氫鎳蓄電池壽命影響分析及在軌充電控制技術(shù)研究

杜 紅 劉 震 曹 俊 崔 波

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

1 引言

氫鎳蓄電池目前已經(jīng)成為航天器最主要的化學(xué)儲能電源之一,國內(nèi)外發(fā)射的高軌道航天器幾乎100%采用氫鎳蓄電池,低軌道航天器也有相當(dāng)數(shù)量采用氫鎳蓄電池作為儲能電源。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)驗和高可靠、長壽命的特性還會使其在空間應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢,擴大其應(yīng)用范圍。

目前國內(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。美國和俄羅斯對氫鎳蓄電池的技術(shù)研究起步早、空間應(yīng)用數(shù)量多、在軌累積工作時間長、地面試驗和空間飛行數(shù)據(jù)的積累也比較充分,對氫鎳蓄電池在軌充電管理技術(shù)及其對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)用可靠性得到了進一步的提高。我國從上世紀80年代開始進行氫鎳蓄電池方面的預(yù)先研究,到本世紀初開始步入空間應(yīng)用階段。雖然對氫鎳蓄電池空間應(yīng)用技術(shù)也開展了一定的研究并進行了一系列的空間實踐,但由于起步晚、空間飛行數(shù)據(jù)少等原因,對氫鎳蓄電池技術(shù)的研究及空間工程應(yīng)用的經(jīng)驗尚落后于國際先進水平。

2 氫鎳蓄電池壽命模型及影響因素

美國空間公司在對長期氫鎳蓄電池地面壽命試驗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,并轉(zhuǎn)化為氫鎳蓄電池壽命預(yù)測模型,用來反映和確定氫鎳蓄電池在空間運行過程中影響其壽命和可靠性的因素及其對這些因素的敏感度[1-2]。氫鎳蓄電池數(shù)據(jù)庫包含的數(shù)據(jù)主要由地面加速壽命試驗數(shù)據(jù)和在軌實時數(shù)據(jù)兩部分構(gòu)成,研究主要針對氫鎳蓄電池的兩種失效模式進行:漸變型的容量損失失效和突變型的短路失效。

2.1 過充和涓流對蓄電池壽命的影響

該項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,對兩組蓄電池進行了加速壽命試驗,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)測壽命與放電深度的關(guān)系。圖中實線為相對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)。在最長地影期時,容量會稍稍下降,而在地影期縮短和放電深度減小時又會有所恢復(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較高的自放電。由于自放電相對較高,在高溫時較高的涓流速率(C/100)實際上并不會造成較高的過充量。然而在低溫時,C/100的涓流速率雖然能夠有效防止容量下降,但同時也造成了較高的過充量,加速了損耗。

圖1 不同涓流充電速率下,蓄電池的預(yù)測壽命與放電深度的關(guān)系Fig.1 Function betw een predicted life and discharge depth of battery at different trickle rates

涓流對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的壽命試驗,同樣顯示了蓄電池壽命對過充的敏感度。試驗中蓄電池組在-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%。試驗中,在第20個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,其中一個單體的電壓降到1V 以下,發(fā)生了容量損失失效(如圖2)。

圖2 加入異常情況的蓄電池地面加速壽命試驗數(shù)據(jù)Fig.2 Data of accelerated life experiment of battery on ground in present of abnormal conditions

而另一組蓄電池的地面加速試驗中,不包括如上所述的異常。試驗同樣為在-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。該組蓄電池進行了30次充放電循環(huán)加速壽命試驗,并沒有任何一個蓄電池單體發(fā)生失效。在最長的地影期中,蓄電池單體的最低電壓為1.05V。該項試驗結(jié)果顯示,30個充放電循環(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數(shù)量級(如圖3)。

圖3 未加入異常情況的蓄電池地面加速壽命試驗數(shù)據(jù)Fig.3 Data of accelerated life experiment of battery on ground in absent of abnormal conditions

