基于三平模式測試發(fā)射技術(shù)的運(yùn)載火箭箭上電池技術(shù)

謝巧 呂士銀 蔡森丹 王舒丹 孫佳東 呂寧萍

摘 要：本文基于三平模式測試發(fā)射技術(shù)，介紹了鋅銀蓄電池的特點(diǎn)，提出了鋰離子蓄電池技術(shù)，并結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對鋰離子蓄電池單體技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)、加溫技術(shù)、在箭充電技術(shù)進(jìn)行分析，研究了其技術(shù)優(yōu)勢及需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：三平模式;鋅銀蓄電池;鋰離子蓄電池

1 概述

運(yùn)載火箭的三平模式測試發(fā)射技術(shù)（即水平整體測試、水平整體星箭對接、水平整體運(yùn)輸）具備快速發(fā)射和連續(xù)發(fā)射能力，是實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、高質(zhì)量、高可靠的進(jìn)入空間以完成空間任務(wù)的關(guān)鍵因素，將成為后續(xù)航天技術(shù)的發(fā)展趨勢[1]。

箭上電源是運(yùn)載火箭中最為重要的部件之一，在飛行過程中為全箭提供電源，其電性能、結(jié)構(gòu)性能、快速響應(yīng)能力等特點(diǎn)將對三平模式測發(fā)技術(shù)產(chǎn)生重要影響，因此，如何滿足三平測發(fā)模式的使用需求，成為運(yùn)載火箭電池必須研究的課題。本文基于三平模式測試發(fā)射技術(shù)，介紹鋅銀蓄電池的特點(diǎn)，提出鋰離子蓄電池技術(shù)，并針對國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析用于三平測發(fā)模式的鋰離子蓄電池關(guān)鍵技術(shù)研究。

2 鋅銀蓄電池

運(yùn)載火箭箭上用鋅銀電池具有內(nèi)阻小、放電功率大、電壓平穩(wěn)、電性能穩(wěn)定、使用安全可靠、比能量高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。箭上鋅銀蓄電池的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩部分組成。一是電性能。對單體電池進(jìn)行串并聯(lián)組裝成電池組，以滿足任務(wù)書規(guī)定的工作電壓、工作電流、工作時間等要求。二是結(jié)構(gòu)性能，以保證單體電池組裝成電池組后在特定的環(huán)境下完成其供電任務(wù)[2]。產(chǎn)品出廠絕大多數(shù)是干荷態(tài)電狀態(tài)，在使用之前要加注電解液進(jìn)行人工激活。為了便于人工激活，外殼和蓋做成可拆卸的。典型鋅銀蓄電池結(jié)構(gòu)見圖1。

箭上鋅銀蓄電池激活后，在濕擱置過程中會產(chǎn)生氣體。在充電或放電后期，由于過充或者過放，也會產(chǎn)生大量的氣體（氫氣，氧氣）積聚在單體電池內(nèi)部。為提高電池的可靠性，使用過程中需對電池進(jìn)行消氫和排氣。

因此，現(xiàn)有箭上鋅銀蓄電池具有操作復(fù)雜、需重復(fù)安裝、循環(huán)壽命短、研制周期長、平臺電壓低、地面測試設(shè)備繁雜等缺點(diǎn)，不能滿足電源產(chǎn)品簡易操作、反復(fù)測試、無人值守在線充放電、快速發(fā)射、智能化、通用化等要求，延緩了運(yùn)載火箭的三平測試發(fā)射技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。

（1）側(cè)置電性能差

當(dāng)箭上鋅銀蓄電池組在不同的側(cè)置姿態(tài)下進(jìn)行較長時間的濕擱置時，電池單體內(nèi)部析出的游離態(tài)強(qiáng)堿性電解液可能會從單體內(nèi)漏出，造成電池組的絕緣性能下降，甚至?xí)绊懙郊掀渌脑O(shè)備。

