国外卫星用蓄电池的技术现状及发展趋势

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3期

李劲东

何知朱：热泵强化大型航天器排热的概念研究及其理论分析

必须指出，述计算结果并不包括热泵系统的应用所导致的其它额外附加重量的减少，上如

对两相流系统，解除了两相流分离系统和流体机械泵的要求；对于单相流体回路，解除了流体泵的要求和减少工质的需要量。从上述分析结果可以看出，泵具有强化辐射散热能力，少辐射器和系统重量。而辐热减然

射器比重量数值对整个系统重量的分析影响较大，直接影响热电驱动热泵系统性能和效果的 对比结果。对于一般非加固辐射器，用热驱动热泵效果较好；采相反，对于加固型辐射器，用采电驱动热泵效果较好；它们之间有一个系统优化问题。因为采用热驱动热泵，然增大辐射器必排热量，增加辐射器和系统的重量，采用电驱动热泵。射器减重十分明显，因耗电而需而辐但增加供电系统重量。因而采用热电一合驱动热泵方式进行系统优化将是一个有前途的发展方向，待于进一步研究。有

4结束语研究结果表明：

() 1热泵热管理系统不仅能明显减少辐射器散热面积和重量，且更重要的是它能够减轻而系统重量； ()泵热管理系统与机械泵两相流热管理系统相似， 2热同样也是利用工质的潜热进行能量

传输的，因而它同样具有机械泵两相流系统所具有的优点。同的是热泵系统具有提高辐射不器的排热温度。化辐射器的散热，少辐射器散热面积和系统重量；强减 ()不损坏系统可靠性和性能的前提下，用热泵，以减少辐射器散热面积，轻系统 3在利可减重量，简化系统复杂性。

参

考

文

献

1 De tr P F,Hakn W L Am l s o e t u a g xe si . Hi f h a p mp u m￣ td sse s o p ∞ c nrl e yt fr s a m o t AI o AA8 4—1 5 77

2 Dr l B.He t u u n￣ td rdao o ih p we p cca h n lc n rl oe n a -p mp a g x e a itrfr hg o r s aerf te m t,AI t o o AA 9 0 7 8—0 7

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7李劲东 .热泵强化大型航天器散热研究与发展 .6高技术报告，95 83 19

(上接第 6页 ) 37 Ln e等 .NAS b t r rs o .1 9 ik rL A at y wo k h p 9 2 e 8 Ga e J C等 .Na 2 b t r els a e ng te p r g t 0h I CEC,19 n r r S at y c l p c ih x em'￣ .3t E e 95

9朱毅麟

空间推进与电源轻量化进程 .国际太空、 l9,( ) 96 1 o

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dE京空间飞行器总体设计部)

综述了作为空间储能装置的蓄电池的技术现状及未来可能的发展趋势。

在镉镍蓄电池方面具有丰富的飞行经验，术成熟，技成本较低，今后一段时期内在低轨道卫星上仍占主要地位； 氢镍蓄电池已取代镉镍蓄电池作为地球同步轨道卫星的首选储能装置，在六十多颗卫星上应用；于低轨道卫星的氢镍蓄电池技术也用取得进展，设计的蕾电池地面试验循环寿命已达到三万次 (0新 6 DO,望取代镉 D)有镍蓄电池； P C V和低压氢镍蓄电池在小卫星应用上有明显优势；钠硫蓄电池和锂蓄电池具有较高的比能量特性，时它们的研究还在继续，两类蓄电池可望成为下个这世纪新的空问储能装置

关键词

空问电源，电池，能装置。蓄储

卫迮 1 墨源 外

1前言 在过去几十年里，阳电池阵一蓄电池系统一直是卫星电源分系统的主要形式。电池太蓄

作为电源分系统的储能装置，着不容忽视的作用 .电池组是电源分系统中最重的部件，起蓄其重量占整个电源分系统的 4%左右， 0电源分系统的工作寿命主要取决于蓄电池的寿命。因此研制开发长寿命、效率和高可靠的蓄电池一直是空间电源界的主要任务 .去三十年锅镍蓄高过电池在卫星应用中占统治地位，但其地位正遇到一些新型高效蓄电池的挑战。目前国外卫星的研制正出现一大一小的趋势：大是指一些卫星特别是地球同步轨道广播通讯系列卫星趋于向大容量、功率发展，星功率大于六千瓦：大整小是指一批科学试验卫星和用途单一的卫则星趋向于低成本、功率，星功率不足一千瓦，至只有几十瓦。小整甚对于前者，求蓄电池具有要

