喬 明，陳 琦，曾 毅，李小飛

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

0 引言

空間碎片的激增對航天器的飛行安全造成了威脅，已成為一個(gè)引人矚目的環(huán)境問題[1]。由于空間碎片滯留軌道時(shí)間較長，碎片之間相互碰撞或爆炸又產(chǎn)生新的、體積更小的空間碎片，從而加大了對空間飛行器特別是載人航天器的潛在危害。無論是GEO還是LEO飛行器，其蓄電池的爆炸是空間碎片產(chǎn)生的重要原因之一。目前有效的減緩措施是對壽命末期航天器的蓄電池組進(jìn)行鈍化處理。

1 氫鎳蓄電池爆炸機(jī)理分析

密封的氫鎳蓄電池的性能主要取決于自身的電極反應(yīng)。氫鎳蓄電池工作狀態(tài)可分為三種：正常工作狀態(tài)，過充電狀態(tài)和過放電（反極）狀態(tài)。在不同工作狀態(tài)下電池內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是不同的。

氫鎳蓄電池負(fù)極活性物質(zhì)是氫氣，其在充電時(shí)而在放電時(shí)消耗，因此電池內(nèi)氣體壓力與帶電狀態(tài)（容量狀態(tài)）有直接聯(lián)系。如果充電是恒電流，則氣體壓力隨充電時(shí)間線性地變化。圖1清楚地顯示了電池這種特點(diǎn)。曲線表明：充電過程中氣體壓力增加，過充電開始時(shí)壓力有個(gè)上升階段，然后趨于平穩(wěn)。究其原因是過充電所產(chǎn)生的氧氣在催化電極上能與氫氣復(fù)合，當(dāng)產(chǎn)生氣體的速率與氣體復(fù)合的速率相等時(shí)，氣體壓力為一穩(wěn)定值。開路貯存階段，電池的自放電使內(nèi)部氣體壓力下降。在放電過程中，氣體壓力繼續(xù)下降；而在過放電階段，氣體壓力仍能維持在一個(gè)穩(wěn)定值，這是由于在鎳電極上產(chǎn)生的氫氣在氫電極上繼續(xù)消耗。

圖1 氫鎳電池內(nèi)部壓力隨充放電時(shí)間的變化Fig.1 The pressure inside hydrogen-nickel batteries varying with charging and discharging times

在電池充電和放電過程中，氫氣最大壓力不超過6 MPa。目前殼體設(shè)計(jì)的安全系數(shù)在2.5左右，即殼體能承受15 MPa的壓力。當(dāng)氫鎳電池實(shí)際運(yùn)行中，氫氣壓力大于此值時(shí)，就有可能導(dǎo)致殼體爆炸失效。

1.1 正常條件下爆炸可能性

氫鎳電池正常充放電時(shí)，其反應(yīng)式為[2-3]

可見，在正常工作狀態(tài)下，正極（氧化鎳）電極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)與鎘鎳電池正極所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)相同。負(fù)極（氫電極）發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)與燃料電池負(fù)極所發(fā)生的反應(yīng)相同：放電時(shí)氫氣與氧氣反應(yīng)生成水；充電時(shí)水被電解，又生成了氫氣。壓力不會(huì)超過其設(shè)計(jì)最大壓力值，因而不會(huì)導(dǎo)致殼體爆炸失效。

1.2 非正常條件下爆炸可能性

1.2.1 過充電[3-6]

當(dāng)充電進(jìn)行到正電極的氫氧化鎳向氧化鎳的轉(zhuǎn)化已經(jīng)完成時(shí)，正極的反應(yīng)過程為

反應(yīng)結(jié)果是氧氣在正極界面析出，電池進(jìn)入過充電狀態(tài)。

在過充電狀態(tài)下負(fù)極繼續(xù)進(jìn)行氫氣陰極析出的過程，電極反應(yīng)式為

因此，過充電過程的總反應(yīng)為

因?yàn)樨?fù)極本身為鉑黑催化電極，因此正極界面析出的氧氣能夠在負(fù)極的鉑催化劑表面迅速地和等當(dāng)量的氫氣化學(xué)復(fù)合生成水。復(fù)合反應(yīng)的速度非?？?，即使在過充電速率很高情況下產(chǎn)生的氧氣幾乎都能及時(shí)復(fù)合。對電池內(nèi)部氣體成分分析結(jié)果表明氧氣分壓低于1%。但氫氧復(fù)合后會(huì)釋放出大量的熱，導(dǎo)致氫鎳電池溫度升高。

