基于TEC的高發熱量空間設備主動控溫技術研究

李 軒，侯旭峰，呂冬翔

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

電源系統、精密儀器等星載空間設備適宜工作溫度窗口較窄，特別是鋰離子蓄電池組等高發熱量空間設備自發熱會進一步抬升機體溫度。惡劣的工作溫度會對星載空間設備造成嚴重危害，以鋰離子蓄電池組為例，在不適宜溫度工作時蓄電池電性能下降，溫度過高時有可能出現電解液氣化造成電池爆裂的安全性風險，工作溫度過低時電池中可能會析出鋰枝晶，刺穿隔膜，導致電池短路[1]。受太陽光照影響，衛星中環境溫度波動范圍大，星載空間設備機體溫度隨之大范圍波動，易超出適宜工作溫度區間。

為了解決寬溫域空間環境與星載空間設備窄適宜工作溫度的矛盾，傳統熱控系統采用整星開散熱窗加熱管散熱降溫和對目標設備貼加熱片加熱升溫相結合的方式對星載空間設備進行溫控。針對衛星中環境溫度過高的情況，傳統熱控系統通過熱管將空間設備的熱量轉移到衛星表面，再利用艙外所貼的光學太陽反射器(OSR 片)向空間輻射散熱，但星載空間設備機體溫度始終高于環境溫度，傳統熱控方式無法實現可控式降溫。此外，傳統的被動式溫控技術還存在溫控范圍相對較窄、溫控精度較差的問題。本文提出了一種基于半導體致冷(TEC)的主動控溫技術[2-3]。有別于被動控溫，主動控溫方式具有高控溫精度，降低系統能耗的優勢，此外，半導體致冷技術具有無機械運動部件、不受電磁干擾、突出的致冷和加熱雙效應用等優點。本文研究結果表明，隨著基于半導體致冷的主動控溫技術逐步成熟，將有效解決高發熱量、對溫度敏感的星載空間設備的熱環境適應能力。

1 基于TEC 的空間鋰離子蓄電池組的主動控溫系統

為了研究基于半導體致冷的主動控溫技術對高發熱量星載空間設備的控溫效果，本文選擇有代表性的鋰離子蓄電池組為控溫對象。自行搭建的基于TEC 的空間鋰離子蓄電池組主動控溫系統包括空間鋰離子蓄電池組模擬裝置、TEC控溫裝置和空間熱環境模擬裝置。圖1 為基于TEC 的空間鋰離子蓄電池組主動控溫系統結構示意圖。

圖1 基于TEC的空間鋰離子蓄電池組主動控溫系統結構示意圖

空間鋰離子蓄電池組模擬裝置為控溫目標，主要包含28個鋰離子蓄電池模擬件(圖1 中6)和1 個卡套(圖1 中5)。綜合考慮空間鋰離子蓄電池的熱容、質量、體積、熱分布等影響熱狀態的參數，采取等熱容、等外形尺寸的原則，設計了材質為2A12 鋁合金的中空圓柱模擬空間鋰離子蓄電池模擬件。分析蓄電池工作狀態發現：太陽電池向空間鋰離子蓄電池充電時，空間鋰離子蓄電池發熱量幾乎為0；蓄電池放電時會產生大量熱，導致蓄電池溫度升高，此時對溫控系統的控溫能力提出了更高的要求。采用質量、體積非常小的電薄膜加熱片通電放熱來模擬空間鋰離子蓄電池高發熱狀態。電薄膜加熱片環繞在中空鋁合金圓柱上，其長、寬根據中空鋁合金圓柱的周長、高度進行設計。

圖2 為卡套的結構示意圖。卡套固定鋰離子蓄電池，并與導線相結合將大量鋰離子蓄電池單體連接成鋰離子蓄電池組。處于卡套中間位置的鋰離子蓄電池散熱能力弱，處于四周的散熱能力強，卡套可以橫向導熱，有效減弱不同位置鋰離子蓄電池的溫度差異。為了與空間鋰離子蓄電池組所用卡套保持一致，我們設計卡套時，采用2A12 鋁合金，嚴格控制套筒之間的距離，盡可能減少冗余質量。為了滿足TEC控溫時不同部件間高熱導率的要求，鋰離子蓄電池模擬件與卡套底部、側壁間的接觸面涂抹高熱導率的導熱硅脂。此外，卡套打孔，其與位于主動控溫系統底部的打孔溫控板配合，通過螺桿和螺栓緊固卡套和溫控板的方式施加壓力，增加卡套、溫控板的貼合度，從而減小部件間的熱阻。卡套增設加強筋，防止受力時被撕裂。

