天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器氫鎳蓄電池內(nèi)部溫度場(chǎng)仿真分析與驗(yàn)證

馬麗萍,袁怒安,張 璟,楊 廣,張 平

(上?？臻g電源研究所,上海 200245)

0 引言

航天器用高壓氫鎳電池具有質(zhì)量比能量高、工作壽命長(zhǎng)、耐過(guò)充過(guò)放等優(yōu)點(diǎn),并可通過(guò)氫壓指示電池荷電程度[1]。20世紀(jì)70年代,美國(guó)、俄羅斯和法國(guó)等開展了氫鎳電池的研制,目前氫鎳電池已廣泛用于衛(wèi)星、空間站等領(lǐng)域,如美國(guó)的高軌衛(wèi)星幾乎全部使用氫鎳電池,低軌道從哈勃衛(wèi)星開始也在逐步大量使用。我國(guó)在20世紀(jì)80年代開始高壓氫鎳電池的研究,目前已用于部分型號(hào)[2]。氫鎳蓄電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其熱傳導(dǎo)路徑較長(zhǎng),電池內(nèi)部溫度差異大。由氫鎳電池的工作原理可知,電池極堆是電池的發(fā)熱體,在充電末期和放電過(guò)程中會(huì)釋出熱量,這會(huì)導(dǎo)致電池極堆部分溫度高,上下殼體溫度低,單體電池出現(xiàn)溫差。該溫差過(guò)大時(shí)可導(dǎo)致水蒸氣在溫度較低的電池殼壁上凝結(jié)[3-4]。為維持電池殼體內(nèi)水蒸氣壓的平衡,水分不斷從電極堆內(nèi)蒸發(fā)出,導(dǎo)致電極堆干涸,縮短氫鎳蓄電池的使用壽命。因此,須將單體電池內(nèi)部溫差控制在合理范圍。

本文對(duì)氫鎳蓄電池內(nèi)部溫度場(chǎng)熱仿真模型建立進(jìn)行了研究,并將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比以驗(yàn)證熱仿真模型的合理性,再用經(jīng)驗(yàn)證的仿真模型對(duì)TG-1目標(biāo)飛行器用氫鎳蓄電池的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1 高壓氫鎳電池結(jié)構(gòu)組成及熱效應(yīng)

高壓氫鎳蓄電池主要由鎳電極、氫電極、隔膜、擴(kuò)散網(wǎng)、電解液、電堆結(jié)構(gòu)件和殼體組成,其單體結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部電池電堆結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氫鎳電池示意Fig.1 Sketch of Ni-H2cell

氫鎳蓄電池?zé)崃縼?lái)源主要包括可逆熱效應(yīng)、極化熱、過(guò)充電過(guò)程中的氫氧復(fù)合熱。國(guó)外對(duì)氫鎳電池的熱效應(yīng)進(jìn)行了大量研究[5-6]。充、放電過(guò)程的總熱生成速率可分別表示為

式中：V為電池腔體的體積;I為電池的總電流;E為電池電壓;ΔHa為充電過(guò)程總反應(yīng)的焓值,且ΔHa=145.50 k J/mol;η為充電時(shí)的電流效率;t為時(shí)間;P為電池腔內(nèi)的壓力;Q為產(chǎn)生的熱量;F為法拉第常數(shù);n為電化學(xué)反應(yīng)得失電子數(shù);ΔHa/(ηF)=1.508 V。只需獲知?dú)滏囆铍姵卦诠ぷ鬟^(guò)程中的充放電電流、充放電電壓和充電效率,即可算得發(fā)熱量。

2 氫鎳蓄電池?zé)岱抡婺Ｐ徒?/h2>

為更接近實(shí)際產(chǎn)品,提高熱仿真分析結(jié)果的可靠性,仿真時(shí)采用三維(3D)模型。氫鎳蓄電池單體的3D模型零件多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理后,建立3D模型及仿真計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。電堆中的鎳電極為熱源體,為保證計(jì)算精度對(duì)其作局部加密處理。

氫鎳蓄電池內(nèi)的熱傳遞包括傳導(dǎo)、輻射、壓力容器內(nèi)氫氣的自然對(duì)流換熱及多孔介質(zhì)內(nèi)氫氣生成與吸收時(shí)的強(qiáng)迫對(duì)流換熱。研究表明,傳導(dǎo)在鎳氫電池內(nèi)的傳熱中為主導(dǎo)因素,故本文熱仿真主要分析傳導(dǎo)散熱,不考慮輻射和對(duì)流。

圖2 氫鎳蓄電池?zé)岱抡嬗?jì)算3D模型及仿真計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 3D model and grid diagram of Ni-H2cell for thermal simulation