大容量、比能量和长寿命特性；对于后者，电池的重量、高而蓄体积和成本成为关键因素。了为适应卫星技术的不断发展，多发达国家都投人相当的人力和物力，许研制开发新的储能装置并且取得可喜的进展。如世界航天技术具有较高水平的美国， 15自 98年第一次将太阳电池阵一

镉镍蓄

电池组系统应用于卫星以来，不断改进镉镍蓄电池技术使之达到相当高水平外，除

还研制开发了新型氢镍蓄电池并已在空间应用；属氢化物镍电池技术进展很快，天飞行金上指日可待。比能量的钠硫蓄电池和锂蓄电池系列也正在抓紧研制，个世纪初可能会有所高下突破。

这里试图对目前国外 (主要是美国 )星用蓄电池技术的现状及发展趋势做一简要论述。卫收稿日期： l9—0—2 97 2 4

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6卷

2技术现状1镉镍 ( . d蓄电池 N_ ) C镉镍蓄电池组自 15年第一次应用于探险者四号( x l e— V以来， 98 E po r I ) r已有近四十多年的空间飞行历史。目前卫星上应用最多、术最成熟的蓄电池。主要优点是可靠性高、是技其性

能稳定、寿命长、成本较低。过近四十年的应用实践和理论研究，通人们对镉镍蓄电池的性能表现、反应机理及失效模式有了比较深人的了解。生产制造过程中逐步采用标准化、范化在规

的生产工艺，对正负极板的制造、电解液组成膜种类及密封形式都有明确规定。时在卫隔同星应用方面，通过采用合适的充放电控制、度控制和在轨再处理手段以及较为严格的地面温维护和储存方法 .使得镉镍蓄电池的性能和寿命都有很太提高“目前镉镍蓄电池组的比能 量为 2—3w￣,轨道寿命最高可达到 5年 (5 5 5&g低 2%DOD下循环寿命近 3万次 )地球同步，轨道寿命 8 0年 (0—1 6%D0。由于镉镍蓄电池比能量较低，电深度不大 . D)但放制成大容量电池有一定难度，在地球同步轨道上的应用基本由氢镍蓄电池所取代 .得注意的是，值由于环境保护意识的增强，多发达国家环保法规越来越严格 .果不能很好处理在制造镉镍蓄电池许如过程中氧化镉等有害物质对环境的污染，么在本世纪末一些国家有可能禁止在本国生产镉那镍电池 (如美国 )但尽管如此，十年内镉镍蓄电池在近低轨道应用上仍占主要地位。 .近 2 .氢镍 ( iI2蓄电池 2 N—I) -氢镍蓄电池主要分为独立压力容器 ( V氢镍

