喬 明，陳 琦，曾 毅，李小飛

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，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，已成為一個引人矚目的環(huán)境問題[1]。由于空間碎片滯留軌道時間較長，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行鈍化處理。

1 氫鎳蓄電池爆炸機理分析

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。

氫鎳蓄電池負極活性物質(zhì)是氫氣，其在充電時而在放電時消耗，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間線性地變化。圖1清楚地顯示了電池這種特點。曲線表明：充電過程中氣體壓力增加，過充電開始時壓力有個上升階段，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，當產(chǎn)生氣體的速率與氣體復(fù)合的速率相等時，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)計的安全系數(shù)在2.5左右，即殼體能承受15 MPa的壓力。當氫鎳電池實際運行中，氫氣壓力大于此值時，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，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。負極（氫電極）發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)與燃料電池負極所發(fā)生的反應(yīng)相同：放電時氫氣與氧氣反應(yīng)生成水；充電時水被電解，又生成了氫氣。壓力不會超過其設(shè)計最大壓力值，因而不會導(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]

當充電進行到正電極的氫氧化鎳向氧化鎳的轉(zhuǎn)化已經(jīng)完成時，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，電池進入過充電狀態(tài)。

在過充電狀態(tài)下負極繼續(xù)進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

因為負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極的鉑催化劑表面迅速地和等當量的氫氣化學(xué)復(fù)合生成水。復(fù)合反應(yīng)的速度非?？欤词乖谶^充電速率很高情況下產(chǎn)生的氧氣幾乎都能及時復(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)運行良好，及時將復(fù)合熱量導(dǎo)走，將不會導(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?shù)哪瓦^充電能力，因此過充電工作條件下不會發(fā)生爆炸。

1.2.2 過放電

氫鎳電池的過放電有兩種情況：負極預(yù)充和正極預(yù)充。

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

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

2 氫鎳蓄電池爆炸試驗驗證

2.1 過充電試驗

試驗條件：對用4 A的電流已充電16 h的電池進行過充電試驗；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過充電時內(nèi)壓和溫度變化時內(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，電池內(nèi)壓開始時呈線性增長，在60 h后達到穩(wěn)定值，為5.7 MPa左右；電池溫度開始時上升，20 h附近達到最大值后隨即下降，到最低點后又略有升高，但總體在23 ℃以下。

以0.2C倍率充電時，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到穩(wěn)定值20 ℃左右。

2.2 過放電試驗

試驗條件：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，充電開始時電池溫度略有下降，之后又略有上升，這與電池的充電是個吸熱反應(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)束后達到35 ℃左右，其原因是氫鎳電池放電是個放熱過程；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，此時電池電壓約為0 V。由圖5可知，電池內(nèi)壓隨充電時間呈線性上升又隨放電時間呈線性下降，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

氣爆試驗條件：采用設(shè)計壓力為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)計壓力為15 MPa，實際爆破壓力達到23.5 MPa，安全系數(shù)在3.0以上。氣爆試驗發(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

電池組安全性設(shè)計主要考慮的因素有：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)計到電池裝配均要進行嚴格控制，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相當?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、安時計控制為輔，再加上過溫過壓保護。充電控制采用軟、硬件相結(jié)合的技術(shù)實現(xiàn)模式。電源下位機通過軟件實現(xiàn)對氫壓控制、安時計控制和過溫過壓保護；在應(yīng)急情況下，采用硬件電路對氫壓進行控制。該模式控制準確，可靠性高。

4 氫鎳蓄電池鈍化裝置及消能試驗

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。為實現(xiàn)蓄電池鈍化，研制了一臺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)計中采用了磁保持繼電器作開關(guān)，并且實行串聯(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，蓄電池也不會發(fā)生過充、過放電等情況，此時蓄電池的電壓均為0 V，不會發(fā)生爆炸危險。

4.2 鈍化消能試驗

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

圖8 氫鎳蓄電池鈍化測試平臺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)試驗鈍化要求一起放置于高低溫試驗箱內(nèi)，進行高低溫循環(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

從試驗結(jié)果可以看出，鈍化裝置在常壓溫度循環(huán)試驗下工作正常、參數(shù)穩(wěn)定、無異常現(xiàn)象，各項性能參數(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)進行了研究。通過對蓄電池爆炸機理分析和爆炸試驗驗證，認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不會發(fā)生爆炸。采用自主設(shè)計的鈍化裝置與氫鎳蓄電池組進行了聯(lián)合鈍化試驗，所取得的成果可為未來航天器的設(shè)計提供借鑒。

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