卫星氢镍蓄电池电解液在轨回流特性仿真

周志成李峰黄华徐珩衍檀立新（中国空间技术研究院，北京 00094） （中国航天电子集团第十八研究所，天津 300384）

卫星氢镍蓄电池电解液在轨回流特性仿真

周志成1李峰1黄华1徐珩衍1檀立新2
（1中国空间技术研究院，北京 100094） （2中国航天电子集团第十八研究所，天津 300384）

氢镍蓄电池电解液在轨流动特性是影响其工作性能和使用寿命的重要因素，对蓄电池设计与优化具有重要意义。针对高轨通信卫星使用的80Ah氢镍蓄电池，建立了电解液流动运动的三维仿真模型，采用计算流体动力学（CFD）数值仿真方法，对氢镍蓄电池单体内的电解液在轨微重力条件下的流动特性和分布特点进行了仿真研究。通过对比分析不同边界条件下的仿真结果，提出了在蓄电池极堆与壳体两端之间增加电解液流动路径可以提高电解液回流速度，并改进卫星氢镍蓄电池在轨工作性能，研究结果可为卫星蓄电池和电源系统设计提供参考。

氢镍蓄电池；电解液；接触角；计算流体动力学；卫星

1 引言

蓄电池作为电源系统的重要储能部件，其充放电性能是影响航天器在轨工作和使用寿命的重要因素。氢镍蓄电池具有质量比能量高、工作寿命长、耐过充放等特点［1］，因此近些年来在航天器上被广泛使用。如何提高氢镍蓄电池的性能，确保航天器的使用寿命和寿命末期时系统工作指标，一直是航天科技人员和相关领域学者关注的热点问题。

氢镍蓄电池在充放电过程中会产生大量热量并导致电池内部温度上升及温度梯度变大，对其工作性能的稳定性存在潜在影响，而这方面是国内外学者的研究重点。目前，关于蓄电池的温度场特性研究已通过数值仿真［2］和试验测量［1］等方法分析蓄电池内部热量的产生和传导机理，确定温度场分布，为蓄电池温度控制和优化设计提供参考［3－4］。但从氢镍蓄电池的工作原理来看，航天器使用的蓄电池内部电解液的分布和流动特性也是影响其工作寿命和性能指标的重要因素，而这方面的研究工作相对开展较少。

本文以高轨通信卫星使用的80Ah氢镍蓄电池为对象，采用计算流体动力学（CFD）数值仿真方法，对蓄电池壳体内的电解液在轨工作时的分布和流动特性进行仿真研究，总结电解液的分布特点，可为蓄电池的改进与优化设计提供依据。

2 氢镍蓄电池工作原理与建模

2.1 蓄电池工作原理

卫星用氢镍蓄电池单体的结构形式如图1（a）所示，一般由两端的半球和中间柱段组成。蓄电池主要由顶部壳体的正负极柱、壳体内部极堆和其他安装辅助器件组成，极堆外围充满氢气。电池充电时极堆的负极生成氢气，电池内部压力上升；电池放电时消耗氢气，电池内部压力下降。

氢镍蓄电池的理想工作状态是极堆中的电解液不能多更不能少，电解液在整个容器内循环。但氢镍蓄电池在轨反复充／放电使用过程中，极堆内的电解液会有所消耗，可能导致卫星寿命末期时蓄电池的输出电压等性能参数下降，影响卫星工作性能。为解决这一工程问题，一般蓄电池单体内会多充少量的电解液（约几十克），这部分电解液称为“游离电解液”。卫星在轨工作期间，如何保证极堆内电解液消耗后，这部分游离电解液能快速回流到极堆内，是决定蓄电池单体工作寿命和工作性能的一个关键问题。而氢镍蓄电池的极堆部分主要由多孔介质材料构成，因此只要这部分“游离电解液”在轨工作过程中能够保持或者快速流动到极堆附近，就能确保其在需要时快速回流到极堆内。

