天宮一號目標飛行器氫鎳蓄電池內部溫度場仿真分析與驗證

馬麗萍,袁怒安,張 璟,楊 廣,張 平

(上海空間電源研究所,上海 200245)

0 引言

航天器用高壓氫鎳電池具有質量比能量高、工作壽命長、耐過充過放等優點,并可通過氫壓指示電池荷電程度[1]。20世紀70年代,美國、俄羅斯和法國等開展了氫鎳電池的研制,目前氫鎳電池已廣泛用于衛星、空間站等領域,如美國的高軌衛星幾乎全部使用氫鎳電池,低軌道從哈勃衛星開始也在逐步大量使用。我國在20世紀80年代開始高壓氫鎳電池的研究,目前已用于部分型號[2]。氫鎳蓄電池的結構特點決定其熱傳導路徑較長,電池內部溫度差異大。由氫鎳電池的工作原理可知,電池極堆是電池的發熱體,在充電末期和放電過程中會釋出熱量,這會導致電池極堆部分溫度高,上下殼體溫度低,單體電池出現溫差。該溫差過大時可導致水蒸氣在溫度較低的電池殼壁上凝結[3-4]。為維持電池殼體內水蒸氣壓的平衡,水分不斷從電極堆內蒸發出,導致電極堆干涸,縮短氫鎳蓄電池的使用壽命。因此,須將單體電池內部溫差控制在合理范圍。

本文對氫鎳蓄電池內部溫度場熱仿真模型建立進行了研究,并將仿真結果與實測值對比以驗證熱仿真模型的合理性,再用經驗證的仿真模型對TG-1目標飛行器用氫鎳蓄電池的熱設計進行優化。

1 高壓氫鎳電池結構組成及熱效應

高壓氫鎳蓄電池主要由鎳電極、氫電極、隔膜、擴散網、電解液、電堆結構件和殼體組成,其單體結構及其內部電池電堆結構如圖1所示。

圖1 氫鎳電池示意Fig.1 Sketch of Ni-H2cell

氫鎳蓄電池熱量來源主要包括可逆熱效應、極化熱、過充電過程中的氫氧復合熱。國外對氫鎳電池的熱效應進行了大量研究[5-6]。充、放電過程的總熱生成速率可分別表示為

式中：V為電池腔體的體積;I為電池的總電流;E為電池電壓;ΔHa為充電過程總反應的焓值,且ΔHa=145.50 k J/mol;η為充電時的電流效率;t為時間;P為電池腔內的壓力;Q為產生的熱量;F為法拉第常數;n為電化學反應得失電子數;ΔHa/(ηF)=1.508 V。只需獲知氫鎳蓄電池在工作過程中的充放電電流、充放電電壓和充電效率,即可算得發熱量。

2 氫鎳蓄電池熱仿真模型建立

為更接近實際產品,提高熱仿真分析結果的可靠性,仿真時采用三維(3D)模型。氫鎳蓄電池單體的3D模型零件多,結構復雜。在對結構進行簡化處理后,建立3D模型及仿真計算網格如圖2所示。電堆中的鎳電極為熱源體,為保證計算精度對其作局部加密處理。

氫鎳蓄電池內的熱傳遞包括傳導、輻射、壓力容器內氫氣的自然對流換熱及多孔介質內氫氣生成與吸收時的強迫對流換熱。研究表明,傳導在鎳氫電池內的傳熱中為主導因素,故本文熱仿真主要分析傳導散熱,不考慮輻射和對流。

圖2 氫鎳蓄電池熱仿真計算3D模型及仿真計算網格Fig.2 3D model and grid diagram of Ni-H2cell for thermal simulation

3 仿真與試驗結果分析

3.1 氫鎳蓄電池內部溫度分布仿真結果

仿真邊界條件與氫鎳蓄電池進行發熱量測試的邊界條件相同,即真空絕熱狀態,環境溫度-5℃、電池以23 A放電至1.0 V。初始溫度(270±0.3)K時氫鎳蓄電池絕熱放電過程中放電電壓U如圖3所示。將該電壓代入式(2)即可得電池在放電過程中的瞬時發熱量。

圖3 氫鎳蓄電池電壓隨放電時間變化的實驗數據曲線Fig.3 Variation of voltage with discharge time for Ni-H2cell

氫鎳蓄電池不同放電時間的熱仿真溫度分布如圖4、5所示。可見,由于正負極片、隔膜、氣體擴散網、中軸及上下擋板等導熱系數的差異,在電堆內部,產生的熱量主要通過鎳電極片傳導進行重新分配,電堆內部徑向傳熱速率遠高于軸向。隨著放電時間的延長,電池溫度升高。

圖4 放電15 min時溫度分布Fig.4 Temperature distribution of Ni-H2cell after 15 min discharge

圖5 放電118 min時溫度分布Fig.5 Temperaturedistribution of Ni-H2cell after 118 min discharge

3.2 氫鎳蓄電池殼體表面溫度分布實測值

測試氫鎳蓄電池發熱量時,殼體表面的測溫點分布如圖6所示,測得的電池表面溫度分布及表面最大溫差分布如圖7所示。由圖可知：在整個放電過程中電池溫度變化較平穩,與時間基本呈線性關系;殼體同時刻的最大溫差達一定程度后呈穩定趨勢,約6℃;最高溫度出現在電堆中間位置處(該處散熱最差),其次是電堆下,之后,依次為焊接環處與上圓頂點、上圓頂中、下圓頂中、下圓頂點。

圖6 氫鎳蓄電池殼體表面測溫點分布Fig.6 Distribution of temperature test point on outer shell of Ni-H2cell

