某上面級銀鋅電池?zé)峥卦O(shè)計

朱尚龍，鄧 婉，王 瑾，劉小旭，曹夢磊，李德富

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引言

電池是常用的電能儲存與釋放裝置，包括鋰電池[1-2]、銀鋅電池[3]、鎳氫電池[4-5]等，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域。電池的溫度對其性能和可靠性均有較大影響。電池充/放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)將吸收/產(chǎn)生熱量，從而導(dǎo)致電池溫度降低/上升?？臻g飛行器處于高真空（10-3Pa 以下）環(huán)境，氣體對流與傳導(dǎo)換熱均可忽略，且電池的熱功耗隨放電電流動態(tài)變化，因此，掌握電池放電過程中的熱功耗變化對進(jìn)行電池的熱控系統(tǒng)設(shè)計尤為重要。

電池充/放電過程熱效應(yīng)的物理機(jī)理復(fù)雜。1985 年，美國加州大學(xué)伯克利分校的Bernardi 提出電池的放電過程發(fā)熱包括反應(yīng)熱、焦耳熱以及極化熱等，并給出電池的生熱速率模型[6]。北京空間飛行器總體設(shè)計部的徐濟(jì)萬通過銀鋅電池在不同放電電流下的熱功耗測量對這一結(jié)論進(jìn)行了驗證[3]。

上面級是一種可以將一個或多個衛(wèi)星直接送入預(yù)定工作軌道或工作位置，可獨(dú)立自主飛行的空間運(yùn)載器[7]，其飛行熱環(huán)境兼具運(yùn)載器與航天器的特點(diǎn)[8-9]。某上面級[10]在軌飛行時間約為48 h，采用了5 塊單體數(shù)量和放電電流均存在差異的銀鋅電池進(jìn)行供電。其電池?zé)峥卦O(shè)計面臨以下困難：該型號不進(jìn)行全箭熱平衡試驗，無法驗證電池?zé)嵩O(shè)計的正確性；電池分別安裝在間隔較遠(yuǎn)的兩個艙段，若采用主動電加熱方案，需要使用較長的電纜，實施難度較大；主動熱控系統(tǒng)的控溫路數(shù)有限，無法對所有電池進(jìn)行主動電加熱控溫。

本文針對以上困難，考慮到上述銀鋅電池的單體結(jié)構(gòu)是相同的，針對其中1 個電池進(jìn)行熱容和不同放電電流下的熱功耗測量，獲取兩者的變化規(guī)律。由于電池的熱功耗較小，電池漏熱（包括通過支撐結(jié)構(gòu)、測控電纜的導(dǎo)熱，與環(huán)境的輻射換熱等）將影響測量的精度，甚至造成測量結(jié)果不正確。為降低測量誤差，試驗在高真空狀態(tài)下進(jìn)行，從而可以忽略空氣的傳導(dǎo)和自然對流換熱，同時采取金屬熱防護(hù)罩、電纜跟蹤控溫以及低熱導(dǎo)率繩懸吊支撐等措施降低系統(tǒng)漏熱，并測量不同溫度下的系統(tǒng)漏熱。最后基于試驗測得的電池?zé)崛莺蜔峁?，通過采取2 種表面發(fā)射率涂層組合的方式，為不同的電池進(jìn)行針對性的熱控設(shè)計。

1 電池?zé)峥卦?/h2>

上面級電池均安裝在艙內(nèi)，不受空間外熱流的影響，主要通過傳導(dǎo)、輻射的方式與環(huán)境間進(jìn)行換熱。上面級電氣設(shè)備（如電池）安裝方式主要有導(dǎo)熱安裝和隔熱安裝2 種（參見圖1），前者的設(shè)備底面直接與儀器安裝板連接，且為強(qiáng)化設(shè)備與儀器安裝板之間的傳熱，通常要求安裝板與設(shè)備底面之間填充導(dǎo)熱脂，設(shè)備表面噴涂高發(fā)射率熱控涂層；后者在設(shè)備底面與儀器安裝板之間增加隔熱墊，隔熱墊常采用隔熱性能較好的玻璃鋼，設(shè)備表面噴涂紅外發(fā)射率較低的熱控涂層。

