衛星氫鎳蓄電池電解液在軌回流特性仿真

周志成李峰黃華徐珩衍檀立新（中國空間技術研究院，北京 00094） （中國航天電子集團第十八研究所，天津 300384）

衛星氫鎳蓄電池電解液在軌回流特性仿真

周志成1李峰1黃華1徐珩衍1檀立新2
（1中國空間技術研究院，北京 100094） （2中國航天電子集團第十八研究所，天津 300384）

氫鎳蓄電池電解液在軌流動特性是影響其工作性能和使用壽命的重要因素，對蓄電池設計與優化具有重要意義。針對高軌通信衛星使用的80Ah氫鎳蓄電池，建立了電解液流動運動的三維仿真模型，采用計算流體動力學（CFD）數值仿真方法，對氫鎳蓄電池單體內的電解液在軌微重力條件下的流動特性和分布特點進行了仿真研究。通過對比分析不同邊界條件下的仿真結果，提出了在蓄電池極堆與殼體兩端之間增加電解液流動路徑可以提高電解液回流速度，并改進衛星氫鎳蓄電池在軌工作性能，研究結果可為衛星蓄電池和電源系統設計提供參考。

氫鎳蓄電池；電解液；接觸角；計算流體動力學；衛星

1 引言

蓄電池作為電源系統的重要儲能部件，其充放電性能是影響航天器在軌工作和使用壽命的重要因素。氫鎳蓄電池具有質量比能量高、工作壽命長、耐過充放等特點［1］，因此近些年來在航天器上被廣泛使用。如何提高氫鎳蓄電池的性能，確保航天器的使用壽命和壽命末期時系統工作指標，一直是航天科技人員和相關領域學者關注的熱點問題。

氫鎳蓄電池在充放電過程中會產生大量熱量并導致電池內部溫度上升及溫度梯度變大，對其工作性能的穩定性存在潛在影響，而這方面是國內外學者的研究重點。目前，關于蓄電池的溫度場特性研究已通過數值仿真［2］和試驗測量［1］等方法分析蓄電池內部熱量的產生和傳導機理，確定溫度場分布，為蓄電池溫度控制和優化設計提供參考［3－4］。但從氫鎳蓄電池的工作原理來看，航天器使用的蓄電池內部電解液的分布和流動特性也是影響其工作壽命和性能指標的重要因素，而這方面的研究工作相對開展較少。

本文以高軌通信衛星使用的80Ah氫鎳蓄電池為對象，采用計算流體動力學（CFD）數值仿真方法，對蓄電池殼體內的電解液在軌工作時的分布和流動特性進行仿真研究，總結電解液的分布特點，可為蓄電池的改進與優化設計提供依據。

2 氫鎳蓄電池工作原理與建模

2.1 蓄電池工作原理

衛星用氫鎳蓄電池單體的結構形式如圖1（a）所示，一般由兩端的半球和中間柱段組成。蓄電池主要由頂部殼體的正負極柱、殼體內部極堆和其他安裝輔助器件組成，極堆外圍充滿氫氣。電池充電時極堆的負極生成氫氣，電池內部壓力上升；電池放電時消耗氫氣，電池內部壓力下降。

氫鎳蓄電池的理想工作狀態是極堆中的電解液不能多更不能少，電解液在整個容器內循環。但氫鎳蓄電池在軌反復充／放電使用過程中，極堆內的電解液會有所消耗，可能導致衛星壽命末期時蓄電池的輸出電壓等性能參數下降，影響衛星工作性能。為解決這一工程問題，一般蓄電池單體內會多充少量的電解液（約幾十克），這部分電解液稱為“游離電解液”。衛星在軌工作期間，如何保證極堆內電解液消耗后，這部分游離電解液能快速回流到極堆內，是決定蓄電池單體工作壽命和工作性能的一個關鍵問題。而氫鎳蓄電池的極堆部分主要由多孔介質材料構成，因此只要這部分“游離電解液”在軌工作過程中能夠保持或者快速流動到極堆附近，就能確保其在需要時快速回流到極堆內。

