衛(wèi)星氫鎳蓄電池電解液在軌回流特性仿真

周志成李峰黃華徐珩衍檀立新（中國空間技術(shù)研究院，北京 00094） （中國航天電子集團(tuán)第十八研究所，天津 300384）

衛(wèi)星氫鎳蓄電池電解液在軌回流特性仿真

周志成1李峰1黃華1徐珩衍1檀立新2
（1中國空間技術(shù)研究院，北京 100094） （2中國航天電子集團(tuán)第十八研究所，天津 300384）

氫鎳蓄電池電解液在軌流動(dòng)特性是影響其工作性能和使用壽命的重要因素，對(duì)蓄電池設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要意義。針對(duì)高軌通信衛(wèi)星使用的80Ah氫鎳蓄電池，建立了電解液流動(dòng)運(yùn)動(dòng)的三維仿真模型，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值仿真方法，對(duì)氫鎳蓄電池單體內(nèi)的電解液在軌微重力條件下的流動(dòng)特性和分布特點(diǎn)進(jìn)行了仿真研究。通過對(duì)比分析不同邊界條件下的仿真結(jié)果，提出了在蓄電池極堆與殼體兩端之間增加電解液流動(dòng)路徑可以提高電解液回流速度，并改進(jìn)衛(wèi)星氫鎳蓄電池在軌工作性能，研究結(jié)果可為衛(wèi)星蓄電池和電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

氫鎳蓄電池；電解液；接觸角；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；衛(wèi)星

1 引言

蓄電池作為電源系統(tǒng)的重要儲(chǔ)能部件，其充放電性能是影響航天器在軌工作和使用壽命的重要因素。氫鎳蓄電池具有質(zhì)量比能量高、工作壽命長、耐過充放等特點(diǎn)［1］，因此近些年來在航天器上被廣泛使用。如何提高氫鎳蓄電池的性能，確保航天器的使用壽命和壽命末期時(shí)系統(tǒng)工作指標(biāo)，一直是航天科技人員和相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

氫鎳蓄電池在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量并導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度上升及溫度梯度變大，對(duì)其工作性能的穩(wěn)定性存在潛在影響，而這方面是國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。目前，關(guān)于蓄電池的溫度場特性研究已通過數(shù)值仿真［2］和試驗(yàn)測量［1］等方法分析蓄電池內(nèi)部熱量的產(chǎn)生和傳導(dǎo)機(jī)理，確定溫度場分布，為蓄電池溫度控制和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考［3－4］。但從氫鎳蓄電池的工作原理來看，航天器使用的蓄電池內(nèi)部電解液的分布和流動(dòng)特性也是影響其工作壽命和性能指標(biāo)的重要因素，而這方面的研究工作相對(duì)開展較少。

本文以高軌通信衛(wèi)星使用的80Ah氫鎳蓄電池為對(duì)象，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值仿真方法，對(duì)蓄電池殼體內(nèi)的電解液在軌工作時(shí)的分布和流動(dòng)特性進(jìn)行仿真研究，總結(jié)電解液的分布特點(diǎn)，可為蓄電池的改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 氫鎳蓄電池工作原理與建模

2.1 蓄電池工作原理

衛(wèi)星用氫鎳蓄電池單體的結(jié)構(gòu)形式如圖1（a）所示，一般由兩端的半球和中間柱段組成。蓄電池主要由頂部殼體的正負(fù)極柱、殼體內(nèi)部極堆和其他安裝輔助器件組成，極堆外圍充滿氫氣。電池充電時(shí)極堆的負(fù)極生成氫氣，電池內(nèi)部壓力上升；電池放電時(shí)消耗氫氣，電池內(nèi)部壓力下降。

氫鎳蓄電池的理想工作狀態(tài)是極堆中的電解液不能多更不能少，電解液在整個(gè)容器內(nèi)循環(huán)。但氫鎳蓄電池在軌反復(fù)充／放電使用過程中，極堆內(nèi)的電解液會(huì)有所消耗，可能導(dǎo)致衛(wèi)星壽命末期時(shí)蓄電池的輸出電壓等性能參數(shù)下降，影響衛(wèi)星工作性能。為解決這一工程問題，一般蓄電池單體內(nèi)會(huì)多充少量的電解液（約幾十克），這部分電解液稱為“游離電解液”。衛(wèi)星在軌工作期間，如何保證極堆內(nèi)電解液消耗后，這部分游離電解液能快速回流到極堆內(nèi)，是決定蓄電池單體工作壽命和工作性能的一個(gè)關(guān)鍵問題。而氫鎳蓄電池的極堆部分主要由多孔介質(zhì)材料構(gòu)成，因此只要這部分“游離電解液”在軌工作過程中能夠保持或者快速流動(dòng)到極堆附近，就能確保其在需要時(shí)快速回流到極堆內(nèi)。

