空間用氫鎳蓄電池自放電率研究

樊紅敏，王 淼， 范梅梅， 王樹(shù)強(qiáng)，檀立新，傅曉晴

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384；2.天津力神電池股份有限公司，天津 300384)

隨著中國(guó)空間技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)空間能源要求也提出了更高的要求，氫鎳電池具有高比能量、長(zhǎng)循環(huán)壽命特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，由于氫鎳電池自放電影響電池的使用效率，降低電池的自放電率可以大大提高電池的使用壽命。有研究表明電極材料、電解液、隔膜等對(duì)氫鎳電池的自放電率有影響[1-6]，氫鎳電池的自放電率與環(huán)境溫度、擱置時(shí)間和充電容量等因素有關(guān)。本文對(duì)空間用額定容量80 Ah氫鎳電池進(jìn)行了不同擱置時(shí)間、不同充電量和不同環(huán)境溫度下的自放電率實(shí)驗(yàn)研究，為發(fā)射場(chǎng)環(huán)境和其它實(shí)驗(yàn)階段測(cè)試提供理論數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣樣品

4 只額定容量 80 Ah 電池(編號(hào)為 1＃、2＃、3＃、4＃)。

1.2 實(shí)驗(yàn)制度

在環(huán)境溫度(20±3)℃將4只電池充電84 Ah，分別擱置0、24、48、72、120 h 后進(jìn)行自放電實(shí)驗(yàn)。在環(huán)境溫度(20±3)℃將4只電池分別充電64 Ah和84 Ah，分別擱置0 h和24 h后進(jìn)行自放電實(shí)驗(yàn)。在環(huán)境溫度(17±3)℃、(20±3)℃和(23±3)℃下，將4只電池充電84 Ah，分別擱置0、24 h后進(jìn)行自放電實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 擱置時(shí)間和自放電率的關(guān)系

在環(huán)境溫度(20±3)℃下，對(duì)充電容量84 Ah的電池進(jìn)行了擱置時(shí)間分別為0、24、48、72、120 h的自放電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)電池電壓曲線(以1＃電池為例)見(jiàn)圖1。

實(shí)驗(yàn)電池的容量和自放電率見(jiàn)表1。

根據(jù)表1，得到自放電率與擱置時(shí)間關(guān)系，見(jiàn)圖2。

圖1 20℃，充電容量84 Ah，自放電實(shí)驗(yàn)電壓曲線

表1 20 ℃，充電容量84 Ah，不同擱置時(shí)間的自放電率

圖2 20℃，充電容量84 Ah，自放電率與擱置時(shí)間關(guān)系

由圖2可見(jiàn)，自放電率與擱置時(shí)間呈非線性正相關(guān)，擱置時(shí)間越長(zhǎng)，自放電率增幅越小。20℃，容量保持率(擱置后容量占無(wú)擱置容量的百分比)與擱置時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 20℃，容量保持率與擱置時(shí)間關(guān)系

由圖3得到20℃容量保持率(C)與擱置時(shí)間(t)的關(guān)系式：Ln(C)=Ln(98.27)－0.0029t。

NASA手冊(cè)給出INTELSAT-Ⅵ50 Ah電池的20℃容量保持率與擱置時(shí)間的關(guān)系式為：Ln(C)=Ln(92.02)－0.0029t。與本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)取得的直線斜率一致，兩種電池的自放電率相當(dāng)。

2.2 充電容量與自放電率的關(guān)系

在環(huán)境溫度(20±3)℃下，對(duì)充電容量64 Ah的電池進(jìn)行了擱置時(shí)間為0 h和24 h的自放電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)電池電壓曲線(以1＃電池為例)見(jiàn)圖4。

實(shí)驗(yàn)電池的容量和自放電率見(jiàn)表2。

從表1、表2可以得到充電容量84 Ah和64 Ah的自放電率比較關(guān)系(圖5)。

圖5表明，電池充電容量較小時(shí)自放電率也較小。

2.3 環(huán)境溫度與自放電率的關(guān)系

分別在環(huán)境溫度(17±3)℃和(23±3)℃下，對(duì)充電容量84 Ah的電池進(jìn)行了擱置時(shí)間24 h的自放電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)電池電壓曲線(以1＃電池為例)見(jiàn)圖6。

實(shí)驗(yàn)電池的容量和自放電率見(jiàn)表3。

從表1、表3中，可以得到在環(huán)境溫度為17、20、23℃時(shí)，充電容量84 Ah和24 h自放電率的比較關(guān)系(圖7)。

圖7表明，自放電率與溫度呈非線性正相關(guān)，溫度越高，自放電率上升幅度越大。

圖4 20℃，充電容量64 Ah，自放電實(shí)驗(yàn)電壓曲線

表2 20 ℃，充電容量64 Ah，擱置24 h的自放電率

圖5 20℃，充電容量84 Ah和64 Ah的24 h自放電率比較

圖6 17℃和23℃，充電容量84 Ah，自放電實(shí)驗(yàn)電壓曲線

2.4 充電效率

對(duì)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可以得到電池在三種溫度和兩種充電容量下的充電效率(表4)。

從表4中可得到三種溫度下的充電效率比較(圖8)和兩種充電容量下的充電效率比較(圖9)。

由圖8、圖9可見(jiàn)，溫度升高，充電效率降低；同一溫度下，充電容量較小時(shí)，充電效率較高。

表3 17 ℃和23 ℃，充電容量84 Ah，擱置24 h的自放電率

表4 三種溫度和兩種充電容量下的充電效率

圖7 17、20、23℃，充電容量84 Ah和24 h自放電率比較

圖8 17、20、23℃，充電容量84 Ah，充電效率比較

圖9 20℃，充電容量84 Ah和64 Ah，充電效率比較

3 結(jié)論

(1)同一溫度下，自放電率與擱置時(shí)間呈非線性正相關(guān)，擱置時(shí)間越長(zhǎng)，自放電率增幅越小，實(shí)驗(yàn)電池與INTELSAT-Ⅵ50 Ah電池的自放電率相當(dāng)；(2)同一溫度下，充電容量較小時(shí)自放電率也較小；(3)自放電率與溫度呈非線性正相關(guān)，溫度越高，自放電率上升幅度越大；(4)溫度升高，充電效率降低；(5)同一溫度下，充電容量較小時(shí)，充電效率較高；(6)根據(jù)充電容量與壓力關(guān)系式和充電效率，估算的20℃自放電實(shí)驗(yàn)中的電池容量與實(shí)測(cè)容量誤差不超過(guò)±1%。

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