2.2 溫度對蓄電池壽命的影響

溫度對保持蓄電池容量和性能下降速率有重要作用。通常我們認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,溫度變化對蓄電池壽命的影響。在低溫時(圖4中實線所示),蓄電池的壽命對涓流充電速率和過充量的敏感度較高,這是因為在低溫時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損耗了,尤其在涓流充電速率為較高的C/100時。在溫度相對較高時,蓄電池的壽命對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,高溫實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,反倒減少了2～5年。

以上分析表明,在設(shè)計氫鎳蓄電池的工作溫度和充電策略時,需要同時考慮損耗速率和電池容量,這兩點同樣重要。特別是需要選擇與溫度相對應(yīng)的合適的涓流充電速率。

2.3 容量裕度及放電深度對蓄電池壽命的影響

圖4 不同涓流充電速率和不同溫度下蓄電池的預(yù)測壽命與放電深度的關(guān)系Fig.4 Function between predicted life and discharging depth of battery at different trickle rates and temperatures

大量的試驗結(jié)果表明,容量裕度對減緩蓄電池容量衰減更加重要。圖5顯示了研究結(jié)果,其中實線表示相對于額定容量有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,就能額外地延長蓄電池壽命。

2.4 在軌使用年限對蓄電池壽命的影響

圖5 容量裕度對蓄電池的預(yù)測壽命與放電深度關(guān)系的影響Fig.5 Impact of capacity margin on the function between the predicted life and discharging depth of battery

利用加速壽命試驗結(jié)果對在軌使用年限對蓄電池壽命的影響進行了分析,該組蓄電池試驗制度為: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 壽命影響因素研究結(jié)果

以上研究結(jié)果表明,在排除蓄電池單體及組件自身設(shè)計和制造缺陷的條件下,蓄電池壽命強烈依賴于放電深度(尤其是工作在高放電深度時)、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耦合性,并提出:在最優(yōu)充電控制系統(tǒng)和最優(yōu)運行條件的前提下,正確設(shè)計的氫鎳蓄電池能夠以70%～75%的放電深度在GEO 軌道上可靠運行超過30年。預(yù)測結(jié)果還揭示出,在最大放電深度時,通過最優(yōu)化充電控制和工作溫度,能夠保證可靠運行超過10年。

圖6 在軌使用年限對蓄電池累積損耗壽命的影響Fig.6 Impact of on-orbit years on cumulative wear-out of battery

3 氫鎳蓄電池在軌充電管理技術(shù)

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。目前國內(nèi)外對氫鎳蓄電池采用的充電管理方式主要有:溫度補償電壓控制、電子電量計控制、壓力終止控制、溫度上升速率控制等,均充分考慮了這一點。

3.1 溫度補償電壓控制

溫度補償電壓控制(即V-T 控制)是NASA最早針對鎘鎳蓄電池進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,無論是國內(nèi)還是國外,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,為適應(yīng)氫鎳蓄電池的熱特性和電特性,對控制數(shù)值進行了適應(yīng)性修改。

溫度補償電壓控制按照實現(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現(xiàn)溫度補償電壓控制。通過預(yù)設(shè)的溫度與電壓的關(guān)系,當(dāng)蓄電池充電電壓達到V-T曲線數(shù)值時,控制電路即輸出控制信號切斷充電開關(guān)。由于蓄電池在軌運行的過程中性能會逐漸衰降,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,因此一般會預(yù)置幾條V-T曲線,可以通過遙控指令進行選擇。圖7為我國東方紅三號衛(wèi)星平臺采用的典型的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其電壓與溫度視為基本呈線性關(guān)系,對電壓與溫度間的關(guān)系進行了近似。

