氫鎳電池加速壽命試驗(yàn)中性能研究

龐 輝，丁 飛，張海昌，明文成

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

氫鎳電池加速壽命試驗(yàn)中性能研究

龐 輝，丁 飛，張海昌，明文成

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

為提高氫鎳電池的可靠性，快速準(zhǔn)確考核氫鎳電池的使用壽命，對(duì)氫鎳電池進(jìn)行恒定DOD80%加速壽命試驗(yàn)。壽命試驗(yàn)已完成2137次，試驗(yàn)電池性能正常，滿足在軌應(yīng)用15年以上，表明該種電池的充放電循環(huán)壽命能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)壽命試驗(yàn)中電池充放電過(guò)程曲線，電池充放電量比，充放電時(shí)電池溫度進(jìn)行了研究分析，為在軌合理應(yīng)用電池，延長(zhǎng)使用壽命，提供了有益的借鑒。

氫鎳電池；壽命試驗(yàn)；性能分析

Abstract:In order to advance the reliability of nickel-hydrogen battery,and check the life of nickel-hydrogen battery well and truly,accelerated life test was done to 80 Ah Ni-H2battery under 80%DOD.After 2137 chargingdischarging cycles,the capability of the battery was all right.The experiment results show that the cycle life of the tested battery in orbit is more than 15 yeras.At the same time,the performance of the tested battery was analyzed and investigated,which may supply helpful information for extending the life of nickel-hydrogen battery.

Key words:nickel-hydrogen battery;accelerated life testing;capacity research

氫鎳蓄電池具有充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)、耐過(guò)充過(guò)放電、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于空間飛行器電源系統(tǒng)中，特別是在高軌道(GEO)、長(zhǎng)壽命衛(wèi)星上，幾乎100%采用氫鎳蓄電池。氫鎳電池的壽命將成為一個(gè)關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)閴勖粌H是電池性能評(píng)價(jià)的至關(guān)重要的考核指標(biāo)，也是空間用氫鎳蓄電池可靠性的核心部分。

如果采用在正常使用條件下做壽命試驗(yàn)的方法來(lái)估計(jì)航天產(chǎn)品的壽命特征和可靠性指標(biāo)，往往需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。加速壽命試驗(yàn)方法及其在航天產(chǎn)品中的工程應(yīng)用研究正逐漸受到了重視。加速壽命試驗(yàn)采用加速應(yīng)力進(jìn)行產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)，從而縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率，降低了試驗(yàn)成本，使產(chǎn)品壽命與可靠性評(píng)估成為可能。同時(shí)，通過(guò)加速壽命試驗(yàn)較快地暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高質(zhì)量提供了依據(jù)[1]。

決定氫鎳電池壽命因素很多，除了電池本身制造工藝外，還有使用溫度、充放電電流、充放電量比、放電深度等，因此加速因子可選參數(shù)很多，并互相關(guān)聯(lián)。根據(jù)氫鎳電池在軌及地面應(yīng)用的實(shí)踐，放電深度對(duì)其壽命影響最為顯著，其余因素可以通過(guò)設(shè)計(jì)使其處于最佳狀態(tài)，盡量與在軌應(yīng)用狀態(tài)保持一致。對(duì)于應(yīng)用于高軌道衛(wèi)星氫鎳電池，每年經(jīng)歷春秋兩個(gè)地影季，每地影季45天，地影時(shí)間(即蓄電池放電時(shí)間)先增后減，如圖1所示，與此對(duì)應(yīng)，放電深度從約10%增加到50%～80%，再逐漸下降。因此本文選定80%作為蓄電池放電深度，其余影響因素盡量與在軌應(yīng)用條件接近，考核蓄電池壽命性能。

圖1 GEO衛(wèi)星地影季中地影時(shí)間

1 試驗(yàn)件及設(shè)備技術(shù)狀態(tài)

1.1 試驗(yàn)件

80 Ah氫鎳電池：額定容量C=80 Ah，20℃最小保證容量80 Ah。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

冰柜：溫度在－15～20℃范圍內(nèi)可精確調(diào)控，溫度控制精度±3℃；充放電設(shè)備：Digatron-MCT150-0100-6 ME THY-充放電電流0～150 A。

2 試驗(yàn)方法

2.1 恒定DOD80%加速壽命試驗(yàn)制度

環(huán)境溫度(0±3)℃；放電電流55.2 A；放電時(shí)間69.5min(放電容量64 Ah，80%DOD)；充電電流16 A；初期充電時(shí)間242.5min，充放電量比1.01(允許調(diào)整)；試驗(yàn)前及試驗(yàn)中，按2.2節(jié)進(jìn)行容量試驗(yàn)，觀察電池容量的變化。試驗(yàn)電池的充放電循環(huán)次數(shù)應(yīng)不低于1350次。試驗(yàn)中采集電壓、溫度。充電過(guò)程中，10min采集一次數(shù)據(jù)，放電過(guò)程中，5min采集一次數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)前及試驗(yàn)中容量測(cè)試