蓄电池 I ) P公用压力容器 ( V)镍蓄电池和 CP氢金属氢化物镍 (— NiMH)电池 (称低压氢镍蓄电池 )蓄又：() V氢镍蓄电池 1

IV氢镍蓄电池的研制和开发起源于七十年代，镉镍蓄电池技术和氢氧燃料电池技术 P是结合的产物。的优点是寿命长、它重量比能量高、电深度大、放耐过充能力强。点是体积比能缺量小、自放电率大。 97首次应用于 NS 17年 T一2卫星，93年开始在商业卫星国际通讯卫星五 18号上使用。目前为止已有六十多颗卫星采用氢镍蓄电池作为储能装置 n。今后发射的地球到 同步轨道卫星绝大多数将选用氢镍蓄电池 .目前在地球同步轨道 ( O)星上使用的氢镍蓄 GE卫电池组最大容量达 15 l最大放电深度为 8%, 2Aa, O比能量 3—5Whk, 5 5/g寿命 1—1。 5A 0 5年 30 h的氢镍蓄电池组也即将投入使用 19 90年氢镍蓄电池首次被使用在近地轨道 ( u )星哈勃卫望远镜上，量为 8A、电深度只有 8目前低轨道卫星用氢镍蓄电池的地面试验水平一容 0h放%.般为 40—100次循环寿命， NA A的低轨道寿命 3年 (0 00 00离 s—7 4%D0D下循环寿命 2一4万 万次)求还有一段距离。以说 .镍蓄电池要想在低轨道卫星上推广使用关键是要提高循要可氢环寿命。多空问电源制造商和研究机构都在寻求提高氢镍蓄电池寿命的方法。国 NA A许美 s刘易斯研究中心提出的设计最为先进 .设计要点是。:其 a使用 2%KOH电解液 (电状态下 )不是传统的 3%K . 6充而 1 OH电解液； b在压力容器内壁铺设催化墙芯以利于充电后期和过充电时产生的氧气与氢气的复合 . . 明显改善了氧的复合、的回流及热管理；水 0锯齿形边缘的氧化锆隔膜与催化墙芯接触，有利于氧气流和氢气流程电池内流动，利有于电解液的管理； d背对背式电极排列， .使氧气直接排到催化墙芯上；

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e在电极堆两端安装浮动式压紧弹簧片代替目前的固定压紧方式，利于调节镍电

极在 .有充放电循环中产生的膨胀，减少对极板的危害。 以上设计已被证明是十分有效的。 a l-Pce公司对这种新设计的 15 Eg e i r h 2Ah电池进行 6%DO下的寿命试验，加试验的三个单体电池循环寿命均超过 3万次而无失效。作为 0 D参而对比，没有用催化墙芯的三个单体电池循环寿命分别只有 9 8、 30 58 190和 255次。见铺 07可设催化墙芯实施提高寿命的关键措施。() P 2 C V氢镍蓄电池

公用压力容器 ( P ) C V氢镍蓄电池是将若干个单体电池 (如 2例 6个 )放在一小共同的压置力容器中。 IV氢镍蓄电池相比，的比能量提高了，其是大幅度提高了体积比能量于 P它尤 (/)降低了成本，少了电池组单体间连接的可靠性，于安装 .别是作为小卫星电 whL,减易特源， P氢镍蓄电池优于传统的镉镍蓄电池。 94年发射的美国 Ce nie卫星首次使用 CV 19 l t me n lA c v氢镍蓄电池。 l出该卫星设计时几种 1Ah蓄电池组选择方案的比较 OhP表列 5表 1 a钿惯血 e卫星几种蓄电池方案性能比较

可以看出，对小卫星而言，多单体 C V氢镍蓄电池组优于镉镍蓄电池组。 P从上表两单体 C V P氢镍蓄电池组的数据可推断：小容量 IV氢镍蓄电池组与镉镍蓄电池组相比，比能量上无 P在优势. P C V氢镍蓄电池研制上有一定的难度，主要难点在于： a防止电解液搭桥短路 () () b每个单体电池要有独立的电解液和氧气管理； c具有良好的散热能力； d蓄电池压力容器的 () ()密封.间用 C V氢镍蓄电池的开发工作主要由美国 Co a和 J h n公司共同进行。空 P mst o mo除上

述由他们研制的 1Ah P 0 C V氢镍蓄电池已用于 Ce nie星飞行外，们还设计了一个直径 l met卫 n他为 2 . m的 3V2A 5c 4 2 4 h的轻重量氢镍蓄电池并试验验证其在低轨道应用的可行性。果在结 4%DO下循环 60时由于电压迅速下降而失效， 0 D 40次随后的分析表明失效的原因是电解蔽泄漏。