2.2 蓄電池仿真建模

根據(jù)氫鎳蓄電池的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為分析蓄電池殼體內(nèi)游離電解液在軌工作時(shí)的分布特點(diǎn)和回流特性，建立了蓄電池單體的三維幾何模型。在建模時(shí)對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，忽略蓄電池內(nèi)部小尺寸部件，以提高仿真計(jì)算效率。如圖1（b）所示，蓄電池單體仿真幾何模型主要包括殼體和內(nèi)部極堆，幾何尺寸以80Ah氫鎳蓄電池單體結(jié)構(gòu)為參考，殼體內(nèi)徑為120mm，殼體厚度5mm，總高為220mm；極堆直徑為108mm，即極堆與殼體的間距為6mm；高度與殼體圓柱段高度相同為100mm。

3 數(shù)值仿真方法

3.1 流體運(yùn)動(dòng)方程

由流體力學(xué)知識(shí)可知，蓄電池的電解液為不可壓縮流體，令其密度為ρ，運(yùn)動(dòng)學(xué)粘性系數(shù)為μ，則其運(yùn)動(dòng)方程為質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程（一般統(tǒng)稱為Navier－Stokes方程［5］）為：

式中▽為拉普拉斯算子；t表示時(shí)間；u為流體在計(jì)算坐標(biāo)系內(nèi)的速度矢量；P為流體的壓強(qiáng)；f為流體在外力作用下的加速度矢量。

3.2 邊界條件

衛(wèi)星在軌工作時(shí)，蓄電池內(nèi)的電解液處于空間失重環(huán)境，此時(shí)液體的表面張力成為主導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力。在蓄電池殼體壁面處，采用粘性流體的壁面無滑移條件，即在固體壁面處流體的速度矢量u＝0。對(duì)于電解液與氫氣之間的自由液面，需要針對(duì)液體的速度和壓強(qiáng)建立邊界條件。沿自由液面的切向和法向的邊界條件分別為［6］：

式中 un和uτ分別為自由液面處的法向和切向速度；P0為氣體的環(huán)境壓強(qiáng)；σ為表面張力系數(shù)；k為自由液面的平均曲率；τ和n分別表示自由液面的切向和法向。

本文的數(shù)值仿真計(jì)算采用CFD商用軟件FLOW3D完成，F(xiàn)LOW3D是一款成熟的兩相流CFD軟件，采用VOF方法計(jì)算液體與氣體之間的界面運(yùn)動(dòng)。FLOW3D軟件經(jīng)常用于低重及微重條件下的液體運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真，其正確性和實(shí)用性已得到廣泛的證明［7－8］。FLOW3D軟件提供了多種可供選擇的流體運(yùn)動(dòng)方程求解選項(xiàng)，本文在具體進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，結(jié)合微重力條件下蓄電池電解液運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，考慮了流體粘性、表面張力等作用，采用層流模型?；贔LOW3D軟件建立的蓄電池計(jì)算網(wǎng)格如圖1（c）所示，共計(jì)由350 000個(gè)六面體網(wǎng)格單元組成。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 仿真結(jié)果

本文在計(jì)算時(shí)假設(shè)蓄電池單體內(nèi)游離電解液的質(zhì)量為50g，電解液的密度取為1.25×103kg／m3。如前文所述，當(dāng)蓄電池極堆需要補(bǔ)充電解液時(shí)，希望游離態(tài)電解液能快速回流到極堆內(nèi)。為保證仿真結(jié)果對(duì)工程實(shí)際具有指導(dǎo)意義，在計(jì)算時(shí)給定較為保守的初始條件，即假設(shè)蓄電池單體內(nèi)50g電解液在計(jì)算初始時(shí)刻全部位于殼體的一端（如圖1（b）所示，電解液全部位于殼體底部）。

衛(wèi)星在軌工作期間處于失重或微重力狀態(tài)，此時(shí)電解液將在表面張力的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，并最終達(dá)到平衡狀態(tài)。由流體力學(xué)知識(shí)可知［9］，電解液的運(yùn)動(dòng)及分布規(guī)律主要與其對(duì)蓄電池殼體內(nèi)表面的浸潤性有關(guān)。浸潤性是指液體對(duì)固體的潤濕現(xiàn)象，通常用接觸角來衡量，接觸角越小表示固體表面的親水性越強(qiáng)，而接觸角大于90°的固體表面則為疏水表面［9－10］。為利用表面張力來吸附電解液，蓄電池殼體內(nèi)應(yīng)該采用親水材料，但考慮到加工工藝和涂層工藝等因素，殼體內(nèi)部的浸潤性存在一定的不確定性。因此，本文在仿真計(jì)算時(shí)考慮了三種不同接觸角：5°、30°和60°。

接觸角為5°時(shí)的不同時(shí)刻電解液在蓄電池殼體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程和分布位置仿真結(jié)果如圖2所示，計(jì)算時(shí)假設(shè)重力加速度為0。由仿真結(jié)果可知，計(jì)算開始后5s電解液的分布位置與100s時(shí)已經(jīng)差別很小，這表明當(dāng)接觸角很小時(shí)，電解液在表面張力作用下很快就運(yùn)動(dòng)到了極堆附近，由于蓄電池殼體與極堆之間的間隙很小，電解液在此位置能同時(shí)與殼體和極堆接觸，增大了表面張力的作用面積，因此電解液可在此位置達(dá)到微重力條件下的平衡狀態(tài)。

