氫鎳蓄電池空間應(yīng)用壽命的影響因素

氫鎳蓄電池空間應(yīng)用壽命的影響因素

1氫鎳蓄電池的空間應(yīng)用氫銀儲(chǔ)量現(xiàn)在是模擬器中最重要的化學(xué)儲(chǔ)熱材料之一。中國(guó)的大多數(shù)高級(jí)和低軌探測(cè)器使用氫銀儲(chǔ)量，而低軌探測(cè)器也使用氫銀儲(chǔ)量來儲(chǔ)存和加熱。盡管目前受到高比能的鋰離子電池的沖擊,但是其成熟的飛行經(jīng)驗(yàn)和高可靠、長(zhǎng)壽命的特性還會(huì)使其在空間應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。目前國(guó)內(nèi)外在氫鎳蓄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。美國(guó)和俄羅斯對(duì)氫鎳蓄電池的技術(shù)研究起步早、空間應(yīng)用數(shù)量多、在軌累積工作時(shí)間長(zhǎng)、地面試驗(yàn)和空間飛行數(shù)據(jù)的積累也比較充分,對(duì)氫鎳蓄電池在軌充電管理技術(shù)及其對(duì)氫鎳蓄電池的壽命影響等方面的研究比較深入,其研究成果使氫鎳蓄電池的空間應(yīng)用可靠性得到了進(jìn)一步的提高。我國(guó)從上世紀(jì)80年代開始進(jìn)行氫鎳蓄電池方面的預(yù)先研究,到本世紀(jì)初開始步入空間應(yīng)用階段。雖然對(duì)氫鎳蓄電池空間應(yīng)用技術(shù)也開展了一定的研究并進(jìn)行了一系列的空間實(shí)踐,但由于起步晚、空間飛行數(shù)據(jù)少等原因,對(duì)氫鎳蓄電池技術(shù)的研究及空間工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)尚落后于國(guó)際先進(jìn)水平。2氫鎳蓄電池壽命預(yù)測(cè)模型美國(guó)空間公司在對(duì)長(zhǎng)期氫鎳蓄電池地面壽命試驗(yàn)和在軌飛行積累的大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)庫(kù),并轉(zhuǎn)化為氫鎳蓄電池壽命預(yù)測(cè)模型,用來反映和確定氫鎳蓄電池在空間運(yùn)行過程中影響其壽命和可靠性的因素及其對(duì)這些因素的敏感度。氫鎳蓄電池?cái)?shù)據(jù)庫(kù)包含的數(shù)據(jù)主要由地面加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)和在軌實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)兩部分構(gòu)成,研究主要針對(duì)氫鎳蓄電池的兩種失效模式進(jìn)行:漸變型的容量損失失效和突變型的短路失效。2.1蓄電池的充放電性能試驗(yàn)該項(xiàng)研究在相同的放電深度(78%)、溫度(地影期-5℃,光照期+8℃)、單體電池峰值電壓(1.54V)、充電速率(C/12)和過充率(1.15)下,對(duì)兩組蓄電池進(jìn)行了加速壽命試驗(yàn),兩組蓄電池分別采用C/100和C/200涓流充電速率。圖1顯示了不同涓流充電速率下,地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星蓄電池的預(yù)測(cè)壽命與放電深度的關(guān)系。圖中實(shí)線為相對(duì)于額定容量的放電深度,虛線為假設(shè)有10%容量裕度的放電深度。圖1表明,蓄電池容量下降與涓流充電速率密切相關(guān)。在最長(zhǎng)地影期時(shí),容量會(huì)稍稍下降,而在地影期縮短和放電深度減小時(shí)又會(huì)有所恢復(fù)。在較高的工作溫度下(10℃),需要較高的涓流速率(C/100)來抵消容量下降和相對(duì)較高的自放電。由于自放電相對(duì)較高,在高溫時(shí)較高的涓流速率(C/100)實(shí)際上并不會(huì)造成較高的過充量。然而在低溫時(shí),C/100的涓流速率雖然能夠有效防止容量下降,但同時(shí)也造成了較高的過充量,加速了損耗。涓流對(duì)蓄電池壽命的影響主要是其是否產(chǎn)生過充。另一組加入異常擾動(dòng)的壽命試驗(yàn),同樣顯示了蓄電池壽命對(duì)過充的敏感度。試驗(yàn)中蓄電池組在-5℃的溫度下充滿電,放電深度為額定容量的91.6%。