朱尚龍，鄧 婉，王 瑾，劉小旭，曹夢(mèng)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(chǔ)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(duì)其性能和可靠性均有較大影響。電池充/放電過(guò)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(duì)流與傳導(dǎo)換熱均可忽略，且電池的熱功耗隨放電電流動(dòng)態(tài)變化，因此，掌握電池放電過(guò)程中的熱功耗變化對(duì)進(jìn)行電池的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為重要。

電池充/放電過(guò)程熱效應(yīng)的物理機(jī)理復(fù)雜。1985 年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Bernardi 提出電池的放電過(guò)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(jì)部的徐濟(jì)萬(wàn)通過(guò)銀鋅電池在不同放電電流下的熱功耗測(cè)量對(duì)這一結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證[3]。

上面級(jí)是一種可以將一個(gè)或多個(gè)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(jí)[10]在軌飛行時(shí)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(jì)面臨以下困難：該型號(hào)不進(jìn)行全箭熱平衡試驗(yàn)，無(wú)法驗(yàn)證電池?zé)嵩O(shè)計(jì)的正確性；電池分別安裝在間隔較遠(yuǎn)的兩個(gè)艙段，若采用主動(dòng)電加熱方案，需要使用較長(zhǎng)的電纜，實(shí)施難度較大；主動(dòng)熱控系統(tǒng)的控溫路數(shù)有限，無(wú)法對(duì)所有電池進(jìn)行主動(dòng)電加熱控溫。

本文針對(duì)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(duì)其中1 個(gè)電池進(jìn)行熱容和不同放電電流下的熱功耗測(cè)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(guò)支撐結(jié)構(gòu)、測(cè)控電纜的導(dǎo)熱，與環(huán)境的輻射換熱等）將影響測(cè)量的精度，甚至造成測(cè)量結(jié)果不正確。為降低測(cè)量誤差，試驗(yàn)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(duì)流換熱，同時(shí)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(cè)量不同溫度下的系統(tǒng)漏熱。最后基于試驗(yàn)測(cè)得的電池?zé)崛莺蜔峁?，通過(guò)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(duì)性的熱控設(shè)計(jì)。

1 電池?zé)峥卦?/h2>

上面級(jí)電池均安裝在艙內(nèi)，不受空間外熱流的影響，主要通過(guò)傳導(dǎo)、輻射的方式與環(huán)境間進(jìn)行換熱。上面級(jí)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(jiàn)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(jí)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(shí)，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(dòng)勢(shì)，V；U為電池工作電壓，V。

電池可見(jiàn)的艙體為其輻射散熱面，艙體的設(shè)計(jì)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(jì)算可知，當(dāng)ε取0.1～0.85時(shí)，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(shí)，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(shí)現(xiàn)難度較大。

電池的熱控是通過(guò)控制其表面當(dāng)量發(fā)射率實(shí)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(jì)的關(guān)鍵。本文擬通過(guò)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(lái)實(shí)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(jì)采用黑色陽(yáng)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(wú)法按照電池的熱控要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，故對(duì)電池表面所需的當(dāng)量發(fā)射率的計(jì)算主要考慮電池的熱功耗。而上面級(jí)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(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，因此，下文開(kāi)展電池?zé)峁牡臏y(cè)量并對(duì)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(cè)量及變化規(guī)律研究

2.1 電池?zé)峁臏y(cè)量原理

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

即，當(dāng)電池?zé)崛萘浚╩Cp）已知時(shí)，可以通過(guò)測(cè)量電池放電過(guò)程中的溫度變化速率（dT/dτ）獲得電池的熱功耗Q。實(shí)際測(cè)量中，可以先通過(guò)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(lái)測(cè)量電池的溫升速率和熱容量。

圖3 為電池?zé)崽匦詼y(cè)試試驗(yàn)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(yàn)在真空艙內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中保持真空度優(yōu)于10-3Pa；同時(shí)，采取多項(xiàng)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(lái)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(lái)完成熱防護(hù)筒和電池的支撐安裝，對(duì)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(cè)試試驗(yàn)原理Fig. 3 Sketch of measurements of the battery thermalparameters