圖 1 上面級電池的安裝方式Fig. 1 Installation of battery used in upper stage vehicle

電池在艙內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱時，其熱平衡方程為

式中：I為電池工作電流，A；Eoc為電池平衡電動勢，V；U為電池工作電壓，V。

電池可見的艙體為其輻射散熱面，艙體的設(shè)計溫度T0很低，一般為-30～-40 ℃。根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)和式(2)進(jìn)行初步計算可知，當(dāng)ε取0.1～0.85時，電池的熱功耗Qheat等于電池與環(huán)境之間的輻射換熱量εσA(T4-T04)。因此，當(dāng)電池采用隔熱安裝方式，且選擇合適的處理方式使其表面具有與相應(yīng)的熱功耗匹配的紅外發(fā)射率時，電池的溫度能保持在所需的溫度范圍（常溫溫區(qū)）。但是，電池的熱功耗各不相同，故滿足熱控要求的表面處理方式較多且實現(xiàn)難度較大。

電池的熱控是通過控制其表面當(dāng)量發(fā)射率實現(xiàn)的，因此，準(zhǔn)確預(yù)知電池表面所需的當(dāng)量發(fā)射率是熱控設(shè)計的關(guān)鍵。本文擬通過采用2 種不同紅外發(fā)射率（ε1、ε2）的熱控涂層組合的方式來實現(xiàn)不同的表面發(fā)射率[11]。組合表面的當(dāng)量發(fā)射率為

其中，本設(shè)計采用黑色陽極化涂層（ε1=0.85，面積為A1）和雙面鍍鋁聚酰亞胺薄膜（ε2=0.05，面積為A2）進(jìn)行組合。圖2 為不同面積比（A1/A2）下電池表面（組合表面）的當(dāng)量發(fā)射率變化曲線，可以看出，采取合適的面積比能夠?qū)㈦姵乇砻娴漠?dāng)量發(fā)射率控制在0.10～0.85，以滿足電池?zé)峥匦枨蟆?/p>

圖 2 不同面積比下的電池表面當(dāng)量發(fā)射率變化曲線Fig. 2 Equivalent emittance of the battery surface with different area ratios of coatings

根據(jù)式(1)，真空環(huán)境下電池與環(huán)境間的傳導(dǎo)換熱量極小，而散熱面溫度T0需要兼顧其他高功耗設(shè)備，無法按照電池的熱控要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，故對電池表面所需的當(dāng)量發(fā)射率的計算主要考慮電池的熱功耗。而上面級電池的種類較多且使用工況復(fù)雜，僅靠電池廠家提供的參數(shù)無法準(zhǔn)確計算，因此，下文開展電池?zé)峁牡臏y量并對其與放電電流間的變化關(guān)系進(jìn)行研究。

2 電池?zé)峁臏y量及變化規(guī)律研究

2.1 電池?zé)峁臏y量原理

電池?zé)峁臏y量采用絕熱量熱法，當(dāng)電池處于絕熱狀態(tài)時，有

即，當(dāng)電池?zé)崛萘浚╩Cp）已知時，可以通過測量電池放電過程中的溫度變化速率（dT/dτ）獲得電池的熱功耗Q。實際測量中，可以先通過在電池內(nèi)部布置加熱片和溫度傳感器，并施加一定的熱載荷，來測量電池的溫升速率和熱容量。

圖3 為電池?zé)崽匦詼y試試驗原理。絕熱量熱法要求電池處于絕熱狀態(tài)，因此要盡量降低電池與環(huán)境之間的漏熱，故試驗在真空艙內(nèi)進(jìn)行，試驗過程中保持真空度優(yōu)于10-3Pa；同時，采取多項措施進(jìn)一步降低系統(tǒng)漏熱，包括：采用與電池外表面跟蹤控溫的熱防護(hù)筒來減少電池與環(huán)境間的輻射換熱，使用低導(dǎo)熱率的凱芙拉繩懸吊來完成熱防護(hù)筒和電池的支撐安裝，對放電電纜進(jìn)行跟蹤控溫，以及在電池表面、熱防護(hù)筒外表面粘貼加熱片等。