若蓄電池組溫控系統(tǒng)運(yùn)行良好，及時(shí)將復(fù)合熱量導(dǎo)走，將不會(huì)導(dǎo)致氣體壓力的上升。即在一定的溫控措施下，氫鎳電池具有相當(dāng)?shù)哪瓦^充電能力，因此過充電工作條件下不會(huì)發(fā)生爆炸。

1.2.2 過放電

氫鎳電池的過放電有兩種情況：負(fù)極預(yù)充和正極預(yù)充。

對于負(fù)極預(yù)充的情況（針對鎳電極），當(dāng)放電進(jìn)行到正極的氧化鎳陰極還原成氫氧化鎳的過程結(jié)束時(shí)，氫氣將在正極界面開始析出，電池進(jìn)入過放電狀態(tài)，其反應(yīng)式為

總反應(yīng)無凈產(chǎn)物生成?？梢?，在過放電狀態(tài)下負(fù)極依然進(jìn)行氫氣催化氧化生成水的過程，正極產(chǎn)生的氫氣能夠等當(dāng)量地在負(fù)極消耗掉，電池內(nèi)部不會(huì)發(fā)生因氫氣積累而造成的內(nèi)部壓力升高，即不會(huì)發(fā)生爆炸。

對于正極預(yù)充的電池，在過放電初期，電池內(nèi)的氫氣被消耗光，氧氣在氫電極產(chǎn)生。隨著過放電的進(jìn)行，這些氧氣與正極上析出的氫氣復(fù)合生成水，使電池內(nèi)氣體量保持恒定，因此正極預(yù)充的氫鎳蓄電池過放電也不會(huì)發(fā)生爆炸。

2 氫鎳蓄電池爆炸試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 過充電試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：對用4 A的電流已充電16 h的電池進(jìn)行過充電試驗(yàn)；環(huán)境溫度20 ℃。采用不同的過充電流（即0.4C倍率和0.2C倍率）過充168 h，期間記錄電池的溫度、內(nèi)壓變化情況，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 40 Ah氫鎳電池0.4 C過充電時(shí)內(nèi)壓和溫度變化時(shí)內(nèi)壓和溫度變化Fig.2 Variation of inner pressure and temperature for 40 Ah battery overcharge in 0.4 C

圖3 40 Ah氫鎳電池0.2 C過充電Fig.3 Variation of inner pressure and temperature for 40 Ah battery overcharge in 0.2 C

以0.4C倍率充電時(shí)，電池內(nèi)壓開始時(shí)呈線性增長，在60 h后達(dá)到穩(wěn)定值，為5.7 MPa左右；電池溫度開始時(shí)上升，20 h附近達(dá)到最大值后隨即下降，到最低點(diǎn)后又略有升高，但總體在23 ℃以下。

以0.2C倍率充電時(shí)，電池內(nèi)壓和溫度的變化規(guī)律與0.4C倍率充電的情形相同。50 h后，電池內(nèi)壓達(dá)到穩(wěn)定值，為5.1 MPa左右；溫度經(jīng)歷先上升再下降的過程后達(dá)到穩(wěn)定值20 ℃左右。

2.2 過放電試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：以4 A電流對電池充電16 h，停0.5 h；以20 A電流放電至1.0 V，1 Ω電阻短接16 h；測試環(huán)境溫度20 ℃。期間記錄電池的電壓、內(nèi)壓和溫度變化情況，結(jié)果如圖4、圖5所示。