接觸角為30°和60°時(shí)的仿真結(jié)果分別如圖3和圖4所示?？芍?，雖然電解液最終的分布狀態(tài)存在區(qū)別，但是經(jīng)過一定時(shí)間的運(yùn)動(dòng)后大部分穩(wěn)定分布在蓄電池極堆附近區(qū)域。仔細(xì)比較圖2～圖4的仿真結(jié)果可知，接觸角越大，電解液由蓄電池殼體底部向中間位置運(yùn)動(dòng)的過程越長，不利于電解液的快速回流。游離電解液質(zhì)心位置沿蓄電池縱向的時(shí)間變化曲線如圖5所示，圖5直觀描述了電解液由殼體底部向極堆附近運(yùn)動(dòng)的過程，可以看出，接觸角越大，電解液回流速度越慢。

圖2 接觸角5°時(shí)電解液運(yùn)動(dòng)過程仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of electrolyte flow with 5°contact angle

圖3 接觸角30°時(shí)電解液運(yùn)動(dòng)過程仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of electrolyte flow with 30°contact angle

圖4 接觸角60°時(shí)電解液運(yùn)動(dòng)過程仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of electrolyte flow with 60°contact angle

圖5 電解液質(zhì)心位置沿蓄電池縱向的時(shí)間變化曲線Fig.5 Moving curve of mass center of electrolyte with different contact angle

4.2 結(jié)果分析

由上述仿真結(jié)果可知，為保證氫鎳蓄電池內(nèi)游離態(tài)電解液在軌失重條件下能快速回流到極堆附近區(qū)域，應(yīng)從殼體材料選擇和內(nèi)表面涂層等方面提高電解液對(duì)蓄電池殼體內(nèi)表面的浸潤性。但如前文所述，蓄電池殼體內(nèi)部受加工工藝、涂層退化等諸多因素影響，無法完全保證電解液的浸潤性，當(dāng)浸潤性下降后，有部分電解液在較長時(shí)間內(nèi)停留在殼體底部（當(dāng)接觸角增大到30°和60°時(shí)，計(jì)算開始后70s，仍然有少量電解液位于殼體底部），這顯然無法滿足蓄電池工作時(shí)電解液快速回流的需求。

因此，為提高蓄電池工作性能和可靠性，應(yīng)采用具有強(qiáng)導(dǎo)流性能的材料，在蓄電池極堆與殼體兩端增加直接連接部件，建立電解液從殼體兩端到極堆的直接運(yùn)動(dòng)路徑以利于電解液快速回流。

5 結(jié)束語

本文以通信衛(wèi)星使用的80Ah氫鎳蓄電池為對(duì)象，采用CFD仿真方法建立了蓄電池單體的數(shù)值仿真模型，對(duì)蓄電池內(nèi)游離電解液在軌失重條件下的運(yùn)動(dòng)過程和分布特點(diǎn)進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，電解液對(duì)蓄電池殼體材料的浸潤性越好，電解液的回流速度越快；為確保蓄電池工作壽命和可靠性，還應(yīng)在蓄電池極堆與殼體兩端之間增加電解液流動(dòng)路徑，提高電解液回流速度。本文的仿真模型和數(shù)值方法也可用于其他航天器用蓄電池的仿真分析，并為蓄電池性能研究和電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

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Numerical Simulation of Electrolyte Moving in Nickel－Hydrogen Battery of Satellite

ZHOU Zhicheng1LI Feng1HUANG Hua1XU Hangyan1TAN Lixin2
（1China Academy of Space Technology，Beijing 100094）
（2 Tianjin Institute of Power Sources，Tianjin 300384）

A three－dimensional numerical model of an individual pressure vessel was developed based on the 80Ah nickel－h(huán)ydrogen battery used for GEO communication satellites.The model，including the main components of a battery including the battery shell and electrode stack，was utilized to simulate the transient flow field of the electrolyte under zero－gravity condition，by using the computational fluid dynamics（CFD）technology.The comparisons of the simulation results with different boundary conditions show that the flow velocity of the electrolyte from shell to the electrode stack was decided by the wettability of the electrolyte.Adding routes for the electrolyte flowing from the bottom acme and the upper acme to the electrode stack can improve the performance of the nickel－h(huán)ydrogen battery.

Nickel－h(huán)ydrogen battery；Electrolyte；Contact angle；Computational fluid dynamics；Satellite

10.3780／j.issn.1000－758X.2015.03.006

周志成 1963年生，2008年獲中國空間技術(shù)研究院飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)博士學(xué)位，研究員。研究方向?yàn)樾l(wèi)星總體設(shè)計(jì)，航天器動(dòng)力學(xué)。

（編輯：王曉宇）

國家自然科學(xué)基金（11272334，11302244）資助項(xiàng)目

2015－02－05。收修改稿日期：2015－03－04