圖2 卡套的結構示意圖

TEC 控溫裝置是核心設備，主要包括TEC 器件(圖1 中1)、柔性導熱墊(圖1 中2)、導熱塊(圖1 中3)和溫控板(圖1 中4)。利用帕爾貼效應，通電時TEC 器件一側吸熱，另一側放熱，當電流反向時，熱面和冷面互換，從而達到對目標設備升溫和降溫的目的。由于單個TEC 器件的控溫功率有限，為了實現對高發熱量的星載空間設備控溫，需采取多組TEC 器件互聯的方式。但是，當多個TEC 器件大面積陣列排布時，不同TEC 器件間的加工高度誤差會嚴重影響TEC 器件與空間設備的緊密貼合度，進而大大降低熱導率，降低控溫效率。為了解決這一工程難題，我們采用具有一定厚度的柔性導熱墊替代極薄的導熱硅脂作為TEC 器件與空間設備間的導熱介質，通過壓縮柔性導熱墊調整TEC 器件間的相對高度，消除因大面積陣列排布TEC 器件引起的控溫效率下降的現象。導熱塊位于TEC 器件下部，最主要的作用是增加TEC 器件的厚度，這是因為TEC 器件較薄，僅使用TEC 器件時其兩側的溫控板和空間設備距離過小，導致溫控板和空間設備間會產生很大的熱交換，不利于對空間設備溫控。為了減輕質量、增加熱傳導效率，導熱塊材質選擇2A12 鋁合金。溫控板位于TEC 溫控裝置最底層，起到支撐整個TEC 溫控裝置的作用，溫控板還能通過循環介質將TEC 器件產生的熱量傳輸到外界環境中。

空間熱環境模擬裝置為空間鋰離子蓄電池組模擬裝置、TEC 控溫裝置提供寬溫域的空間熱環境，是整個主動控溫系統的重要組成部分。空間熱環境模擬裝置主要包括溫控板和隔熱裝置。溫控板中的循環介質被恒溫循環器加熱或冷卻，從而調控整個空間鋰離子蓄電池組主動控溫系統的溫度。空間設備中循環介質普遍采用乙二醇，但是乙二醇有毒，對人體有害，并且強吸水特性會使乙二醇純度逐漸降低。因此，我們采用水和乙醇水混合溶液兩種介質取代乙二醇，模擬空間高溫環境時采用水介質，低溫時采用低凝固點的乙醇水混合溶液。隔熱裝置能有效隔絕主動控溫系統與外界進行熱交換，主要包含片狀氣凝膠和發泡劑。雖然發泡劑的導熱系數高于氣凝膠，但發泡劑能夠無定形膨脹，因此將其用于卡套與外界環境間的隔熱。氣凝膠熱導率很低，室溫熱導率不大于0.021 W/(m·K)，是隔熱裝置的主體，用于全方位包裹整個主動控溫系統。

2 主動控溫系統樣機空間熱環境模擬測試

根據基于TEC 的空間鋰離子蓄電池組的主動控溫系統設計方案，設計并加工各個配件，然后進行集成裝配，最后成功搭建主動控溫系統樣機。首先，本文進行樣機熱環境模擬能力測試。主動控溫系統樣機中28 個鋰離子蓄電池單體溫度有差異，因此選擇溫控板入水口溫度為控制溫度，即通過恒溫循環器調整入水口溫度為低溫環境要求的－10 ℃或高溫環境要求的50 ℃。

圖3 為入水口溫度為－10 ℃時鋰離子蓄電池單體溫度隨著時間變化情況，此時模擬低溫空間環境。如圖3(a)所示，在初始階段(前3 h)，由于鋰離子蓄電池單體與溫控板中循環介質溫差大，鋰離子蓄電池單體溫度迅速下降，隨著溫差縮小，蓄電池單體溫度下降速度逐漸變緩，最終趨于平衡。由于鋰離子蓄電池單體距離溫控板入水口距離不同，蓄電池單體間溫度略有差異，本文統計了28 個蓄電池單體之間的最大溫差，如圖3(b)所示。在整個降溫階段，最大溫差變化很小，維持在約0.6 ℃。圖3(c)顯示了28 個蓄電池單體的平均溫度。經過長達8 h 的降溫，蓄電池單體的平均溫度最終為－8.04 ℃，高于入水口的溫度－10 ℃。這是由于樣機的溫度遠遠低于環境溫度，隔熱裝置不能完全隔絕樣機與外界環境的熱交換。