2.2 蓄电池仿真建模

根据氢镍蓄电池的工作原理和内部结构，为分析蓄电池壳体内游离电解液在轨工作时的分布特点和回流特性，建立了蓄电池单体的三维几何模型。在建模时对其内部结构进行简化处理，忽略蓄电池内部小尺寸部件，以提高仿真计算效率。如图1（b）所示，蓄电池单体仿真几何模型主要包括壳体和内部极堆，几何尺寸以80Ah氢镍蓄电池单体结构为参考，壳体内径为120mm，壳体厚度5mm，总高为220mm；极堆直径为108mm，即极堆与壳体的间距为6mm；高度与壳体圆柱段高度相同为100mm。

3 数值仿真方法

3.1 流体运动方程

由流体力学知识可知，蓄电池的电解液为不可压缩流体，令其密度为ρ，运动学粘性系数为μ，则其运动方程为质量守恒方程和动量守恒方程（一般统称为Navier－Stokes方程［5］）为：

式中▽为拉普拉斯算子；t表示时间；u为流体在计算坐标系内的速度矢量；P为流体的压强；f为流体在外力作用下的加速度矢量。

3.2 边界条件

卫星在轨工作时，蓄电池内的电解液处于空间失重环境，此时液体的表面张力成为主导其运动的主要驱动力。在蓄电池壳体壁面处，采用粘性流体的壁面无滑移条件，即在固体壁面处流体的速度矢量u＝0。对于电解液与氢气之间的自由液面，需要针对液体的速度和压强建立边界条件。沿自由液面的切向和法向的边界条件分别为［6］：

式中 un和uτ分别为自由液面处的法向和切向速度；P0为气体的环境压强；σ为表面张力系数；k为自由液面的平均曲率；τ和n分别表示自由液面的切向和法向。

本文的数值仿真计算采用CFD商用软件FLOW3D完成，FLOW3D是一款成熟的两相流CFD软件，采用VOF方法计算液体与气体之间的界面运动。FLOW3D软件经常用于低重及微重条件下的液体运动数值仿真，其正确性和实用性已得到广泛的证明［7－8］。FLOW3D软件提供了多种可供选择的流体运动方程求解选项，本文在具体进行仿真计算时，结合微重力条件下蓄电池电解液运动的特点，考虑了流体粘性、表面张力等作用，采用层流模型。基于FLOW3D软件建立的蓄电池计算网格如图1（c）所示，共计由350 000个六面体网格单元组成。

4 仿真结果分析

4.1 仿真结果

本文在计算时假设蓄电池单体内游离电解液的质量为50g，电解液的密度取为1.25×103kg／m3。如前文所述，当蓄电池极堆需要补充电解液时，希望游离态电解液能快速回流到极堆内。为保证仿真结果对工程实际具有指导意义，在计算时给定较为保守的初始条件，即假设蓄电池单体内50g电解液在计算初始时刻全部位于壳体的一端（如图1（b）所示，电解液全部位于壳体底部）。

卫星在轨工作期间处于失重或微重力状态，此时电解液将在表面张力的驱动下运动，并最终达到平衡状态。由流体力学知识可知［9］，电解液的运动及分布规律主要与其对蓄电池壳体内表面的浸润性有关。浸润性是指液体对固体的润湿现象，通常用接触角来衡量，接触角越小表示固体表面的亲水性越强，而接触角大于90°的固体表面则为疏水表面［9－10］。为利用表面张力来吸附电解液，蓄电池壳体内应该采用亲水材料，但考虑到加工工艺和涂层工艺等因素，壳体内部的浸润性存在一定的不确定性。因此，本文在仿真计算时考虑了三种不同接触角：5°、30°和60°。

接触角为5°时的不同时刻电解液在蓄电池壳体内的运动过程和分布位置仿真结果如图2所示，计算时假设重力加速度为0。由仿真结果可知，计算开始后5s电解液的分布位置与100s时已经差别很小，这表明当接触角很小时，电解液在表面张力作用下很快就运动到了极堆附近，由于蓄电池壳体与极堆之间的间隙很小，电解液在此位置能同时与壳体和极堆接触，增大了表面张力的作用面积，因此电解液可在此位置达到微重力条件下的平衡状态。