當(dāng)電池組在不同的姿態(tài)下對外供電，可能會造成電池組工作電壓降低、電池工作時間縮短、放電容量減小等問題。主要原因是在鋅銀電池工作過程中，在正極活性物質(zhì)和電解液之間，負(fù)極活性物質(zhì)和電解液之間，發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)，電化學(xué)反應(yīng)的速度決定了電池的功率特性。而當(dāng)電池組偏離正向位置時，會引起電解液游離出極群組進(jìn)入氣室位置，隨著電池組姿態(tài)偏離正向程度的增大，游離出的電解液量會增多。游離出的電解液越多，可發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的電解液量就越少，造成單體電池內(nèi)阻增大，工作電壓降低，至終止電壓時工作時間縮短，最終導(dǎo)致電池組性能不能滿足使用要求，尤其是在電池組大電流工作情況下或者電池組工作的后期更加明顯。

（2）靶場操作復(fù)雜

現(xiàn)有型號火箭發(fā)射周期一般為4周～6周，包括拆箱、電池干態(tài)檢查、電解液加注、預(yù)放電檢查、放電后維護(hù)等靶場操作流程?，F(xiàn)有箭上電池的使用操作步驟已經(jīng)難以滿足運(yùn)載火箭的三平測試發(fā)射模式要求箭上鋅銀蓄電池必須具有的快速使用和簡易使用性能。

同時，復(fù)雜的和加注電解液過程也是影響運(yùn)載火箭 “三平”測發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。產(chǎn)品出廠絕大多數(shù)是干荷電狀態(tài)，在使用之前要加注電解液進(jìn)行人工激活，此過程不能在箭上實(shí)現(xiàn)。

（3）充電維護(hù)時間長

在現(xiàn)有箭上鋅銀電池的使用方面，快速充電維護(hù)成為制約箭上鋅銀蓄電池的快速使用和簡易使用性能的技術(shù)難點(diǎn)。

目前，箭上鋅銀蓄電池的充電制度均使用電池組額定容量的1/10C倍率進(jìn)行充電，單體電池的終止電壓為2.05V，對電池組進(jìn)行充電的時間至少需要10h。結(jié)合單體的一致性差異，預(yù)計單個電池組的充電時間超過15h。可見，現(xiàn)有的鋅銀電池充電維護(hù)方式，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足運(yùn)載火箭快速使用的要求，尚不具有簡易使用的特點(diǎn)。

（4）循環(huán)壽命較短

鋅銀蓄電池濕擱置壽命僅幾個月至一年多，因此，受限于鋅銀蓄電池的循環(huán)壽命，箭上鋅銀蓄電池組僅在發(fā)射場測試時參加有限次數(shù)總檢查，在地面測試時均采用地面電源進(jìn)行箭上供電，由此帶來地面電源復(fù)雜、可測試性差、測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換和測試覆蓋不夠真實(shí)的缺點(diǎn)。

3 鋰離子蓄電池

3.1鋰離子蓄電池特點(diǎn)

與鋅銀電池的性能比較，鋰離子電池在比能量、比功率、循環(huán)性能、荷電保持能力以及使用便利性等方面存在明顯的優(yōu)勢。

1）比能量高，鋰離子電池單體的質(zhì)量比能量可以達(dá)到200 Wh·kg-1，遠(yuǎn)高于鋅銀電池單體的質(zhì)量比能量30 Wh·kg-1～120 Wh·kg-1;

2）平均放電電壓高，鋰離子電池的平均放電電壓一般大于3.6V，是鋅銀電池平均放電電壓的2.5倍;

3）自放電率低，鋰離子電池在正常存放情況下的月自放電率小于5%;

4）功率型鋰離子電池可實(shí)現(xiàn)15C以上的倍率放電，甚至能夠滿足30C以上的脈沖放電，而鋅銀電池組倍率放電性能在10C左右;

5）循環(huán)壽命長，鋰離子電池在100%DOD充放電可達(dá)800周;

6）工作溫度范圍寬，鋰離子電池的工作溫度范圍可以達(dá)到-20oC～+60oC;

7）無記憶效應(yīng);

8）使用方便，與鋅銀電池相比，使用前不需要進(jìn)行電解液加注，同時鋰離子電池還具有快速充電的特性，通常情況下可以以0.2C～0.5C倍率充電，而鋅銀電池以0.1C倍率充電。