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 氫鎳蓄電池內(nèi)部溫度分布仿真結(jié)果

仿真邊界條件與氫鎳蓄電池進(jìn)行發(fā)熱量測(cè)試的邊界條件相同,即真空絕熱狀態(tài),環(huán)境溫度-5℃、電池以23 A放電至1.0 V。初始溫度(270±0.3)K時(shí)氫鎳蓄電池絕熱放電過(guò)程中放電電壓U如圖3所示。將該電壓代入式(2)即可得電池在放電過(guò)程中的瞬時(shí)發(fā)熱量。

圖3 氫鎳蓄電池電壓隨放電時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Variation of voltage with discharge time for Ni-H2cell

氫鎳蓄電池不同放電時(shí)間的熱仿真溫度分布如圖4、5所示?？梢?由于正負(fù)極片、隔膜、氣體擴(kuò)散網(wǎng)、中軸及上下?lián)醢宓葘?dǎo)熱系數(shù)的差異,在電堆內(nèi)部,產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)鎳電極片傳導(dǎo)進(jìn)行重新分配,電堆內(nèi)部徑向傳熱速率遠(yuǎn)高于軸向。隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng),電池溫度升高。

圖4 放電15 min時(shí)溫度分布Fig.4 Temperature distribution of Ni-H2cell after 15 min discharge

圖5 放電118 min時(shí)溫度分布Fig.5 Temperaturedistribution of Ni-H2cell after 118 min discharge

3.2 氫鎳蓄電池殼體表面溫度分布實(shí)測(cè)值

測(cè)試氫鎳蓄電池發(fā)熱量時(shí),殼體表面的測(cè)溫點(diǎn)分布如圖6所示,測(cè)得的電池表面溫度分布及表面最大溫差分布如圖7所示。由圖可知：在整個(gè)放電過(guò)程中電池溫度變化較平穩(wěn),與時(shí)間基本呈線性關(guān)系;殼體同時(shí)刻的最大溫差達(dá)一定程度后呈穩(wěn)定趨勢(shì),約6℃;最高溫度出現(xiàn)在電堆中間位置處(該處散熱最差),其次是電堆下,之后,依次為焊接環(huán)處與上圓頂點(diǎn)、上圓頂中、下圓頂中、下圓頂點(diǎn)。

圖6 氫鎳蓄電池殼體表面測(cè)溫點(diǎn)分布Fig.6 Distribution of temperature test point on outer shell of Ni-H2cell

圖7 氫鎳蓄電池殼體表面溫度分布試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test result of temperature distribution on outer shell of Ni-H2cell

3.3 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

氫鎳蓄電池恒電流絕熱放電過(guò)程中電池殼體表面的實(shí)際測(cè)量溫度與熱仿真模擬結(jié)果比較如圖8～15所示。由圖可知：實(shí)際溫度測(cè)試結(jié)果與本文熱仿真模型的計(jì)算值較一致,兩者最大溫差值僅0.7℃,驗(yàn)證了熱仿真模型的正確性。

圖8 氫鎳蓄電池放電過(guò)程中電堆中溫度Fig.8 Temperature in power heap on dischargeprocess of Ni-H2cell

圖9 氫鎳蓄電池放電過(guò)程中電堆下溫度Fig.9 Temperature under power heap on discharge process of Ni-H2cell

圖10 氫鎳蓄電池放電過(guò)程中焊縫處溫度Fig.10 Temperatureat weld on discharge process of Ni-H2cell

圖11 氫鎳蓄電池放電過(guò)程中下圓頂點(diǎn)處溫度Fig.11 Temperature at down domepoint on discharge process of Ni-H2cell

圖12 氫鎳蓄電池放電過(guò)程中上圓頂中溫度Fig.12 Temperature at middle of upper dome on discharge process of Ni-H2cell

圖13 氫鎳蓄電池放電過(guò)程中下圓頂中溫度Fig.13 Temperature at middle of down dome on dischargeprocess of Ni-H2cell

3.4 TG-1目標(biāo)飛行器用40 A?h氫鎳蓄電池單體熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

用熱仿真模型對(duì)TG-1目標(biāo)飛行器用40 A?h氫鎳蓄電池的電極尺寸對(duì)電池內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。因單體電池殼體直徑不變,用熱仿真模型對(duì)電堆尺寸優(yōu)化過(guò)程時(shí),對(duì)相同設(shè)計(jì)的電池,保持電堆外徑不變。另外,由于鎳電極為充放電過(guò)程的主要熱源,將鎳電極作為基本變量,其他氫電極、氣體擴(kuò)散網(wǎng)、隔膜等組件均隨鎳電極尺寸而作比例變化。尺寸優(yōu)化過(guò)程中,鎳電極厚度取值越薄,則其內(nèi)徑越小。厚度減小,利于散熱,而內(nèi)徑越小,散熱越慢,兩者相互制約,共同影響電池內(nèi)部溫度場(chǎng)的最終分布。