盡管采取了多項(xiàng)漏熱控制措施，系統(tǒng)漏熱量仍無(wú)法降低至0，而電池的熱功耗很小，漏熱量可能降低測(cè)量精度，故需要精確測(cè)量系統(tǒng)漏熱量。當(dāng)電池不放電且加熱片不工作時(shí)，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(duì)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(yàn)過(guò)程中需要測(cè)量不同電池溫度下的系統(tǒng)漏熱率。

2.2 電池?zé)崽匦詼y(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

圖4 為試驗(yàn)過(guò)程中真空艙內(nèi)的真空度曲線，可以看到，試驗(yàn)過(guò)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(yàn)過(guò)程中電池頂部的跟蹤控溫曲線，其中標(biāo)注了熱特性測(cè)試試驗(yàn)中的6 個(gè)階段，其余為調(diào)初溫階段?？梢钥闯?，蓄電池頂部和防護(hù)筒頂板之間的溫度差在6 個(gè)試驗(yàn)階段中均控制在1 ℃以內(nèi)，表明試驗(yàn)過(guò)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(yàn)過(guò)程中電纜的跟蹤控溫曲線和支架螺釘?shù)臏y(cè)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(cè)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(shí)，漏熱引起的測(cè)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(yàn)系統(tǒng)中，保持電池及表面加熱帶均不工作，通過(guò)熱防護(hù)筒調(diào)節(jié)電池及熱防護(hù)筒溫度至所需測(cè)量的溫度，然后斷電，測(cè)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(shí)的溫度變化率以及對(duì)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(cè)量電池的熱容量。在圖3 所示的試驗(yàn)系統(tǒng)中，通過(guò)熱防護(hù)筒調(diào)節(jié)電池及熱防護(hù)筒溫度至所需測(cè)量的溫度，然后開(kāi)啟跟蹤控溫降低漏熱，保持電池不工作，通過(guò)表面加熱帶按照不同加熱功率測(cè)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(yàn)前已測(cè)得電池質(zhì)量為58.5 kg，取3 次試驗(yàn)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?jì)算結(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?，測(cè)量電池在不同放電電流下的熱功耗。在圖3 所示的試驗(yàn)系統(tǒng)中，通過(guò)熱防護(hù)筒調(diào)節(jié)電池及熱防護(hù)筒溫度至所需測(cè)量的溫度，然后開(kāi)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(shí)現(xiàn)在不同放電電流下的熱功耗測(cè)量。

圖8 給出了電池?zé)峁呐c放電電流的對(duì)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(shí)，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(shí)，電池?zé)峁呐c系統(tǒng)漏熱率相差不大，在試驗(yàn)結(jié)果上表現(xiàn)為電池溫度變化率為0，即測(cè)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(yàn)系統(tǒng)的局限性，不能模擬上面級(jí)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。可以發(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(cè)結(jié)果

3.1 電池?zé)峥胤桨冈O(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的上面級(jí)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(jì)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(duì)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(duì)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極化涂層（ε=0.85）組合的方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)式(3)計(jì)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(gè)面的面積。

3.2 電池飛行遙測(cè)結(jié)果

圖9 給出了實(shí)施上述熱控設(shè)計(jì)后該上面級(jí)的2 種電池在實(shí)際飛行中的溫度遙測(cè)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(jì)滿足要求，控溫效果良好。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某上面級(jí)電池?cái)?shù)量多、使用工況存在差異的特點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)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(jì)提供了準(zhǔn)確的輸入條件。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的電池進(jìn)行適應(yīng)性熱控設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示：

1）即使采取漏熱控制措施仍然無(wú)法使電池與環(huán)境之間的漏熱量降為0，對(duì)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(cè)量系統(tǒng)漏熱率將無(wú)法獲知電池?zé)峁模?/p>

2）通過(guò)測(cè)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(yàn)系統(tǒng)無(wú)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(guò)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(cè)數(shù)據(jù)表明電池的溫控效果良好。