在每次放電結(jié)束時(shí)以C/12的速率充電,過充率為1.25,然后以C/100的速率涓流充電,直到下次地影期放電。在每個(gè)44天的地影期之間相隔15天的光照期,在光照期每天放電深度約為35%。試驗(yàn)中,在第20個(gè)地影期之后制造一次異常,使其以C/20速率過充約90天。然后回到正常的試驗(yàn)過程中,蓄電池的性能還處于可接受的范圍內(nèi),但卻有了明顯的衰降。在26次循環(huán)之后,其中一個(gè)單體的電壓降到1V以下,發(fā)生了容量損失失效(如圖2)。而另一組蓄電池的地面加速試驗(yàn)中,不包括如上所述的異常。試驗(yàn)同樣為在-5℃的溫度下充滿電,峰值放電深度為額定容量的91.6%,充電速率為C/15,過充率為1.30,然后以C/100的速率涓流充電,直到下次地影期放電。該組蓄電池進(jìn)行了30次充放電循環(huán)加速壽命試驗(yàn),并沒有任何一個(gè)蓄電池單體發(fā)生失效。在最長(zhǎng)的地影期中,蓄電池單體的最低電壓為1.05V。該項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果顯示,30個(gè)充放電循環(huán)后,由容量損耗導(dǎo)致失效的可能性僅不到0.02%,而短路失效的可能性更少了幾個(gè)數(shù)量級(jí)(如圖3)。2.2在低溫情況下蓄電池的壽命溫度對(duì)保持蓄電池容量和性能下降速率有重要作用。通常我們認(rèn)為降低溫度能夠減緩蓄電池的損耗,但是還有其它因素能夠影響溫度所起的作用。圖4所示為在不同的涓流充電速率下,溫度變化對(duì)蓄電池壽命的影響。在低溫時(shí)(圖4中實(shí)線所示),蓄電池的壽命對(duì)涓流充電速率和過充量的敏感度較高,這是因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)不需要較多的過充來抵消自放電,因此幾乎所有的過充都用于增加蓄電池?fù)p耗了,尤其在涓流充電速率為較高的C/100時(shí)。在溫度相對(duì)較高時(shí),蓄電池的壽命對(duì)涓流充電速率不那么敏感。分析結(jié)果表明,在涓流充電速率為較高的C/100時(shí),高溫實(shí)際上使蓄電池的壽命增加了5年,而在涓流充電速率為較低的C/200時(shí),反倒減少了2~5年。以上分析表明,在設(shè)計(jì)氫鎳蓄電池的工作溫度和充電策略時(shí),需要同時(shí)考慮損耗速率和電池容量,這兩點(diǎn)同樣重要。特別是需要選擇與溫度相對(duì)應(yīng)的合適的涓流充電速率。2.3容量裕度的影響大量的試驗(yàn)結(jié)果表明,容量裕度對(duì)減緩蓄電池容量衰減更加重要。圖5顯示了研究結(jié)果,其中實(shí)線表示相對(duì)于額定容量有10%的裕度,虛線表示沒有裕度。在圖中,容量裕度減小了在較高放電深度部分的壽命下降斜率,從而減緩了容量損耗。其原因是,有了10%的容量裕度,蓄電池的壽命終點(diǎn)相當(dāng)于變成110%的放電深度,而不是100%。因此,如果在壽命初期能夠保證一定的容量裕度,在壽命末期,當(dāng)容量衰退成為制約壽命的主要因素時(shí),就能額外地延長(zhǎng)蓄電池壽命。2.4蓄電池的充電特性利用加速壽命試驗(yàn)結(jié)果對(duì)在軌使用年限對(duì)蓄電池壽命的影響進(jìn)行了分析,該組蓄電池試驗(yàn)制度為:放電深度78%,地影期溫度-5℃,光照期溫度+8℃,單體電池峰值電壓1.54V,充電速率C/12,在每次地影期后轉(zhuǎn)涓流充電前,過充率均為1.15。試驗(yàn)得到的蓄電池壽命損耗模型如圖6所示。結(jié)果表明,在C/100涓流充電速率下,蓄電池在16年時(shí)發(fā)生單體失效的概率為50%。蓄電池在軌工作期間,發(fā)生容量衰減的失效模式概率高于發(fā)生短路故障的失效模式概率。2.5氫鎳蓄電池放電深度在geo軌道上的最佳條件氣以上研究結(jié)果表明,在排除蓄電池單體及組件自身設(shè)計(jì)和制造缺陷的條件下,蓄電池壽命強(qiáng)烈依賴于放電深度(尤其是工作在高放電深度時(shí))、過充量、涓流充電率和工作溫度。另外,研究還揭示了以上因素之間的強(qiáng)耦合性,并提出:在最優(yōu)充電控制系統(tǒng)和最優(yōu)運(yùn)行條件的前提下,正確設(shè)計(jì)的氫鎳蓄電池能夠以70%~75%的放電深度在GEO軌道上可靠運(yùn)行超過30年。