圖 3 電池?zé)崽匦詼y試試驗原理Fig. 3 Sketch of measurements of the battery thermalparameters

盡管采取了多項漏熱控制措施，系統(tǒng)漏熱量仍無法降低至0，而電池的熱功耗很小，漏熱量可能降低測量精度，故需要精確測量系統(tǒng)漏熱量。當(dāng)電池不放電且加熱片不工作時，系統(tǒng)漏熱在宏觀上表現(xiàn)為電池的溫度變化率，即

式中Δt系漏為系統(tǒng)漏熱率對應(yīng)的溫度變化率，K/s。該值與電池的溫度相關(guān)，因此試驗過程中需要測量不同電池溫度下的系統(tǒng)漏熱率。

2.2 電池?zé)崽匦詼y試試驗結(jié)果

圖4 為試驗過程中真空艙內(nèi)的真空度曲線，可以看到，試驗過程中真空度一直控制在10-3Pa 以下，保證了電池與環(huán)境間的傳導(dǎo)換熱量很小，可以忽略。

圖5 為試驗過程中電池頂部的跟蹤控溫曲線，其中標(biāo)注了熱特性測試試驗中的6 個階段，其余為調(diào)初溫階段。可以看出，蓄電池頂部和防護(hù)筒頂板之間的溫度差在6 個試驗階段中均控制在1 ℃以內(nèi)，表明試驗過程中電池表面與熱防護(hù)筒之間的輻射換熱量很小，可以忽略。

圖 5 電池頂部跟蹤控溫曲線Fig. 5 Curve of temperature tracking control at the battery top during the test

圖6 和圖7 分別為試驗過程中電纜的跟蹤控溫曲線和支架螺釘?shù)臏y溫曲線。

圖 6 電纜跟蹤控溫曲線Fig. 6 Curve of temperature tracking control of cable during the test

圖 7 支架螺釘測溫曲線Fig. 7 Curve of the temperature of bracket bolts during the test

由圖6 和圖7 可以看出，放電電纜的跟蹤控溫情況不佳，而電池支架處未采用跟蹤控溫，故均存在一定的溫差。這表明系統(tǒng)漏熱不可避免，當(dāng)電池?zé)峁妮^小時，漏熱引起的測量誤差可能較大。

為了獲得電池與環(huán)境之間的漏熱量，在圖3 所示的試驗系統(tǒng)中，保持電池及表面加熱帶均不工作，通過熱防護(hù)筒調(diào)節(jié)電池及熱防護(hù)筒溫度至所需測量的溫度，然后斷電，測量電池的溫度變化率，即Δt系漏。表1 給出的是電池溫度為10～50 ℃時的溫度變化率以及對應(yīng)的系統(tǒng)漏熱率。

表 1 不同溫度下的系統(tǒng)漏熱率Table 1 Heat leak at different temperatures

在獲得系統(tǒng)漏熱率后，測量電池的熱容量。在圖3 所示的試驗系統(tǒng)中，通過熱防護(hù)筒調(diào)節(jié)電池及熱防護(hù)筒溫度至所需測量的溫度，然后開啟跟蹤控溫降低漏熱，保持電池不工作，通過表面加熱帶按照不同加熱功率測量溫度變化率以獲得電池?zé)崛?。? 給出的是不同加熱功率下電池的熱容量及比熱容，其中，在試驗前已測得電池質(zhì)量為58.5 kg，取3 次試驗的平均值，得到電池的熱容為63 948.4 J/K、比熱容為1 093.14 J/(kg·K)。

表 2 不同加熱功率下的電池?zé)崛莘治鲇嬎憬Y(jié)果Table 2 Calculated results of heat capacity of the battery at different heat powers

在獲得系統(tǒng)漏熱率后及電池?zé)崛萘亢螅瑴y量電池在不同放電電流下的熱功耗。在圖3 所示的試驗系統(tǒng)中，通過熱防護(hù)筒調(diào)節(jié)電池及熱防護(hù)筒溫度至所需測量的溫度，然后開啟跟蹤控溫降低系統(tǒng)漏熱，關(guān)閉電池表面加熱帶，調(diào)節(jié)模擬負(fù)載以實現(xiàn)在不同放電電流下的熱功耗測量。