在鎳電極外徑確定,并保證電極堆體積不變的條件下,本文對(duì)40 A?h氫鎳蓄電池的電極厚度和內(nèi)徑進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果見表1。隨著鎳電極厚度的增加,內(nèi)徑也在增大,電池內(nèi)部的溫差呈增加趨勢(shì)。相對(duì)鎳電極內(nèi)徑,鎳電極厚度是影響電池內(nèi)部溫度差的主要因素,厚度越大,電池內(nèi)部的最大溫差越大。但是,為減少電池內(nèi)部溫差而使用薄形電極將增大電池質(zhì)量,降低其比能量。因此,應(yīng)使電池內(nèi)部最大溫差在合理范圍內(nèi)盡可能選用厚鎳電極。

圖14 氫鎳蓄電池放電過(guò)程中正極柱點(diǎn)溫度Fig.14 Temperature at positive column point on discharge process of Ni-H2cell

圖15 氫鎳蓄電池放電過(guò)程中上圓頂點(diǎn)溫度Fig.15 Temperatureat up dome point on discharge process of Ni-H2cell

表1 40 A?h氫鎳電池?zé)嵩O(shè)計(jì)優(yōu)化Tab.1 Optimization of thermal design for 40 A?h Ni-H2cell

3.5 TG-1目標(biāo)飛行器用40 A?h氫鎳蓄電池溫度場(chǎng)測(cè)試

根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果,研制了TG-1目標(biāo)飛行器用40 A?h氫鎳電池,并對(duì)單體電池內(nèi)部溫度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。根據(jù)熱仿真結(jié)果,電池極堆處的溫度應(yīng)為最高,故在電池極堆處放置了溫度傳感器,在電池殼體表面粘貼溫度傳感器,位置如圖16所示。

測(cè)試環(huán)境為真空狀態(tài),溫度15℃,試驗(yàn)溫度允許偏差±2℃。試驗(yàn)開始前以0.1C對(duì)電池充電12 h,當(dāng)環(huán)境達(dá)到設(shè)定的要求后,對(duì)電池以0.5C放電37 min,0.4C充電48 min,連續(xù)進(jìn)行5次充放電循環(huán)。每次充放電循環(huán)結(jié)束時(shí)的溫度見表2。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：放電結(jié)束時(shí)40 A?h氫鎳電池單體最大溫差不大于5.0℃,充電結(jié)束時(shí)溫差不大于1℃,與熱仿真結(jié)果相接近。該結(jié)果驗(yàn)證了TG-1目標(biāo)飛行器用40 A?h氫鎳蓄電池單體熱設(shè)計(jì)的合理性。

圖16 40 A?h氫鎳蓄電池溫度測(cè)試點(diǎn)分布Fig.16 Distribution of temperature test point on cell

表2 充放電終止時(shí)氫鎳蓄電池溫度Tab.2 Temperature of end charge and discharge for Ni-H2cell

4 結(jié)論

本文建立了氫鎳蓄電池?zé)岱抡婺Ｐ?。真空絕熱邊界條件下放電過(guò)程中的熱仿真值與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析表明,仿真計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果具有良好的一致性,兩者的溫差最大僅0.7℃,驗(yàn)證了仿真模型的有效性。用該模型對(duì)TG-1目標(biāo)飛行器用40 A?h氫鎳蓄電池進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)優(yōu)化,表明鎳電極厚度對(duì)電池內(nèi)部最大溫差有決定性的影響。由40A?h氫鎳蓄電池內(nèi)部溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)值可知：放電結(jié)束時(shí)最大溫差不大于5.0℃,與熱設(shè)計(jì)結(jié)果相符,表明TG-1目標(biāo)飛行器用40 A?h氫鎳蓄電池?zé)嵩O(shè)計(jì)合理。

目前,TG-1目標(biāo)飛行器已在軌運(yùn)行約2月,氫鎳蓄電池溫度正常。TG-1目標(biāo)飛行器獨(dú)立飛行期間,外回路溫度2℃,電池組運(yùn)行溫度5～6℃,電池模塊與冷板溫差小于1℃;與神舟八號(hào)飛船對(duì)接后組合體飛行期間,外回路溫度8℃,電池組運(yùn)行溫度11～12℃,電池模塊與冷板溫差小于1℃?？梢?氫鎳蓄池在合理溫度范圍內(nèi)工作,并可推知電池單體內(nèi)部溫差小于5℃,符合設(shè)計(jì)要求。

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