預(yù)測(cè)結(jié)果還揭示出,在最大放電深度時(shí),通過最優(yōu)化充電控制和工作溫度,能夠保證可靠運(yùn)行超過10年。3蓄電池充電速率的影響從上述影響蓄電池在軌使用壽命的因素可以看出,避免過充及在合適的使用溫度下,選擇合適的涓流充電速率是提高在軌使用可靠性的關(guān)鍵,也是蓄電池在軌充電管理技術(shù)的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)氫鎳蓄電池采用的充電管理方式主要有:溫度補(bǔ)償電壓控制、電子電量計(jì)控制、壓力終止控制、溫度上升速率控制等,均充分考慮了這一點(diǎn)。3.1溫度-v-t曲線控制溫度補(bǔ)償電壓控制(即V-T控制)是NASA最早針對(duì)鎘鎳蓄電池進(jìn)行充電控制最常用的方法。這種方法最大的好處是在鎘鎳蓄電池充電過程中,可以最大程度地降低發(fā)熱。在氫鎳蓄電池逐步取代鎘鎳蓄電池以后,對(duì)于那些原來使用鎘鎳蓄電池作為星載能源的成熟航天器或衛(wèi)星平臺(tái),無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,仍然沿用了V-T控制方法作為氫鎳蓄電池的充電終止控制手段。同時(shí),為適應(yīng)氫鎳蓄電池的熱特性和電特性,對(duì)控制數(shù)值進(jìn)行了適應(yīng)性修改。溫度補(bǔ)償電壓控制按照實(shí)現(xiàn)方式可以分為硬件V-T控制和數(shù)字V-T控制。硬件V-T控制即采用模擬電路實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償電壓控制。通過預(yù)設(shè)的溫度與電壓的關(guān)系,當(dāng)蓄電池充電電壓達(dá)到V-T曲線數(shù)值時(shí),控制電路即輸出控制信號(hào)切斷充電開關(guān)。由于蓄電池在軌運(yùn)行的過程中性能會(huì)逐漸衰降,因此一條固定的V-T曲線并不能滿足衛(wèi)星電源管理的需求,因此一般會(huì)預(yù)置幾條V-T曲線,可以通過遙控指令進(jìn)行選擇。圖7為我國(guó)東方紅三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)采用的典型的V-T曲線,共設(shè)置了6條曲線。這類硬件V-T控制方式將蓄電池充滿時(shí)其電壓與溫度視為基本呈線性關(guān)系,對(duì)電壓與溫度間的關(guān)系進(jìn)行了近似。數(shù)字V-T控制又稱為讀表控制,這是隨著星務(wù)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后,利用星務(wù)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的一種溫度補(bǔ)償電壓控制方式。其V-T曲線不再由模擬電路實(shí)現(xiàn),而是通過在星務(wù)計(jì)算機(jī)中預(yù)存電壓與溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)表,利用溫度值對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行控制。當(dāng)讀表系統(tǒng)判定蓄電池充電電壓達(dá)到當(dāng)前溫度對(duì)應(yīng)的充電終止電壓時(shí),即發(fā)出指令切斷充電開關(guān)。與硬件V-T采用電壓與溫度線性對(duì)應(yīng)關(guān)系不同,數(shù)字V-T曲線更好地結(jié)合蓄電池的特性,采用了更精確的終止充電的電壓與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)現(xiàn)方式上,實(shí)際的數(shù)字V-T曲線并不是一條連續(xù)的曲線,而是一個(gè)離散的數(shù)表。數(shù)字V-T曲線可以通過軟件參數(shù)注入方便地進(jìn)行調(diào)整。圖8為我國(guó)某型號(hào)衛(wèi)星所采用的硬件和數(shù)字V-T曲線,其中6條直線為硬件V-T曲線,2條曲線為數(shù)字V-T曲線,并針對(duì)大廳測(cè)試和熱試驗(yàn)設(shè)置了不同的曲線?？梢钥闯?