從圖4可以看出，充電開始時(shí)電池溫度略有下降，之后又略有上升，這與電池的充電是個(gè)吸熱反應(yīng)過程有關(guān)；16 h后開始放電，電池溫度急劇上升，放電結(jié)束后達(dá)到35 ℃左右，其原因是氫鎳電池放電是個(gè)放熱過程；放電結(jié)束后電阻短接的過程溫度下降，16 h后電池溫度降到與環(huán)境溫度相一致，此時(shí)電池電壓約為0 V。由圖5可知，電池內(nèi)壓隨充電時(shí)間呈線性上升又隨放電時(shí)間呈線性下降，在電阻短接超過10 h后，電池內(nèi)壓低于0.5 MPa。

圖4 40 Ah氫鎳電池過放電電壓和溫度的變化情況Fig.4 40 Ah battery voltage and temperature during over-discharge

圖5 40 Ah 氫鎳電池過放電電壓和內(nèi)壓的變化情況Fig.5 40 Ah battery voltage and inner pressure during over-discharge

氫鎳電池在以2 A過放電到反極情況下，氣體壓力仍能維持在一個(gè)穩(wěn)定值，這是由于在鎳電極上產(chǎn)生的氫氣在氫電極上繼續(xù)消耗所致。

2.3 高壓氣爆試驗(yàn)

氣爆試驗(yàn)條件：采用設(shè)計(jì)壓力為5 MPa的40 Ah氫鎳電池；環(huán)境溫度20 ℃；采用高壓氣體緩慢加壓，加壓速率為1 MPa/min左右；殼體的設(shè)計(jì)壓力為15 MPa，實(shí)際爆破壓力達(dá)到23.5 MPa，安全系數(shù)在3.0以上。氣爆試驗(yàn)發(fā)生爆裂的部位均為焊接處，圖6為爆破后電池殼體裂開的一塊小裂片。

圖6 氫鎳蓄電池發(fā)生氣爆F(xiàn)ig.6 The gas explosion of hydrogen-nickel battery

高壓氣爆對電池殼體的損害比液爆顯著。這是由于使容器內(nèi)氣體介質(zhì)上升到較高壓力，必須對介質(zhì)做一定的功，功以內(nèi)能的形式儲(chǔ)存在介質(zhì)中。一旦容器破裂，器內(nèi)壓力瞬間降回到大氣壓力，儲(chǔ)存在介質(zhì)中的能量被釋放出來。

3 氫鎳蓄電池組安全性設(shè)計(jì)

電池組安全性設(shè)計(jì)主要考慮的因素有：保證單體性能的一致性，防止成組后出現(xiàn)單體性能匹配的差異；保證蓄電池組自身熱設(shè)計(jì)及其熱控制的可靠性，防止熱失控現(xiàn)象發(fā)生；保證良好的充電控制，防止過充電導(dǎo)致的電池性能下降及溫度的上升。

3.1 電池組單體篩選

對單體性能的一致性要求很高。從基片設(shè)計(jì)到電池裝配均要進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止任何內(nèi)部短路隱患的存在。為了提高電池單體的一致性，電極基片的制備盡量選用同一批次，將性能相近的基片組裝到同一單體。再從若干單體中選取容量和自放電率與放電平臺(tái)相當(dāng)?shù)膯误w組裝成蓄電池組，以杜絕性能不匹配的蓄電池組的產(chǎn)生。

3.2 電池組溫度控制

氫鎳蓄電池組的工作特性與溫度密切相關(guān)，其適宜的工作溫度范圍為0～15 ℃，單體電池內(nèi)溫差應(yīng)不大于7 ℃，同組內(nèi)各電池單體間溫差應(yīng)不大于3 ℃，兩組之間的溫差應(yīng)不大于5 ℃。溫度過高，氫鎳蓄電池充放電性能變差。

安裝在衛(wèi)星艙內(nèi)的蓄電池組采用冷板溫控方式，確保其工作在合理的溫度范圍內(nèi)。為減少艙內(nèi)環(huán)境和安裝對電池組的熱影響，采取以下措施：減小蓄電池組結(jié)構(gòu)表面發(fā)射率（≤0.2）；提高安裝面的平面度（100 mm×100 mm： 0.1 mm）和降低其粗糙度（≤3.2 μm）。

