80 Ah氫鎳蓄電池組在軌性能分析

王 男，焦黎斌，樊紅敏

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

80 Ah氫鎳蓄電池組在軌性能分析

王 男，焦黎斌，樊紅敏

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

闡述了80Ah氫鎳蓄電池組在軌運(yùn)行期間，電池組電壓和衰降情況，對(duì)在軌三個(gè)地影季氫鎳蓄電池組在軌性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并與地面壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分析結(jié)果表明電池性能良好，對(duì)氫鎳蓄電池組在軌管理長(zhǎng)壽命使用提出了建議。

氫鎳蓄電池組；電壓；壽命試驗(yàn)

在過去的20年間，無論是LEO還是GEO衛(wèi)星都廣泛使用了氫鎳電池。已經(jīng)有100多顆衛(wèi)星攜載10 000多個(gè)氫鎳電池作為電源系統(tǒng)。它們累積安全飛行近10億小時(shí)，具有高可靠性[1]。目前國(guó)內(nèi)外在氫鎳電池單體和組件技術(shù)方面，無論是設(shè)計(jì)還是工藝技術(shù)都日趨成熟，而氫鎳蓄電池應(yīng)用技術(shù)，如在軌充電管理技術(shù)，逐漸成為制約和影響蓄電池空間工作壽命和可靠性的主要因素[2]。

80 Ah氫鎳蓄電池組主要應(yīng)用于我國(guó)東方紅四號(hào)平臺(tái)衛(wèi)星，在軌飛行的尼日利亞衛(wèi)星、巴基斯坦衛(wèi)星、玻利維亞衛(wèi)星、鑫諾六號(hào)等多顆衛(wèi)星均采用此規(guī)格電池組，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命15年。本文介紹在軌飛行的某型號(hào)蓄電池組三次地影工作情況及數(shù)據(jù)分析。

1 蓄電池組技術(shù)特點(diǎn)介紹

東四平臺(tái)衛(wèi)星為靜止軌道衛(wèi)星，衛(wèi)星每年在春分和秋分前后經(jīng)歷兩個(gè)共90天左右的地影時(shí)間，蓄電池組只在地影期間供電，全日照期蓄電池組涓流充電，不參加整星的供電。

氫鎳蓄電池組單體極板為全燒結(jié)式，采用陶瓷-金屬極柱密封技術(shù)。電極容量為正限制，容量為80 Ah。蓄電池組由2個(gè)模塊，共計(jì)54只單體組成。在軌充電控制采用電子電量計(jì)為主，壓力控制為輔的控制方式。每只單體電池并聯(lián)一只保護(hù)二極管組件，提供單體電池內(nèi)部開路失效時(shí)的旁路保護(hù)。氫鎳蓄電池組三維外形圖見圖1。

圖1 80 Ah氫鎳蓄電池組三維外形圖

2 在軌數(shù)據(jù)整理及分析

2.1 在軌數(shù)據(jù)整理

衛(wèi)星發(fā)射至今，共經(jīng)歷三個(gè)地影季。在三個(gè)地影季中，最長(zhǎng)地影一天中蓄電池組的電壓、電池壓力和溫度的數(shù)據(jù)見圖2～圖9。

圖2 北蓄電池組的電壓

2.2 數(shù)據(jù)分析

在這三次最長(zhǎng)地影中，蓄電池組充電最高電壓、放電平臺(tái)電壓、放電終止電壓見表1。表1中，三次充放電循環(huán)中，蓄電池組充電終止電壓無升高(相對(duì)于第一次地影)，放電平臺(tái)電壓相對(duì)穩(wěn)定，放電終止電壓有一定下降。

圖3 南蓄電池組的電壓

圖4 北電池壓力1

圖5 北電池壓力2

圖6 南電池壓力1

在蓄電池組充電終止電壓沒有上升的情況下，蓄電池組的放電終止電壓出現(xiàn)下降是正常的。衛(wèi)星同批次電池壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)見圖10。