數(shù)字V-T曲線可以充分考慮蓄電池的使用環(huán)境、工況以及電池個(gè)體差異等各項(xiàng)因素的影響,對(duì)充電終止電壓進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整,進(jìn)一步精細(xì)地對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。但是溫度補(bǔ)償電壓控制方式由于其采用電壓和溫度作為充電終止的控制信號(hào),而這兩者與荷電狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系隨著氫鎳蓄電池的性能衰降會(huì)不斷地發(fā)生變化,因此很難完全避免電池的過充或欠充。但當(dāng)電池過充時(shí),由于氧氣的析出及其與氫氣的復(fù)合,導(dǎo)致的大量放熱會(huì)造成電池溫度的迅速升高,此時(shí)電池電壓會(huì)很快滿足溫度對(duì)應(yīng)的充電終止電壓,使充電開關(guān)斷開。因此,溫度補(bǔ)償電壓控制在國(guó)內(nèi)外很多衛(wèi)星中,都作為備份的充電控制手段,避免主份充電控制方式故障時(shí)造成蓄電池過充受損。3.2geo衛(wèi)星方法充放電比率(c/d比率)即每個(gè)充放電周期蓄電池放出的電量和再充入電量的比率。用c/d比率進(jìn)行充電控制,是目前氫鎳蓄電池特別是地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星氫鎳蓄電池充電控制最廣泛采用的一種充電控制方式。對(duì)于GEO衛(wèi)星和低軌道(LEO)衛(wèi)星,其完全充電的含義不同。對(duì)于大多數(shù)LEO衛(wèi)星,放電深度比較低,典型值為35%~40%,控制的重點(diǎn)是盡量減小過充和發(fā)熱。因此,蓄電池通常只是充至其滿荷電狀態(tài)的85%左右,這種較低的荷電狀態(tài)非常適用于小的放電深度。而對(duì)于GEO衛(wèi)星,在最長(zhǎng)地影時(shí)蓄電池往往需放出其壽命初期容量的70%~80%的電量,因此在地影季必須對(duì)蓄電池進(jìn)行完全的充電。對(duì)于GEO衛(wèi)星,廣泛采用的方法是以固定的c/d比率給蓄電池充電,以C/10~C/25的高倍率給蓄電池充電至其放出電量的1.05~1.15倍,然后在地影季每天的涓流充電速率為C/60~C/100,以使蓄電池始終保持滿荷電狀態(tài)。早期使用氫鎳蓄電池的GEO衛(wèi)星,絕大多數(shù)采用地面計(jì)算放電電量和充電電量的方式,到達(dá)設(shè)定的c/d比率后,通過地面遙控指令轉(zhuǎn)為涓流充電。如國(guó)際通信衛(wèi)星-V,所有充電電流轉(zhuǎn)換功能均由地面遙控指令控制。通過對(duì)放電電流的積分操作,計(jì)算放電過程中放出的安時(shí)數(shù),據(jù)此計(jì)算出以高倍率C/21給蓄電池充電至1.15倍放出的安時(shí)數(shù)所需要的時(shí)間。在到達(dá)該時(shí)間時(shí),地面發(fā)出遙控指令轉(zhuǎn)入涓流充電。涓流充電保證蓄電池始終處于滿荷電狀態(tài)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,固定c/d比率控制逐漸演化為電子電量計(jì)控制。電子電量計(jì)也叫安時(shí)計(jì),其基本原理是通過計(jì)算蓄電池的放電電量和充電電量實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電的準(zhǔn)確控制,其實(shí)現(xiàn)方式可分為硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)兩種。對(duì)于硬件實(shí)現(xiàn),它是由置于電源控制設(shè)備中的控制電路,通過硬件方式累計(jì)蓄電池充放電的安時(shí)數(shù)進(jìn)行控制。在蓄電池放電期間,控制電路累計(jì)蓄電池的放電安時(shí)數(shù)。在蓄電池充電期間,控制電路累計(jì)蓄電池的充電安時(shí)數(shù)并實(shí)時(shí)計(jì)算蓄電池的荷電百分?jǐn)?shù),當(dāng)荷電百分?jǐn)?shù)達(dá)到預(yù)定的控制閾值時(shí),發(fā)出控制信號(hào)終止充電。