有理由相信，随着 C V氢镍蓄电池技术的发展， P其在空问

应用的前景是十分乐观的。 () 3低压氢镍 (— NiMH)电池蓄低压氢镍蓄电池是金属氢化物镍蓄电池的俗称。的正极是传统的镍电极而负极是一种它

金属氢化物。由于负极活性物质是以氢原子形式储存在金属合金中，以工作压力不高，所能制成矩形电池，而提高了体积比能量。理论上分析，属氢化物镍电池的理论比能量从从金 (1Whk ) 26/g与镉镍电池的理论比能量 (0Whk )近，实际比能量 NiMI 29/g相但— -电池则为 I蓄NiC—d蓄电池的 1至 2倍。空间蓄电池水平比较，— . 5从 NiMH蓄电池组的重量比能量要高出 NiC—d蓄电池组 3%左右，体积比能量要高 2%左右。于金属氢化物镍蓄电池的高比 0而 9由能量特性及对环境污染很小，使其在商业应用上迅速推广。空间应用领域该技术也成为近在来研究和开发的热点。国 Gae公司和 E ge .e公司是研制卫星用 NiMH蓄电池的美 t a l-He r h—主要公司。其中 G t公司研制的 2A a e 2 h电池循环寿命已达 60 00次 (温、 o室 5%DO; D) E ge i e公司的 1Ah电池也完成了 30次寿命循环 (温、 5 al—Pe r . h 0 00室 4%DOD)外推到实际的空。

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使得对空间用锂电池的研究重新活跃起来。聚合物电池为固态电解质电池，采用薄膜型锂它聚合物隔膜作为锂离子的导体置于锂金属负极和正极之间，优点是比能量高，电解液泄其无漏问题，能容易地制成各种形状的电池；并缺点是固态隔膜的内阻比较大，比功率较小锂离子蓄电池是近期开发的一种新型蓄电池，用能使锂离子嵌入或脱嵌的碳材料 (活性碳 )它如作为负极，可以与锂生成嵌入化合物的金属氧化物 ( LC O￣为正极，反应机理明显不同用如 io )其于传统的锂蓄电池。由于无金属锂负极存在，池的安全性和寿命提高了。离子蓄电池技术电锂成为目前空间锂电池应用研究的热点。P JL正在研制准备用于深空一1探测器的锂蓄电池

。号 电池容量为 IA,放电循环寿命大于 10 O h充 00次，比能量大于 10 e/g 另外 JL试验室 0Vak。. P还准备将 L— i2 L—oy r L— n三种蓄电池进行飞行试验以研究微重力环境对这 iTS, iP lme和 iI o些蓄电池性能的影响 0

目前 L蓄电池比能量水平与 NiC、— j— d NiH蓄电池的比较见表 2 .表 2三种蓄电池的比能量水平比较

3发展趋势未来几十年内，阳电池阵一蓄电池组系统仍然是空间电源分系统的主要形式。靠性太可高、重量轻、体积小、寿命长、成本低是对空间蓄电池的基本要求。镍蓄电池的地位在十年内镉不会完全被取代；P氢镍蓄电池以在地球同步轨道卫星应用上占统治地位并向大容量电池 IV发展，其低轨道循环寿命可达到 3万次，年内将逐步在大容量卫星上推广使用；小卫星—4几在应用上， P C V氢镍蓄电池和金属氢化物镍蓄电池将是镉镍蓄电池的强有力的竞争对手。于由采用新型高效镍电极 (如纤维镍和泡沫镍电极 )镉镍蓄电池和氢镍蓄电池的比能量将会有所，增长 .

钠硫蓄电池和锂蓄电池虽然比能量高，还有些技术问题尚待解决 (但尤其是如何提高循环

寿命问题)因此在短期内虽有个别卫星采用这些蓄电池 .,但不可能成为定型的储能技术。预计在下个世纪的第一个十年末，钠硫蓄电池和锂蓄电池将发挥重要作用。钠硫蓄电池的比能量将达到 20/g而锂蓄电池的比能量将达到 20 o w￣ g” 0Whk, 5—30“。参考文献

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3 mtrk J J等 .E eto E州 i n 2 h d/ cd ds IV— S i i hc fc fL O n O 1 A ra,ne e P Ni g 5 aI ECE C,19 90

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