3.3 充電控制

氫鎳電池充電控制方式以氫氣壓力控制為主、安時(shí)計(jì)控制為輔，再加上過溫過壓保護(hù)。充電控制采用軟、硬件相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)模式。電源下位機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)對氫壓控制、安時(shí)計(jì)控制和過溫過壓保護(hù)；在應(yīng)急情況下，采用硬件電路對氫壓進(jìn)行控制。該模式控制準(zhǔn)確，可靠性高。

4 氫鎳蓄電池鈍化裝置及消能試驗(yàn)

4.1 鈍化裝置

為防止氫鎳蓄電池在任務(wù)末期解體，通常采用對其消能處理的鈍化設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)蓄電池鈍化，研制了一臺(tái)氫鎳蓄電池鈍化裝置。該裝置的控制電路由電壓檢測電路、比較電路、驅(qū)動(dòng)電路和控制單元等組成，其控制原理如圖7所示。在控制單元電路設(shè)計(jì)中采用了磁保持繼電器作開關(guān)，并且實(shí)行串聯(lián)。

圖7 氫鎳蓄電池鈍化電路原理Fig.7 The principle of passivation circuit for hydrogen-nickel battery

當(dāng)航天器處于正常工作情況下，繼電器均處于斷開狀態(tài)，放電電路不工作。衛(wèi)星壽命末期，通過遙控指令連通放電電路磁保持繼電器，蓄電池組通過放電電阻進(jìn)行放電。

經(jīng)過鈍化消能的蓄電池組內(nèi)部已經(jīng)沒有電能了，且由于電阻一直放置在單體電池上，蓄電池也不會(huì)發(fā)生過充、過放電等情況，此時(shí)蓄電池的電壓均為0 V，不會(huì)發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。

4.2 鈍化消能試驗(yàn)

鈍化裝置電裝調(diào)試完成后，與蓄電池組進(jìn)行了聯(lián)試，硬件測試平臺(tái)如圖8所示。

圖8 氫鎳蓄電池鈍化測試平臺(tái)Fig.8 The passivation test platform for hydrogen-nickel battery

鈍化裝置與氫鎳蓄電池組按照常壓溫度循環(huán)試驗(yàn)鈍化要求一起放置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，進(jìn)行高低溫循環(huán)測試。

測試結(jié)果表明，鈍化裝置在常壓溫度循環(huán)試驗(yàn)下工作正常、性能穩(wěn)定。表1所示的是氫鎳蓄電池組在低溫（-20 ℃）條件下鈍化試驗(yàn)電壓測試數(shù)據(jù)，截止電壓為0.424 V；電壓測試曲線如圖9(a)所示，表2是在高溫條件下鈍化試驗(yàn)電壓測試數(shù)據(jù)，截止電壓為0.425 V，電壓測試曲線如圖9(b)所示。

表1 鎳氫蓄電池組低溫鈍化試驗(yàn)電壓測試數(shù)據(jù)（-20 ℃）Table 1 Results of measured voltage for the passivation test of hydrogen-nickel battery at -20 ℃

表2 鎳氫蓄電池組高溫鈍化試驗(yàn)電壓測試數(shù)據(jù)（55 ℃）Table 2 The measured voltage in the passivation test of hydrogen-nickel battery at 55 ℃

圖9 氫鎳蓄電池組不同溫度下鈍化電壓測試曲線Fig.9 The voltage curve of various temperature passivation test for hydrogen-nickel battery

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鈍化裝置在常壓溫度循環(huán)試驗(yàn)下工作正常、參數(shù)穩(wěn)定、無異?，F(xiàn)象，各項(xiàng)性能參數(shù)均能基本保持一致，能夠?qū)崿F(xiàn)氫鎳蓄電池組鈍化。

5 結(jié)束語

本文對航天器常用的氫鎳蓄電池鈍化技術(shù)進(jìn)行了研究。通過對蓄電池爆炸機(jī)理分析和爆炸試驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為在溫控措施合理的情況下，氫鎳蓄電池在過充電和過放電時(shí)不會(huì)發(fā)生爆炸。采用自主設(shè)計(jì)的鈍化裝置與氫鎳蓄電池組進(jìn)行了聯(lián)合鈍化試驗(yàn)，所取得的成果可為未來航天器的設(shè)計(jì)提供借鑒。

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