軟件實(shí)現(xiàn)與硬件實(shí)現(xiàn)的不同之處,在于它不是通過硬件方式,而是通過軟件應(yīng)用程序采樣遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行電量積分。具有智能模塊或星務(wù)計(jì)算機(jī)的衛(wèi)星幾乎都采用軟件實(shí)現(xiàn)方法。在蓄電池放電期間,電源系統(tǒng)的智能模塊或星務(wù)計(jì)算機(jī)對(duì)蓄電池放電電流進(jìn)行采樣并積分,得出蓄電池的放電安時(shí)數(shù)。在蓄電池充電期間,智能模塊或星務(wù)計(jì)算機(jī)又不斷地對(duì)蓄電池充電電流進(jìn)行采樣并積分,實(shí)時(shí)計(jì)算蓄電池的充電安時(shí)數(shù)。智能模塊或星務(wù)計(jì)算機(jī)不斷比較充電安時(shí)數(shù)和放電安時(shí)數(shù),當(dāng)充電安時(shí)數(shù)大于放電安時(shí)數(shù)與預(yù)定充放電比的乘積時(shí),就發(fā)出控制信號(hào)終止蓄電池大電流充電轉(zhuǎn)涓流。充放電比是考慮了蓄電池組自放電、充電效率和采樣誤差之后的一個(gè)綜合系數(shù),取值可根據(jù)在軌情況不斷調(diào)整。3.3壓力控制方法對(duì)于氫鎳蓄電池,電池內(nèi)氫氣的壓力與電池的荷電狀態(tài)有著密切的關(guān)系。蓄電池放電時(shí),電池內(nèi)氫氣的壓力會(huì)線性下降,充電時(shí)則線性增加,在達(dá)到充滿時(shí)則保持穩(wěn)定。因此,氫鎳蓄電池內(nèi)氫氣的壓力可用于充電終止控制。采用壓力控制的通常做法,是在氫鎳蓄電池的壓力容器上粘貼應(yīng)變片或安裝壓力計(jì)、壓力傳感器,以測(cè)量電池的充電狀態(tài)。當(dāng)測(cè)量結(jié)果表明電池組已經(jīng)達(dá)到滿充電狀態(tài)時(shí),應(yīng)立即停止倍流充電轉(zhuǎn)涓流充電。但是采用壓力控制的方法也有缺陷。比如,測(cè)量壓力的應(yīng)變片在壓力較低時(shí)靈敏度較低,數(shù)據(jù)精度和重復(fù)性較差。此外,由于電池性能的差異,對(duì)于不同的單體電池在同一充電狀態(tài)下的壓力數(shù)據(jù)也不完全相同。另外,壓力傳感器和蓄電池兩者的性能都有隨時(shí)間衰降的問題,測(cè)得的數(shù)據(jù)如何修正也有問題。因此,國(guó)外文獻(xiàn)明確指出,不推薦壓力作為充電控制的主要控制手段。我國(guó)已發(fā)射的衛(wèi)星中,僅有個(gè)別低軌衛(wèi)星將壓力控制作為主要的充電管理方式,但是部分衛(wèi)星采用壓力遙測(cè)值作為斷涓流的控制信號(hào),當(dāng)壓力值達(dá)到預(yù)定閥值時(shí),就由地面發(fā)送指令停止涓流充電,防止蓄電池過充。3.4溫度上升速率在氫鎳蓄電池充電過程中,當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)較低時(shí),由于此時(shí)充電效率很高,加上充電的化學(xué)反應(yīng)為吸熱反應(yīng),此時(shí)蓄電池的溫度會(huì)下降;當(dāng)蓄電池逐漸接近充滿狀態(tài)時(shí),充電效率會(huì)逐步降低,轉(zhuǎn)換效率的降低將導(dǎo)致蓄電池的溫度升高;而當(dāng)蓄電池完全充滿后,將處于過充的化學(xué)反應(yīng)狀態(tài),充電的能量將全部轉(zhuǎn)換為熱能,此時(shí)溫度升高速率會(huì)進(jìn)一步提高。根據(jù)以上特性可知,針對(duì)已經(jīng)固定的充電電流,蓄電池的溫度上升速率能夠反映電池的荷電狀態(tài),因此可以利用蓄電池在充電過程中的溫度上升速率作為充電控制信號(hào)。為了防止蓄電池溫度緩慢升高導(dǎo)致溫度超限,采用此類充電控制的電源系統(tǒng),一般還會(huì)設(shè)定一個(gè)極限溫度,當(dāng)蓄電池溫度達(dá)到極限溫度時(shí),即使蓄電池溫度上升速率未達(dá)到門限,也切斷充電開關(guān),保護(hù)蓄電池。MartinMarietta公司的ASTRA-1A衛(wèi)星就采用了該充電控制方式。ASTRA-1A衛(wèi)星是一顆GEO通信衛(wèi)星,其電源系統(tǒng)采用了三組50Ah的氫鎳蓄電池,利用溫度上升速率作為主要的充電控制方式,同時(shí)利用V-T控制作