2.2 蓄電池仿真建模

根據氫鎳蓄電池的工作原理和內部結構，為分析蓄電池殼體內游離電解液在軌工作時的分布特點和回流特性，建立了蓄電池單體的三維幾何模型。在建模時對其內部結構進行簡化處理，忽略蓄電池內部小尺寸部件，以提高仿真計算效率。如圖1（b）所示，蓄電池單體仿真幾何模型主要包括殼體和內部極堆，幾何尺寸以80Ah氫鎳蓄電池單體結構為參考，殼體內徑為120mm，殼體厚度5mm，總高為220mm；極堆直徑為108mm，即極堆與殼體的間距為6mm；高度與殼體圓柱段高度相同為100mm。

3 數值仿真方法

3.1 流體運動方程

由流體力學知識可知，蓄電池的電解液為不可壓縮流體，令其密度為ρ，運動學粘性系數為μ，則其運動方程為質量守恒方程和動量守恒方程（一般統稱為Navier－Stokes方程［5］）為：

式中▽為拉普拉斯算子；t表示時間；u為流體在計算坐標系內的速度矢量；P為流體的壓強；f為流體在外力作用下的加速度矢量。

3.2 邊界條件

衛星在軌工作時，蓄電池內的電解液處于空間失重環境，此時液體的表面張力成為主導其運動的主要驅動力。在蓄電池殼體壁面處，采用粘性流體的壁面無滑移條件，即在固體壁面處流體的速度矢量u＝0。對于電解液與氫氣之間的自由液面，需要針對液體的速度和壓強建立邊界條件。沿自由液面的切向和法向的邊界條件分別為［6］：

式中 un和uτ分別為自由液面處的法向和切向速度；P0為氣體的環境壓強；σ為表面張力系數；k為自由液面的平均曲率；τ和n分別表示自由液面的切向和法向。

本文的數值仿真計算采用CFD商用軟件FLOW3D完成，FLOW3D是一款成熟的兩相流CFD軟件，采用VOF方法計算液體與氣體之間的界面運動。FLOW3D軟件經常用于低重及微重條件下的液體運動數值仿真，其正確性和實用性已得到廣泛的證明［7－8］。FLOW3D軟件提供了多種可供選擇的流體運動方程求解選項，本文在具體進行仿真計算時，結合微重力條件下蓄電池電解液運動的特點，考慮了流體粘性、表面張力等作用，采用層流模型。基于FLOW3D軟件建立的蓄電池計算網格如圖1（c）所示，共計由350 000個六面體網格單元組成。

4 仿真結果分析

4.1 仿真結果

本文在計算時假設蓄電池單體內游離電解液的質量為50g，電解液的密度取為1.25×103kg／m3。如前文所述，當蓄電池極堆需要補充電解液時，希望游離態電解液能快速回流到極堆內。為保證仿真結果對工程實際具有指導意義，在計算時給定較為保守的初始條件，即假設蓄電池單體內50g電解液在計算初始時刻全部位于殼體的一端（如圖1（b）所示，電解液全部位于殼體底部）。

衛星在軌工作期間處于失重或微重力狀態，此時電解液將在表面張力的驅動下運動，并最終達到平衡狀態。由流體力學知識可知［9］，電解液的運動及分布規律主要與其對蓄電池殼體內表面的浸潤性有關。浸潤性是指液體對固體的潤濕現象，通常用接觸角來衡量，接觸角越小表示固體表面的親水性越強，而接觸角大于90°的固體表面則為疏水表面［9－10］。為利用表面張力來吸附電解液，蓄電池殼體內應該采用親水材料，但考慮到加工工藝和涂層工藝等因素，殼體內部的浸潤性存在一定的不確定性。因此，本文在仿真計算時考慮了三種不同接觸角：5°、30°和60°。

接觸角為5°時的不同時刻電解液在蓄電池殼體內的運動過程和分布位置仿真結果如圖2所示，計算時假設重力加速度為0。由仿真結果可知，計算開始后5s電解液的分布位置與100s時已經差別很小，這表明當接觸角很小時，電解液在表面張力作用下很快就運動到了極堆附近，由于蓄電池殼體與極堆之間的間隙很小，電解液在此位置能同時與殼體和極堆接觸，增大了表面張力的作用面積，因此電解液可在此位置達到微重力條件下的平衡狀態。