壽命試驗(yàn)開(kāi)始前和壽命試驗(yàn)中按下述制度進(jìn)行容量測(cè)試：(1)環(huán)境溫度：(0±3)℃；(2)調(diào)整荷電態(tài)：40 A放電至電壓1.0 V止，轉(zhuǎn)16 A放電至電壓1.0 V止；(3)電阻短路：?jiǎn)误w電池以0.5～1 Ω電阻短路至0.10 V以下；(4)容量平衡：8 A充電4 h，不停，轉(zhuǎn)16 A放電至電壓1.0 V止，停0.5 h；(5)容量測(cè)試：8 A充電11.5 h，停30min，40 A放電至電池電壓1.0 V止，轉(zhuǎn)16 A放電至電池電壓1.0 V止。試驗(yàn)中記錄電池電壓、溫度。

2.3 壽命終止判據(jù)

壽命試驗(yàn)中，當(dāng)試驗(yàn)電池放電終止電壓低于1.0 V且通過(guò)調(diào)整充放電量比也不能穩(wěn)定提高到1.0 V以上時(shí)，則判定試驗(yàn)電池壽命結(jié)束。

2.4 注意事項(xiàng)

試驗(yàn)電池不允許在過(guò)充電下進(jìn)行充放電循環(huán)(相比于充電過(guò)程中的溫度最低點(diǎn)，充電結(jié)束時(shí)電池溫升應(yīng)不高于1℃)；放電終止時(shí)刻電池溫度不超過(guò)25℃。

3 數(shù)據(jù)整理與分析

3.1 (0.3)℃環(huán)境，恒定DOD加速壽命試驗(yàn)

單體電池按照2.1節(jié)中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行80%DOD充放電循環(huán)。試驗(yàn)中單體電池充電終止電壓，放電中點(diǎn)電壓(放電電壓平臺(tái))與放電終止電壓隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖2所示。

圖2 恒定DOD80%充放電循環(huán)電壓曲線

如圖2所示，壽命試驗(yàn)過(guò)程中單體電池的放電電壓平臺(tái)穩(wěn)定(不低于1.28 V)，放電終止電壓不低于1.16 V。電池充放電終止電壓隨溫度的變化及充放電量比調(diào)整，如表1所示，而有所波動(dòng)屬于正常現(xiàn)象，電性能正常，壽命試驗(yàn)仍在繼續(xù)進(jìn)行。

表1 恒定DOD80%充放電循環(huán)電池溫度統(tǒng)計(jì)表

由表1可見(jiàn)，在充放電循環(huán)過(guò)程中，放電終止時(shí)電池溫度相對(duì)于充電終止時(shí)溫度上升16℃左右，放電終止時(shí)刻電池溫度不超過(guò)20℃，溫度環(huán)境較好，有利于電池性能，延長(zhǎng)使用壽命。

本項(xiàng)試驗(yàn)中，初期充放電量比(C/D比)為1.01，隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行，C/D比有增大的趨勢(shì)，如圖3所示，現(xiàn)階段已調(diào)整至1.032。可以肯定隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，C/D比還將作相應(yīng)調(diào)整。

圖3 恒定DOD80%充放電循環(huán)充放電量比曲線

在恒定DOD充放電循環(huán)中，不太可能選取恒定的C/D比來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。C/D比設(shè)置偏小，必將導(dǎo)致試驗(yàn)電池放電終止電壓的持續(xù)下降，最終超出技術(shù)條件的要求。C/D比設(shè)置偏大，肯定會(huì)造成試驗(yàn)電池的過(guò)充電量持續(xù)增加，加劇鎳電極的膨脹，顯著縮短工作壽命。表現(xiàn)為充電終末期電池溫升顯著，充電電壓在出現(xiàn)最大值后持續(xù)下降，放電電壓平臺(tái)降低。

第2142次充放電循環(huán)中，單體電池的電壓、溫度隨充放電時(shí)間的變化見(jiàn)圖4～圖5。

圖4 一次循環(huán)中，電池電壓隨充放電時(shí)間的變化

圖5 一次循環(huán)中，電池溫度隨充放電時(shí)間的變化

從圖5中可見(jiàn)，充電開(kāi)始時(shí)溫度為16.5℃，溫度環(huán)境較好，充電效率較高，隨充電進(jìn)行，在環(huán)境溫度及充電過(guò)程電池溫度下降的雙重作用下，電池溫度逐漸下降，充電終止時(shí)電池溫度0.2℃。

對(duì)充電終止時(shí)刻電池電壓和溫度的控制 (通過(guò)調(diào)整C/D比來(lái)實(shí)現(xiàn))，是控制電池的荷電容量，延長(zhǎng)工作壽命的關(guān)鍵。

從2142次充放電循環(huán)中的單體電池的電壓和溫度變化曲線看，充電終止電壓不高于1.56 V(環(huán)境溫度－1～1℃)，充電結(jié)束時(shí)單體電池的溫升不高于1℃(相對(duì)于電池最低溫度點(diǎn))。在此條件下，進(jìn)行充放電循環(huán)可以確保電池放電電壓滿足技術(shù)條件要求，同時(shí)，降低了循環(huán)中電池的最大荷電容量，減少了因氧氣的析出而產(chǎn)生的熱量，有利于延長(zhǎng)電池的工作壽命。