圖7 氫鎳蓄電池殼體表面溫度分布試驗測試結果Fig.7 Test result of temperature distribution on outer shell of Ni-H2cell

3.3 仿真結果與實測結果比較

氫鎳蓄電池恒電流絕熱放電過程中電池殼體表面的實際測量溫度與熱仿真模擬結果比較如圖8～15所示。由圖可知：實際溫度測試結果與本文熱仿真模型的計算值較一致,兩者最大溫差值僅0.7℃,驗證了熱仿真模型的正確性。

圖8 氫鎳蓄電池放電過程中電堆中溫度Fig.8 Temperature in power heap on dischargeprocess of Ni-H2cell

圖9 氫鎳蓄電池放電過程中電堆下溫度Fig.9 Temperature under power heap on discharge process of Ni-H2cell

圖10 氫鎳蓄電池放電過程中焊縫處溫度Fig.10 Temperatureat weld on discharge process of Ni-H2cell

圖11 氫鎳蓄電池放電過程中下圓頂點處溫度Fig.11 Temperature at down domepoint on discharge process of Ni-H2cell

圖12 氫鎳蓄電池放電過程中上圓頂中溫度Fig.12 Temperature at middle of upper dome on discharge process of Ni-H2cell

圖13 氫鎳蓄電池放電過程中下圓頂中溫度Fig.13 Temperature at middle of down dome on dischargeprocess of Ni-H2cell

3.4 TG-1目標飛行器用40 A?h氫鎳蓄電池單體熱設計優化

用熱仿真模型對TG-1目標飛行器用40 A?h氫鎳蓄電池的電極尺寸對電池內部溫度場分布的影響規律進行了研究。因單體電池殼體直徑不變,用熱仿真模型對電堆尺寸優化過程時,對相同設計的電池,保持電堆外徑不變。另外,由于鎳電極為充放電過程的主要熱源,將鎳電極作為基本變量,其他氫電極、氣體擴散網、隔膜等組件均隨鎳電極尺寸而作比例變化。尺寸優化過程中,鎳電極厚度取值越薄,則其內徑越小。厚度減小,利于散熱,而內徑越小,散熱越慢,兩者相互制約,共同影響電池內部溫度場的最終分布。

在鎳電極外徑確定,并保證電極堆體積不變的條件下,本文對40 A?h氫鎳蓄電池的電極厚度和內徑進行了優化設計,結果見表1。隨著鎳電極厚度的增加,內徑也在增大,電池內部的溫差呈增加趨勢。相對鎳電極內徑,鎳電極厚度是影響電池內部溫度差的主要因素,厚度越大,電池內部的最大溫差越大。但是,為減少電池內部溫差而使用薄形電極將增大電池質量,降低其比能量。因此,應使電池內部最大溫差在合理范圍內盡可能選用厚鎳電極。

圖14 氫鎳蓄電池放電過程中正極柱點溫度Fig.14 Temperature at positive column point on discharge process of Ni-H2cell

圖15 氫鎳蓄電池放電過程中上圓頂點溫度Fig.15 Temperatureat up dome point on discharge process of Ni-H2cell

表1 40 A?h氫鎳電池熱設計優化Tab.1 Optimization of thermal design for 40 A?h Ni-H2cell

3.5 TG-1目標飛行器用40 A?h氫鎳蓄電池溫度場測試

根據上述優化結果,研制了TG-1目標飛行器用40 A?h氫鎳電池,并對單體電池內部溫度進行了實際測試。根據熱仿真結果,電池極堆處的溫度應為最高,故在電池極堆處放置了溫度傳感器,在電池殼體表面粘貼溫度傳感器,位置如圖16所示。

測試環境為真空狀態,溫度15℃,試驗溫度允許偏差±2℃。試驗開始前以0.1C對電池充電12 h,當環境達到設定的要求后,對電池以0.5C放電37 min,0.4C充電48 min,連續進行5次充放電循環。每次充放電循環結束時的溫度見表2。試驗數據表明：放電結束時40 A?h氫鎳電池單體最大溫差不大于5.0℃,充電結束時溫差不大于1℃,與熱仿真結果相接近。該結果驗證了TG-1目標飛行器用40 A?h氫鎳蓄電池單體熱設計的合理性。

圖16 40 A?h氫鎳蓄電池溫度測試點分布Fig.16 Distribution of temperature test point on cell

表2 充放電終止時氫鎳蓄電池溫度Tab.2 Temperature of end charge and discharge for Ni-H2cell

4 結論

本文建立了氫鎳蓄電池熱仿真模型。真空絕熱邊界條件下放電過程中的熱仿真值與實測結果對比分析表明,仿真計算值與實測結果具有良好的一致性,兩者的溫差最大僅0.7℃,驗證了仿真模型的有效性。用該模型對TG-1目標飛行器用40 A?h氫鎳蓄電池進行了熱設計優化,表明鎳電極厚度對電池內部最大溫差有決定性的影響。由40A?h氫鎳蓄電池內部溫度場的實測值可知：放電結束時最大溫差不大于5.0℃,與熱設計結果相符,表明TG-1目標飛行器用40 A?h氫鎳蓄電池熱設計合理。

目前,TG-1目標飛行器已在軌運行約2月,氫鎳蓄電池溫度正常。TG-1目標飛行器獨立飛行期間,外回路溫度2℃,電池組運行溫度5～6℃,電池模塊與冷板溫差小于1℃;與神舟八號飛船對接后組合體飛行期間,外回路溫度8℃,電池組運行溫度11～12℃,電池模塊與冷板溫差小于1℃。可見,氫鎳蓄池在合理溫度范圍內工作,并可推知電池單體內部溫差小于5℃,符合設計要求。

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