接觸角為30°和60°時的仿真結果分別如圖3和圖4所示。可知，雖然電解液最終的分布狀態存在區別，但是經過一定時間的運動后大部分穩定分布在蓄電池極堆附近區域。仔細比較圖2～圖4的仿真結果可知，接觸角越大，電解液由蓄電池殼體底部向中間位置運動的過程越長，不利于電解液的快速回流。游離電解液質心位置沿蓄電池縱向的時間變化曲線如圖5所示，圖5直觀描述了電解液由殼體底部向極堆附近運動的過程，可以看出，接觸角越大，電解液回流速度越慢。

圖2 接觸角5°時電解液運動過程仿真結果Fig.2 Simulation results of electrolyte flow with 5°contact angle

圖3 接觸角30°時電解液運動過程仿真結果Fig.3 Simulation results of electrolyte flow with 30°contact angle

圖4 接觸角60°時電解液運動過程仿真結果Fig.4 Simulation results of electrolyte flow with 60°contact angle

圖5 電解液質心位置沿蓄電池縱向的時間變化曲線Fig.5 Moving curve of mass center of electrolyte with different contact angle

4.2 結果分析

由上述仿真結果可知，為保證氫鎳蓄電池內游離態電解液在軌失重條件下能快速回流到極堆附近區域，應從殼體材料選擇和內表面涂層等方面提高電解液對蓄電池殼體內表面的浸潤性。但如前文所述，蓄電池殼體內部受加工工藝、涂層退化等諸多因素影響，無法完全保證電解液的浸潤性，當浸潤性下降后，有部分電解液在較長時間內停留在殼體底部（當接觸角增大到30°和60°時，計算開始后70s，仍然有少量電解液位于殼體底部），這顯然無法滿足蓄電池工作時電解液快速回流的需求。

因此，為提高蓄電池工作性能和可靠性，應采用具有強導流性能的材料，在蓄電池極堆與殼體兩端增加直接連接部件，建立電解液從殼體兩端到極堆的直接運動路徑以利于電解液快速回流。

5 結束語

本文以通信衛星使用的80Ah氫鎳蓄電池為對象，采用CFD仿真方法建立了蓄電池單體的數值仿真模型，對蓄電池內游離電解液在軌失重條件下的運動過程和分布特點進行了仿真研究。仿真結果表明，電解液對蓄電池殼體材料的浸潤性越好，電解液的回流速度越快；為確保蓄電池工作壽命和可靠性，還應在蓄電池極堆與殼體兩端之間增加電解液流動路徑，提高電解液回流速度。本文的仿真模型和數值方法也可用于其他航天器用蓄電池的仿真分析，并為蓄電池性能研究和電源系統設計提供參考。

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Numerical Simulation of Electrolyte Moving in Nickel－Hydrogen Battery of Satellite

ZHOU Zhicheng1LI Feng1HUANG Hua1XU Hangyan1TAN Lixin2
（1China Academy of Space Technology，Beijing 100094）
（2 Tianjin Institute of Power Sources，Tianjin 300384）

A three－dimensional numerical model of an individual pressure vessel was developed based on the 80Ah nickel－hydrogen battery used for GEO communication satellites.The model，including the main components of a battery including the battery shell and electrode stack，was utilized to simulate the transient flow field of the electrolyte under zero－gravity condition，by using the computational fluid dynamics（CFD）technology.The comparisons of the simulation results with different boundary conditions show that the flow velocity of the electrolyte from shell to the electrode stack was decided by the wettability of the electrolyte.Adding routes for the electrolyte flowing from the bottom acme and the upper acme to the electrode stack can improve the performance of the nickel－hydrogen battery.

Nickel－hydrogen battery；Electrolyte；Contact angle；Computational fluid dynamics；Satellite

10.3780／j.issn.1000－758X.2015.03.006

周志成 1963年生，2008年獲中國空間技術研究院飛行器設計專業博士學位，研究員。研究方向為衛星總體設計，航天器動力學。

（編輯：王曉宇）

國家自然科學基金（11272334，11302244）資助項目

2015－02－05。收修改稿日期：2015－03－04