3.2 (0.3)℃環(huán)境，壽命試驗(yàn)電池容量測(cè)試

壽命循環(huán)試驗(yàn)開(kāi)始前及試驗(yàn)過(guò)程中容量試驗(yàn)前，按2.2節(jié)試驗(yàn)制度對(duì)電池進(jìn)行了調(diào)整荷電態(tài)，電阻短路，容量平衡測(cè)試，為準(zhǔn)確測(cè)定電池容量做好了準(zhǔn)備。

(1)容量測(cè)試前準(zhǔn)備

(2)容量測(cè)試

壽命循環(huán)試驗(yàn)開(kāi)始前，按2.2節(jié)試驗(yàn)制度對(duì)電池進(jìn)行了容量試驗(yàn)，充電容量為92 Ah，如圖6所示，放電容量為87.9 Ah，如圖7所示。

圖6 壽命循環(huán)試驗(yàn)前電池容量測(cè)試充電容量曲線

圖7 壽命循環(huán)試驗(yàn)前電池容量測(cè)試放電容量曲線

循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，在完成1358次循環(huán)后(相當(dāng)于高軌道運(yùn)行15年)對(duì)電池進(jìn)行了容量試驗(yàn)，充電容量為92 Ah，放電容量為86.9 Ah，如圖8所示。

圖8 壽命循環(huán)1358次后電池容量測(cè)試放電容量曲線

循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，在完成2136次循環(huán)后對(duì)電池進(jìn)行了容量試驗(yàn)，充電容量為92 Ah，放電容量為83.3 Ah，如圖9所示。

圖9 壽命循環(huán)2136次后電池容量測(cè)試放電容量曲線

容量測(cè)試時(shí)，在充電過(guò)程中，電池電壓，電池溫度隨充電容量的變化曲線見(jiàn)圖6，期間，電池溫度隨冰箱溫控的調(diào)節(jié)而上下波動(dòng)，在充電的中前期，電池溫度呈下降趨勢(shì)，在充電后期，電池溫度逐漸升高；隨充電的進(jìn)行，電池電壓逐漸升高，隨電池溫度的上下波動(dòng)而有所波動(dòng)。

容量測(cè)試的放電過(guò)程中，電池電壓，電池溫度隨放電容量的變化曲線見(jiàn)圖7，圖8，圖9，放電過(guò)程中，電池溫度逐漸升高(隨冰箱溫控的調(diào)節(jié)而有所波動(dòng))，電池電壓逐漸降低。

電池壽命循環(huán)及容量測(cè)試的充放電過(guò)程中電池溫度變化可以得到理論解釋：氫鎳電池的發(fā)熱量由極化熱和焓變熱兩部分組成。極化熱在充電或放電時(shí)均為放熱。主反應(yīng)的焓變熱在充電時(shí)吸熱，放電時(shí)放熱。但在充電中后期，正極發(fā)生析出氧氣的副反應(yīng)，氧氣與氫氣復(fù)合的焓變熱為發(fā)熱。

充電前期，焓變熱大于極化熱，電池降溫。但在充電中后期，正極析出氧氣，氫氧復(fù)合發(fā)熱量較大，致使電池溫度升高。

在放電過(guò)程中，極化熱和焓變熱均為放熱，電池的溫度持續(xù)升高。

從三次容量測(cè)試結(jié)果來(lái)看，壽命試驗(yàn)電池經(jīng)80%DOD充放電循環(huán)后，電池容量衰降不大，2136次循環(huán)后容量仍高于額定容量(80 Ah)，如表2所示。

表2 (0±3）℃環(huán)境，壽命試驗(yàn)電池容量測(cè)試

4 結(jié)論

為提高氫鎳電池的可靠性，快速準(zhǔn)確考核氫鎳電池的使用壽命，參照在軌應(yīng)用的使用狀態(tài)，(0±3)℃環(huán)境，對(duì)80 Ah氫鎳電池進(jìn)行恒定DOD80%加速壽命試驗(yàn)。在壽命試驗(yàn)的不同階段測(cè)試了其容量，壽命試驗(yàn)已完成2137次，測(cè)得實(shí)際容量為83.3 Ah，仍然高于額定容量(80 Ah)，試驗(yàn)電池性能正常，滿足在軌應(yīng)用15年以上，表明該種電池的充放電循環(huán)壽命能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)壽命試驗(yàn)中電池充放電過(guò)程曲線，電池充放電比，充放電時(shí)電池溫度進(jìn)行了研究分析，為延長(zhǎng)電池使用壽命，在軌合理應(yīng)用管理提供了有益的借鑒。

[1]茆詩(shī)松，王玲玲．加速壽命試驗(yàn)[M]．北京：科學(xué)出版社，1997：2-3.

Research of nickel-hydrogen battery under accelerated life testing

PANG Hui,DING Fei,ZHANG Hai-chang,MING Wen-cheng
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

TM 912

A

1002-087X(2017)09-1309-03

2017-02-20

龐輝(1983—)，男，河北省人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榛瘜W(xué)電源。