圖7 典型的硬件V-T曲線Fig.7 Typical hardw are V-T curve

數(shù)字V-T 控制又稱為讀表控制,這是隨著星務(wù)計算機出現(xiàn)后,利用星務(wù)計算機實現(xiàn)的一種溫度補償電壓控制方式。其V-T曲線不再由模擬電路實現(xiàn),而是通過在星務(wù)計算機中預(yù)存電壓與溫度對應(yīng)的數(shù)表,利用溫度值對應(yīng)的電壓值進行控制。當(dāng)讀表系統(tǒng)判定蓄電池充電電壓達到當(dāng)前溫度對應(yīng)的充電終止電壓時,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應(yīng)關(guān)系。在實現(xiàn)方式上,實際的數(shù)字V-T曲線并不是一條連續(xù)的曲線,而是一個離散的數(shù)表。數(shù)字V-T曲線可以通過軟件參數(shù)注入方便地進行調(diào)整。圖8為我國某型號衛(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,并針對大廳測試和熱試驗設(shè)置了不同的曲線。可以看出,數(shù)字V-T曲線可以充分考慮蓄電池的使用環(huán)境、工況以及電池個體差異等各項因素的影響,對充電終止電壓進行針對性的調(diào)整,進一步精細地對蓄電池進行充電管理。

圖8 數(shù)字V-T曲線與硬件V-T曲線的比較Fig.8 Comparison between digital V-T curve and hardw are V-T curve

但是溫度補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,而這兩者與荷電狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系隨著氫鎳蓄電池的性能衰降會不斷地發(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,由于氧氣的析出及其與氫氣的復(fù)合,導(dǎo)致的大量放熱會造成電池溫度的迅速升高,此時電池電壓會很快滿足溫度對應(yīng)的充電終止電壓,使充電開關(guān)斷開。因此,溫度補償電壓控制在國內(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造成蓄電池過充受損。

3.2 充放電比率控制

充放電比率(c/d 比率)即每個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。

對于GEO衛(wèi)星和低軌道(LEO)衛(wèi)星,其完全充電的含義不同。對于大多數(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。而對于GEO衛(wèi)星,在最長地影時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蓄電池進行完全的充電。

對于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G EO衛(wèi)星,絕大多數(shù)采用地面計算放電電量和充電電量的方式,到達設(shè)定的c/d 比率后,通過地面遙控指令轉(zhuǎn)為涓流充電。如國際通信衛(wèi)星-V[3],所有充電電流轉(zhuǎn)換功能均由地面遙控指令控制。通過對放電電流的積分操作,計算放電過程中放出的安時數(shù),據(jù)此計算出以高倍率C/21 給蓄電池充電至1.15倍放出的安時數(shù)所需要的時間。在到達該時間時,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控制。電子電量計也叫安時計,其基本原理是通過計算蓄電池的放電電量和充電電量實現(xiàn)對蓄電池充電的準(zhǔn)確控制,其實現(xiàn)方式可分為硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)兩種。

對于硬件實現(xiàn),它是由置于電源控制設(shè)備中的控制電路,通過硬件方式累計蓄電池充放電的安時數(shù)進行控制。在蓄電池放電期間,控制電路累計蓄電池的放電安時數(shù)。在蓄電池充電期間,控制電路累計蓄電池的充電安時數(shù)并實時計算蓄電池的荷電百分數(shù),當(dāng)荷電百分數(shù)達到預(yù)定的控制閾值時,發(fā)出控制信號終止充電。

軟件實現(xiàn)與硬件實現(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)用程序采樣遙測參數(shù)進行電量積分。具有智能模塊或星務(wù)計算機的衛(wèi)星幾乎都采用軟件實現(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)計算機對蓄電池放電電流進行采樣并積分,得出蓄電池的放電安時數(shù)。在蓄電池充電期間,智能模塊或星務(wù)計算機又不斷地對蓄電池充電電流進行采樣并積分,實時計算蓄電池的充電安時數(shù)。智能模塊或星務(wù)計算機不斷比較充電安時數(shù)和放電安時數(shù),當(dāng)充電安時數(shù)大于放電安時數(shù)與預(yù)定充放電比的乘積時,就發(fā)出控制信號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綜合系數(shù),取值可根據(jù)在軌情況不斷調(diào)整。