接触角为30°和60°时的仿真结果分别如图3和图4所示。可知，虽然电解液最终的分布状态存在区别，但是经过一定时间的运动后大部分稳定分布在蓄电池极堆附近区域。仔细比较图2～图4的仿真结果可知，接触角越大，电解液由蓄电池壳体底部向中间位置运动的过程越长，不利于电解液的快速回流。游离电解液质心位置沿蓄电池纵向的时间变化曲线如图5所示，图5直观描述了电解液由壳体底部向极堆附近运动的过程，可以看出，接触角越大，电解液回流速度越慢。

图2 接触角5°时电解液运动过程仿真结果Fig.2 Simulation results of electrolyte flow with 5°contact angle

图3 接触角30°时电解液运动过程仿真结果Fig.3 Simulation results of electrolyte flow with 30°contact angle

图4 接触角60°时电解液运动过程仿真结果Fig.4 Simulation results of electrolyte flow with 60°contact angle

图5 电解液质心位置沿蓄电池纵向的时间变化曲线Fig.5 Moving curve of mass center of electrolyte with different contact angle

4.2 结果分析

由上述仿真结果可知，为保证氢镍蓄电池内游离态电解液在轨失重条件下能快速回流到极堆附近区域，应从壳体材料选择和内表面涂层等方面提高电解液对蓄电池壳体内表面的浸润性。但如前文所述，蓄电池壳体内部受加工工艺、涂层退化等诸多因素影响，无法完全保证电解液的浸润性，当浸润性下降后，有部分电解液在较长时间内停留在壳体底部（当接触角增大到30°和60°时，计算开始后70s，仍然有少量电解液位于壳体底部），这显然无法满足蓄电池工作时电解液快速回流的需求。

因此，为提高蓄电池工作性能和可靠性，应采用具有强导流性能的材料，在蓄电池极堆与壳体两端增加直接连接部件，建立电解液从壳体两端到极堆的直接运动路径以利于电解液快速回流。

5 结束语

本文以通信卫星使用的80Ah氢镍蓄电池为对象，采用CFD仿真方法建立了蓄电池单体的数值仿真模型，对蓄电池内游离电解液在轨失重条件下的运动过程和分布特点进行了仿真研究。仿真结果表明，电解液对蓄电池壳体材料的浸润性越好，电解液的回流速度越快；为确保蓄电池工作寿命和可靠性，还应在蓄电池极堆与壳体两端之间增加电解液流动路径，提高电解液回流速度。本文的仿真模型和数值方法也可用于其他航天器用蓄电池的仿真分析，并为蓄电池性能研究和电源系统设计提供参考。

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Numerical Simulation of Electrolyte Moving in Nickel－Hydrogen Battery of Satellite

ZHOU Zhicheng1LI Feng1HUANG Hua1XU Hangyan1TAN Lixin2
（1China Academy of Space Technology，Beijing 100094）
（2 Tianjin Institute of Power Sources，Tianjin 300384）

A three－dimensional numerical model of an individual pressure vessel was developed based on the 80Ah nickel－hydrogen battery used for GEO communication satellites.The model，including the main components of a battery including the battery shell and electrode stack，was utilized to simulate the transient flow field of the electrolyte under zero－gravity condition，by using the computational fluid dynamics（CFD）technology.The comparisons of the simulation results with different boundary conditions show that the flow velocity of the electrolyte from shell to the electrode stack was decided by the wettability of the electrolyte.Adding routes for the electrolyte flowing from the bottom acme and the upper acme to the electrode stack can improve the performance of the nickel－hydrogen battery.

Nickel－hydrogen battery；Electrolyte；Contact angle；Computational fluid dynamics；Satellite

10.3780／j.issn.1000－758X.2015.03.006

周志成 1963年生，2008年获中国空间技术研究院飞行器设计专业博士学位，研究员。研究方向为卫星总体设计，航天器动力学。

（编辑：王晓宇）

国家自然科学基金（11272334，11302244）资助项目

2015－02－05。收修改稿日期：2015－03－04