圖3 入水口溫度為－10 ℃時鋰離子蓄電池單體溫度隨時間變化

圖4 為入水口溫度50 ℃時鋰離子蓄電池單體溫度隨著時間變化情況，此時模擬高溫空間環境。如圖4(a)所示，鋰離子蓄電池的升溫速率隨著溫差變小逐漸降低。與模擬低溫空間環境相比，升溫時蓄電池單體間溫差更大，升溫末期最大溫差達到1.0 ℃。圖4(c)顯示了升溫時蓄電池的平均溫度。平衡后蓄電池平均溫度達到46.63 ℃，與入水口的溫度相差約3.4 ℃。高溫平衡時蓄電池與入水口溫度的差值明顯高于低溫時，這可能是由于隨著溫度升高，氣凝膠和發泡劑的熱導率隨之提高，隔熱裝置隔熱能力降低。

圖4 入水口溫度50 ℃時鋰離子蓄電池單體溫度隨時間變化

3 主動控溫系統樣機溫控能力測試

圖5 為低溫環境下TEC 工作后鋰離子蓄電池單體溫度隨時間變化情況。為了降低空間能源消耗，TEC 的消耗功率限制≤45 W。如圖5(a)所示，初期階段，通過計算TEC 供電電源的電流和電壓得到TEC 的消耗功率，使其不超過45 W。由于28 路TEC 并聯，并聯后TEC 電阻很低，此時連接TEC 和電源的導線電壓很大，不能忽略。因此，對TEC 的消耗功率進行修正，選擇電源的電流和TEC 支路的電壓之積為TEC 的消耗功率。圖5(a)曲線在6.6 和7.5 h 處的拐角即是測量TEC 支路電壓和調整TEC 消耗功率產生的。圖5(b)為鋰離子蓄電池單體間最大溫差隨時間變化情況。蓄電池單體溫度增長速率大時，最大溫差也很大，這是由于此時TEC 兩側溫差小，TEC制冷功率大，蓄電池單體溫度迅速變化，不同蓄電池單體間溫度增長速率有差異。隨著蓄電池單體溫度趨于平衡，最大溫差也趨于穩定，約為0.5 ℃。如圖5(c)所示，最終蓄電池平均溫度為12.09 ℃，滿足≥10 ℃的指標。

圖5 低溫環境下TEC工作后鋰離子蓄電池單體溫度隨時間變化

圖6 為高溫環境下TEC 工作后鋰離子蓄電池單體溫度隨時間變化情況。TEC 工作后，蓄電池溫度迅速降低，在接近4 h 時，平均溫度即可達到31.60 ℃。空間鋰離子蓄電池組在放電時會產生大量熱量，增加TEC 的降溫難度。因此，在蓄電池平均溫度降到31.60 ℃時，通過電薄膜加熱片模擬蓄電池組放電工作時的熱狀態(功率100 W，時間10 min)，此時蓄電池溫度明顯升高，平均溫度最高達33.30 ℃。隨著放電工作結束，在TEC 致冷作用下，蓄電池溫度回落。整個控溫過程，蓄電池溫度都≤35 ℃，滿足指標要求。

圖6 高溫環境下TEC 工作后鋰離子蓄電池單體溫度隨時間變化

4 結論

本文開展基于TEC 的高發熱量空間設備的主動控溫技術研究，選擇高發熱量空間設備中有代表性的鋰離子蓄電池組，自行搭建了基于TEC 的空間鋰離子蓄電池組主動控溫系統，樣機包括空間鋰離子蓄電池組模擬裝置、TEC 控溫裝置和空間熱環境模擬裝置。實驗結果表明，主動控溫系統樣機能夠有效模擬寬溫域空間熱環境，此時蓄電池的平均溫度為－8.04～46.63 ℃，基于TEC 的主動控溫技術成功將蓄電池的平均溫度控制在適宜的工作溫度區間－12.09～33.30 ℃。基于TEC 的主動控溫技術有望解決高發熱量、對溫度敏感的星載空間設備的高精準、主動控溫的難題。