圖8 給出了電池?zé)峁呐c放電電流的對應(yīng)關(guān)系，可以看出：當(dāng)電池放電電流I分別為1、2、3、4、5 A 時，電池的熱功耗Q分別為2.75、4.75、9.17、13.19、16.12 W。分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)放電電流為1 A 時，電池?zé)峁呐c系統(tǒng)漏熱率相差不大，在試驗結(jié)果上表現(xiàn)為電池溫度變化率為0，即測量熱功耗為0。

圖 8 熱功耗與放電電流之間的關(guān)系Fig. 8 Relationship between the thermal consumption and the electric current

由于試驗系統(tǒng)的局限性，不能模擬上面級電池工作的所有工況，特別是放電電流很大的工況。利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，得到Q=3.518I- 1.358?？梢园l(fā)現(xiàn)，熱功耗與放電電流之間的關(guān)系為線性關(guān)系，與Bernardi 提出的電池?zé)峁脑硐嗤?/p>

3 電池?zé)峥胤桨讣帮w行遙測結(jié)果

3.1 電池?zé)峥胤桨冈O(shè)計

本設(shè)計中的上面級電池均采用隔熱安裝方式，背景輻射溫度-40 ℃、電池控溫范圍0～30 ℃，電池功耗存在2 種狀態(tài)（4.75 W 和15 W），熱控計算結(jié)果為：前者的表面當(dāng)量發(fā)射率應(yīng)為0.02～0.05；后者的表面當(dāng)量發(fā)射率應(yīng)為0.1～0.15。

對于功耗為4.75 W 的電池，電池表面直接包覆雙面鍍鋁聚酰亞胺薄膜（ε=0.05）即可；對于功耗為15 W 的電池，可以包覆光學(xué)屬性可調(diào)的光亮陽極化鋁箔（ε=0.15±0.02）。但是，考慮到電池表面存在不少插接件，而光亮陽極化鋁箔材質(zhì)較硬、剪裁不便，未采取該方案，而是采用雙面鍍鋁聚酰亞胺薄膜和鋁合金黑色陽極化涂層（ε=0.85）組合的方式實現(xiàn)。根據(jù)式(3)計算，組合表面中雙面鍍鋁聚酰亞胺薄膜的面積應(yīng)占13%，恰好等于電池1 個面的面積。

3.2 電池飛行遙測結(jié)果

圖9 給出了實施上述熱控設(shè)計后該上面級的2 種電池在實際飛行中的溫度遙測數(shù)據(jù)，可以看到，電池溫度為2.0～28.2 ℃，均處于常溫溫區(qū)，表明電池?zé)峥卦O(shè)計滿足要求，控溫效果良好。

圖 9 電池溫度遙測數(shù)據(jù)Fig. 9 Telemetric data of the temperature of batteries

4 結(jié)束語

本文針對某上面級電池數(shù)量多、使用工況存在差異的特點(diǎn)，通過試驗測得其典型電池在不同放電電流下的熱功耗及其與放電電流間的關(guān)系，為電池的熱控設(shè)計提供了準(zhǔn)確的輸入條件。在此基礎(chǔ)上，針對不同的電池進(jìn)行適應(yīng)性熱控設(shè)計，結(jié)果顯示：

1）即使采取漏熱控制措施仍然無法使電池與環(huán)境之間的漏熱量降為0，對于放電電流較低的工況，系統(tǒng)漏熱率與電池?zé)峁南喈?dāng)，若未測量系統(tǒng)漏熱率將無法獲知電池?zé)峁模?/p>

2）通過測量電池在不同放電電流下的熱功耗，利用數(shù)值擬合獲得兩者間的變化規(guī)律，可以用于推導(dǎo)電池在其他放電電流下的熱功耗，有效彌補(bǔ)試驗系統(tǒng)無法模擬大放電電流工況的缺陷；

3）電池采用隔熱安裝方式，通過2 種熱控涂層組合方式使其表面當(dāng)量發(fā)射率滿足要求后，飛行遙測數(shù)據(jù)表明電池的溫控效果良好。