飞行器电池激活后待机安全性与剩余电量研究

2016-04-05陈雷雨岳瑞华徐中英

电源技术 2016年6期

关键词：待机时间待机电解液

陈雷雨，岳瑞华，徐中英

(第二炮兵工程大学，陕西西安710025)

飞行器电池激活后待机安全性与剩余电量研究

陈雷雨，岳瑞华，徐中英

(第二炮兵工程大学，陕西西安710025)

锌银电池作为航空航天飞行器的能源供应设备，激活后不同情况下的剩余电量和安全性决定了电池的剩余可待机时间。利用电池的剩余可待机时间，可以开展故障的现场分析排除和视情择机发射。结合飞行器实际发射过程，在满足飞行器发射、飞行对电池要求的基础上，着重从电池使用的安全性和电池剩余电量两方面论述了电池对飞行器待机的影响，为制定科学的待机方案提供依据。

锌银电池；飞行器；待机；安全性；剩余电量

伴随着航空航天事业的蓬勃发展，作为飞行器主电源的锌银电池，具有性能稳定、使用简单方便、储存时间长、激活反应时间短、比能量大等特点[1]。飞行器进入发射阶段后，电池担负着为其提供能源、保证仪器正常工作的重要任务[2]，因此锌银电池对飞行器的热待机时间有较大影响。

但是在飞行器发射过程中常常会遇到突发故障，为保证发射成功，需要现场及时排除故障；若飞行器由于突发故障等原因未能如期发射，则需要保持热待机状态，等待下一个发射窗口进行发射[3]。锌银电池作为飞行器的主电源，其激活后湿搁置时间成为影响待机时间的关键因素。因此，研究锌银电池的使用安全性和实时剩余电量，估算飞行器的剩余待机时间，可以为制定飞行器待机方案提供科学依据，也可以为技术人员排除突发故障提供时间上的限制。

1 电池安全性对待机的影响

目前，飞行器上一次电源多采用自动激活锌银贮备电池。作为飞行器能量供给的重要设备，锌银电池的安全性能在很大程度上决定飞行器能否成功发射，因此必须充分考虑锌银电池使用过程中各种不安全因素的影响。针对飞行器实际发射待机过程，主要从以下两方面研究电池的安全性。

1.1 电池激活前使用安全分析

自动激活锌银贮备电池系统分为气体发生器和电池堆两部分。其中电池堆是由多个锌银电池单体串联而成的。在电池的干态贮存期中，电解液储存在不锈钢的储液器中，从而与电池堆分开，并且储液器的出口由一个易碎的隔膜封上，锌银电池结构如图1所示。需要激活电池时，通过电流脉冲点燃气体发生器，产生一个高气压冲破易碎膜，从而将电解液压入电池堆中激活电池放电[4]。

图1 锌银电池结构示意图

锌银电池的结构能够保证电池一定的干态贮存时间，但同时也带来了一定的问题。由于锌银电池的特殊结构，决定了其只能被使用一次。一旦激活，将电解液和电池堆混合，电池就必须使用，这决定了在飞行器发射前无法对电池进行性能检查。

锌银贮备电池的干贮存寿命在5～8年左右[5]，对于已经达到规定贮存期的电池，无法对其是否能够满足飞行器发射、飞行需要进行有效判断。另一方面，随着贮存时间变长，电池的电极会发生自然氧化还原反应、内部橡胶、粘接剂老化等情况，电池的电量和电压等指标都会下降[6]，导致电池使用的可靠性随之下降，这对电池的使用安全形成隐患，同时对电池待机时间也会造成影响。通过先验知识，结合实际贮存时间，利用贝叶斯估计将电池的可靠性进行量化，对电池安全使用及飞行器安全发射至关重要。

1.2 电池激活后使用安全分析

分析研究电池安全时，除了对电池激活前的安全可靠性进行评估外，在电池使用过程中的各种不安全因素对处于热待机状态的飞行器同样重要。在电池进行湿搁置的时间里要保证电池的工作安全，防止电池出现短路、泄漏电解液和排放有害气体等情况。同时，飞行器的发射、飞行环境十分恶劣，在这样的环境下，必须考虑到电池的可承受环境条件，以保证使用过程中的安全。因此，主要从以下四个方面分析电池的使用安全。

1.2.1 高温

锌银电池具有优越的大电流放电性能，在常温下，当电池以1小时率放电时，可放出额定容量的90%；以1/3小时率放电时，仍能放出额定容量的70%；在特定条件下，甚至可以在3～5min之内放出大部分容量，所以锌银电池适合在大电流高速放电情况下使用[7]。

但电池在放电过程中，特别是在大电流放电时，会产生很大热量，这种情况如果持续时间比较长，就会导致电池内部温度逐渐升高，进而有可能将隔膜熔化，使电池内部发生短路，这样更会加剧温度升高，最后有可能发生爆炸。因此高温对电池的影响必须考虑。

1.2.2 振动

受地形等因素影响，飞行器在机动运输过程中会受到不规律的振动，这对电池性能的保持也有很大考验。另一方面，飞行器点火起飞后，受空气阻力、发动机推力和水平方向风速等不均匀影响，飞行器本身会产生较大频率的振动，电池会受到从壳体传来的强迫振动[8]，这种高频率的振动会使电池零、部件结构磨损破坏，造成活性物质脱落、电池单体内部银丝断裂，引起电性能降低而使电池失效，更有可能导致由于紧固件松动引起的电解液泄漏[9]。所以，对电池进行抗振性测试是保证电池安全性的一个重要方面。