3.3 壓力終止充電控制

對于氫鎳蓄電池,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,電池內(nèi)氫氣的壓力會線性下降,充電時則線性增加,在達到充滿時則保持穩(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、壓力傳感器,以測量電池的充電狀態(tài)。當(dāng)測量結(jié)果表明電池組已經(jīng)達到滿充電狀態(tài)時,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,測量壓力的應(yīng)變片在壓力較低時靈敏度較低,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間衰降的問題,測得的數(shù)據(jù)如何修正也有問題。因此,國外文獻明確指出,不推薦壓力作為充電控制的主要控制手段[4]。我國已發(fā)射的衛(wèi)星中,僅有個別低軌衛(wèi)星將壓力控制作為主要的充電管理方式,但是部分衛(wèi)星采用壓力遙測值作為斷涓流的控制信號,當(dāng)壓力值達到預(yù)定閥值時,就由地面發(fā)送指令停止涓流充電,防止蓄電池過充。

3.4 溫度上升速率充電控制

在氫鎳蓄電池充電過程中,當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)較低時,由于此時充電效率很高,加上充電的化學(xué)反應(yīng)為吸熱反應(yīng),此時蓄電池的溫度會下降;當(dāng)蓄電池逐漸接近充滿狀態(tài)時,充電效率會逐步降低,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,此時溫度升高速率會進一步提高。

根據(jù)以上特性可知,針對已經(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。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),一般還會設(shè)定一個極限溫度,當(dāng)蓄電池溫度達到極限溫度時,即使蓄電池溫度上升速率未達到門限,也切斷充電開關(guān),保護蓄電池。

Martin M arietta 公司的AS TRA-1A衛(wèi)星就采用了該充電控制方式[5]。AS TRA-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,同時利用V-T 控制作為備份。充電過程中,將過去7min 的溫度變化作為溫度上升速率(如果是溫度下降即為負值),當(dāng)溫度上升速率滿足:

其中,T表示蓄電池溫度,t為時間變量。

即當(dāng)由于充電引起的蓄電池溫度上升速率達到4℃/h時,蓄電池停止充電。

采用溫度上升速率作為蓄電池充電控制方式,能很準(zhǔn)確地判定蓄電池的荷電狀態(tài),但蓄電池溫度的變化還受衛(wèi)星外熱流等因素的影響,同時蓄電池性能的衰降也會影響溫度上升速率門限值與荷電狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系,因此采用該方法需要綜合考慮的因素較多。因此,該控制方法比較適合采用軟件方式,可以方便地根據(jù)工況設(shè)定不同的溫度上限值、溫度上升速率門限值等,實現(xiàn)對蓄電池充電管理的優(yōu)化。

4 結(jié)束語

通過氫鎳蓄電池壽命模型和影響壽命因素的分析可以看到,氫鎳蓄電池放電深度、溫度、過充量、過充率及在軌工作時間是影響氫鎳蓄電池壽命和可靠性的主要因素[6],這些因素主要可以歸納于在軌充放電管理的技術(shù)范疇。

在充電管理方面,隨著星務(wù)計算機的普遍采用,電子電量計控制方式得到了廣泛的應(yīng)用。同時,采用電壓、壓力、溫度作為充電終止控制信號的充電管理方式也有著廣泛的應(yīng)用。無論國外還是國內(nèi)衛(wèi)星都采用了兩種或者更多種的充電管理方式,避免了由于一種控制方式失效造成的電池過充。但是諸如利用溫度上升速率等對氫鎳蓄電池進行精確充電管理和控制的技術(shù),由于受數(shù)據(jù)采集技術(shù)、器件可靠性技術(shù)等條件制約,在我國尚未得到應(yīng)用。國外對這些技術(shù)的研究及其研究成果的工程應(yīng)用,為氫鎳蓄電池空間應(yīng)用可靠性的進一步提高提供了保障,值得我國借鑒和參考。

References)

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