由圖10可見，隨著壽命循環(huán)的進(jìn)行，蓄電池組的充電電壓在逐漸升高，放電終止電壓有一定程度的下降。與在軌衛(wèi)星三個(gè)地影季蓄電池組的性能變化相一致。

圖8 北電池溫度

圖9 南電池溫度

表1 蓄電池組充電最高電壓、放電平臺(tái)電壓、放電終止電壓

圖10 電池壽命試驗(yàn)中充放電電壓曲線

隨著循環(huán)的增加，若電池充電電壓沒有隨著升高，則意味著電池的充電容量相應(yīng)地減少了，電池的放電終止電壓也會(huì)相應(yīng)地降低。但放電終止電壓的下降并不代表電池性能的下降，壽命試驗(yàn)的結(jié)果表明，壽命初期電池的容量呈上升趨勢(shì)。

若適當(dāng)提高充電容量，電池的放電終止電壓可以穩(wěn)定在一定的水平。圖11為同批次電池壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在812次恒定DOD40%充放電循環(huán)(對(duì)應(yīng)在軌工作壽命的中期)之前，可以通過提高電池的充電容量(反映為充電電壓上升)來穩(wěn)定放電終止電壓，無需調(diào)整充放電量比。但在壽命后期，電池的性能呈逐漸下降趨勢(shì)，需要通過提高充放電量比來穩(wěn)定放電終止電壓。

經(jīng)歷三個(gè)地影季，衛(wèi)星蓄電池組的放電終止電壓雖有一定下降，但對(duì)應(yīng)的單體電池的放電終止電壓為1.255 V，仍在較高水平。目前，無需提高蓄電池組的充電容量，可以繼續(xù)將電池的充電終止電池壓力控制在規(guī)定的3.85～4.2 MPa之間。

圖11 電池壽命實(shí)驗(yàn)中充放電電壓曲線

蓄電池組在軌工作期間，當(dāng)蓄電池組的放電終止電壓低于65 V時(shí)，考慮提高蓄電池組的充電容量。

3 結(jié)論

氫鎳蓄電池組在軌工作期間性能穩(wěn)定，工作正常；經(jīng)歷三個(gè)地影季，衛(wèi)星蓄電池組的放電終止電壓雖有一定下降，但對(duì)應(yīng)的單體電池的放電終止電壓為1.255 V，仍在較高水平；壓力傳感器的性能穩(wěn)定，可有效地控制充電。

根據(jù)對(duì)三個(gè)地影季分析，合理的在軌管理制度有益于延長(zhǎng)氫鎳蓄電池組壽命，確保供電安全。為延長(zhǎng)在軌衛(wèi)星氫鎳蓄電池組的壽命，建議在軌管理采取如下措施：

(2)采用間斷涓流充電（二至點(diǎn)期間或地影期間），蓄電池壓力控制在4.0～4.6 MPa之間，把過充電量控制到最小。

[1]穆肯德·R·帕特爾.航天器電源系統(tǒng)[M].韓波，陳琦，崔曉婷，譯.北京：中國(guó)宇航出版社，2010.

[2]杜紅，劉震，曹俊，等.氫鎳蓄電池壽命影響分析及在軌充電控制技術(shù)研究[M].航天器工程，2011(1)：88-94.

Orbit performance analysis of Ni-Cd battery for space 80 Ah nickel-hydrogen battery

80 Ah Nickel-Hydrogen battery voltage and its decrease in orbit were showed,and the performance data of battery in orbit in three earth shadow seasons was analyzed.Compared with the data of ground test for battery life, good performances in orbit was showed.Also the advises of management of Ni-Cd battery in long life time were presented.

Nickel-Hydrogen battery;voltage;life test

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2141-03

2015-06-08

王男(1982—)，女，吉林省人，學(xué)士，主要研究方向?yàn)榭臻g電源。