效與其工作溫度有關(guān)，相同充放電制度下，鎘鎳電池的工作溫度越高其循環(huán)壽命越短。鎘鎳蓄電池組在軌的最佳工作溫度為5～10℃，當(dāng)環(huán)境溫度低于30℃，鎘鎳電池在實(shí)際放電深度小于40%時(shí)可充放電1000周以上，即可支持航天器在軌運(yùn)行70天以上；當(dāng)環(huán)境溫度高于50℃時(shí)，鎘鎳電池的失效速度明顯加快，實(shí)驗(yàn)電池在各實(shí)驗(yàn)制度（50℃下）充放電均小于340周，且電池的不可逆容量損失也明顯加大（即電池在正常工作環(huán)境下容量也無(wú)法恢復(fù)），由此表明高溫下循環(huán)對(duì)鎘鎳電池的工作壽命十分不利。

（3）太陽(yáng)電池陣輸出功率損失及在軌充放電制度對(duì)鎘鎳電池的循環(huán)壽命也有明顯的影響。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，若出現(xiàn)當(dāng)圈能量不平衡（蓄電池組欠充電）的情況應(yīng)使蓄電池組虧欠的電量及時(shí)得到補(bǔ)充，否則連續(xù)欠充狀態(tài)將導(dǎo)致蓄電池實(shí)際放電深度不斷增大。當(dāng)太陽(yáng)電池陣輸出功率損失達(dá)到30%時(shí)，連續(xù)3周欠充電（制度A）的實(shí)驗(yàn)電池的循環(huán)次數(shù)均小于200周；若欠充的電量能夠在下一循環(huán)得到補(bǔ)充（制度B），則實(shí)驗(yàn)電池的循環(huán)壽命可延長(zhǎng)數(shù)倍，可見(jiàn)及時(shí)補(bǔ)充虧欠電量有利于延長(zhǎng)蓄電池組的在軌壽命。

[1]徐福祥.衛(wèi)星工程[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2004：180-196.

[2]喬學(xué)榮，楊學(xué)毅，李垚.低軌道衛(wèi)星鎘鎳蓄電池組在軌性能分析[J].電源技術(shù)，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

謝守韞(1977—)，女，天津市人，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g用鎘鎳蓄電池。