1.2.3 电解液泄漏

在飞行器发射起飞前，如果操作过程中出现故障，并且在发射场地无法处理的，须对故障飞行器进行撤收，此时要将飞行器从垂直状态转为水平运输状态，电池将翻转90°，这种状态下进行机动运输就有可能造成电解液的泄漏，从而会对其他仪器设备造成腐蚀。如果通过测试得到电池翻转90°进行运输时电解液不泄漏的可靠时间，可以为飞行器机动运输时间、距离的判断提供参考。

1.2.4 漏电

电池激活后随时有可能发生漏电情况，特别是当两块电池同时发生漏电时可能形成一个漏电回路，在此回路之中的仪器设备都会受到影响。当漏电电流比较小时，会对飞行器内部仪器正常工作造成干扰；当漏电电流较大时，很有可能烧毁仪器设备。因此，对电池漏电风险进行评估很有必要。

2 电池剩余电量对待机的影响

锌银电池的突出优点是比能量高，理论上，锌银电池质量比能量可以达到 350 Wh/kg，体积比能量可以达到 750 Wh/dm3。因此，在航空航天飞行器这类对电池体积和质量有严格要求的尖端装备中，锌银电池可以很好地满足使用条件[10]。而且，在要求一定体积和质量的前提下，电池比能量较高时飞行器的待机时间也会较长。

自动激活锌银一次电池通常是短寿命的。激活后，如不使用，在短时间内即失效，其主要原因是电池湿搁置过程中电量等参数会逐步下降[11]，而飞行器可利用的待机时间和电池的湿搁置时间主要取决于待机过程中电池的电量，因此要对处于湿搁置状态下的电池进行剩余电量的实时监控估算。

由于电池在带载与空载情况下的工作状态不同，结合飞行器的实际发射，将电池工作过程分为带载与不带载两个阶段进行剩余电量的计算。在不带载情况下，电池的湿搁置时间和其自放电速率关系密切；带载情况下，电池搁置时间主要取决于飞行器中仪器的用电情况。

2.1 电池空载状态待机剩余电量分析

电池激活后，在不带载的情况下，活性物质浸泡在电解液中会自行发生氧化还原反应而消耗掉，锌银电池的氧化银电极在与电解液接触过程中会进行自放电而逐步丧失容量[12]，自放电的速率决定转电前电池湿搁置的时间，因此电池在转电前的湿搁置时间和电池的自放电有关。而且，飞行器结束待机状态重新进入发射程序后，加负载的电池必须能够满足飞行器中各仪器要求的供电条件以及后续发射、飞行的电量需求。

此时电池允许的湿搁置时间取决于以下三方面：(1)待机时间段内电池自放电消耗的电量；(2)待机结束后满足飞行器后续发射、飞行所需电量；(3)飞行器的各个仪器正常工作的供电条件。

其中，电池自放电大小随待机时间的延长而不断变化，通过计算才能确定。一般情况下，自放电速度较慢，可以忽略。但在锌银电池空载情况下，电池自放电成为电池能量损失的主要原因，因此需要通过计算得到电池自放电时间和剩余电量的关系。

2.2 电池带载状态待机剩余电量分析

转电后飞行器中的仪器由电池供电，各个仪器用电情况成为电池剩余电量的主要影响因素。此时电池的搁置时间取决于三方面：(1)待机时间段内飞行器中的仪器用去的电量；(2)待机结束后满足飞行器后续发射、飞行所需电量；(3)飞行器的各个仪器正常工作的供电条件。

飞行器在发射场地的待机时间可以用来排除临时故障以及等待发射窗口的到来，发射窗口到来或故障排除后，精确地判断电池是否仍然可以满足后续飞行器发射和飞行的电力需求则是十分必要的。在此情况下，如果难以准确判断，就需要撤收设备，则此次发射任务宣告失败。通过对电池电量的估算得到的飞行器可靠待机时间，可以作为确定待机方案的主要依据。

3 结束语

锌银电池的使用安全性和剩余电量对飞行器的发射待机会产生影响。结合电池工作过程，从电池激活前使用可靠性和激活后的安全性两方面分析了电池安全对待机的影响；同时，将飞行器电池激活后的待机过程分为空载与加负载两种情况，对两种情况下电池剩余电量的影响因素进行了分析，为估算飞行器待机时间以及确定最优的待机方案提供参考。

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Research on security and remaining electric quantity of standby aircraft battery after activating

As the energy-supply device for aerospace aircraft,security and remaining electric quantity of silver-zinc battery after activated decide remaining standby time of battery in each case.Launch team can eliminate faults on the scene and choose proper time to launch aircraft by using standby time of battery.Combined with real process of aircraft launching, the effects of security and remaining electric quantity of silver-zinc battery on aircraft were stressed on the base of meeting the need of aircraft launching and flying process for battery,providing theory basis for formulating reasonable standby plan.

silver-zinc battery;aircraft;standby;security;remaining electric quantity

TM 91

1002-087 X(2016)06-1223-02