氢镍电池加速寿命试验中性能研究

庞 辉，丁 飞，张海昌，明文成

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

氢镍电池加速寿命试验中性能研究

庞 辉，丁 飞，张海昌，明文成

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

为提高氢镍电池的可靠性，快速准确考核氢镍电池的使用寿命，对氢镍电池进行恒定DOD80%加速寿命试验。寿命试验已完成2137次，试验电池性能正常，满足在轨应用15年以上，表明该种电池的充放电循环寿命能很好地满足设计要求。对寿命试验中电池充放电过程曲线，电池充放电量比，充放电时电池温度进行了研究分析，为在轨合理应用电池，延长使用寿命，提供了有益的借鉴。

氢镍电池；寿命试验；性能分析

Abstract:In order to advance the reliability of nickel-hydrogen battery,and check the life of nickel-hydrogen battery well and truly,accelerated life test was done to 80 Ah Ni-H2battery under 80%DOD.After 2137 chargingdischarging cycles,the capability of the battery was all right.The experiment results show that the cycle life of the tested battery in orbit is more than 15 yeras.At the same time,the performance of the tested battery was analyzed and investigated,which may supply helpful information for extending the life of nickel-hydrogen battery.

Key words:nickel-hydrogen battery;accelerated life testing;capacity research

氢镍蓄电池具有充放电循环寿命长、耐过充过放电、控制系统简单等优点，广泛应用于空间飞行器电源系统中，特别是在高轨道(GEO)、长寿命卫星上，几乎100%采用氢镍蓄电池。氢镍电池的寿命将成为一个关注的焦点，因为寿命不仅是电池性能评价的至关重要的考核指标，也是空间用氢镍蓄电池可靠性的核心部分。

如果采用在正常使用条件下做寿命试验的方法来估计航天产品的寿命特征和可靠性指标，往往需要耗费很长的时间。加速寿命试验方法及其在航天产品中的工程应用研究正逐渐受到了重视。加速寿命试验采用加速应力进行产品的寿命试验，从而缩短了试验时间，提高了试验效率，降低了试验成本，使产品寿命与可靠性评估成为可能。同时，通过加速寿命试验较快地暴露产品薄弱环节，为改进设计、提高质量提供了依据[1]。

决定氢镍电池寿命因素很多，除了电池本身制造工艺外，还有使用温度、充放电电流、充放电量比、放电深度等，因此加速因子可选参数很多，并互相关联。根据氢镍电池在轨及地面应用的实践，放电深度对其寿命影响最为显著，其余因素可以通过设计使其处于最佳状态，尽量与在轨应用状态保持一致。对于应用于高轨道卫星氢镍电池，每年经历春秋两个地影季，每地影季45天，地影时间(即蓄电池放电时间)先增后减，如图1所示，与此对应，放电深度从约10%增加到50%～80%，再逐渐下降。因此本文选定80%作为蓄电池放电深度，其余影响因素尽量与在轨应用条件接近，考核蓄电池寿命性能。

图1 GEO卫星地影季中地影时间

1 试验件及设备技术状态

1.1 试验件

80 Ah氢镍电池：额定容量C=80 Ah，20℃最小保证容量80 Ah。

1.2 试验设备

冰柜：温度在－15～20℃范围内可精确调控，温度控制精度±3℃；充放电设备：Digatron-MCT150-0100-6 ME THY-充放电电流0～150 A。

2 试验方法

2.1 恒定DOD80%加速寿命试验制度

环境温度(0±3)℃；放电电流55.2 A；放电时间69.5min(放电容量64 Ah，80%DOD)；充电电流16 A；初期充电时间242.5min，充放电量比1.01(允许调整)；试验前及试验中，按2.2节进行容量试验，观察电池容量的变化。试验电池的充放电循环次数应不低于1350次。试验中采集电压、温度。充电过程中，10min采集一次数据，放电过程中，5min采集一次数据。

2.2 试验前及试验中容量测试

寿命试验开始前和寿命试验中按下述制度进行容量测试：(1)环境温度：(0±3)℃；(2)调整荷电态：40 A放电至电压1.0 V止，转16 A放电至电压1.0 V止；(3)电阻短路：单体电池以0.5～1 Ω电阻短路至0.10 V以下；(4)容量平衡：8 A充电4 h，不停，转16 A放电至电压1.0 V止，停0.5 h；(5)容量测试：8 A充电11.5 h，停30min，40 A放电至电池电压1.0 V止，转16 A放电至电池电压1.0 V止。试验中记录电池电压、温度。

2.3 寿命终止判据

寿命试验中，当试验电池放电终止电压低于1.0 V且通过调整充放电量比也不能稳定提高到1.0 V以上时，则判定试验电池寿命结束。

2.4 注意事项

试验电池不允许在过充电下进行充放电循环(相比于充电过程中的温度最低点，充电结束时电池温升应不高于1℃)；放电终止时刻电池温度不超过25℃。

3 数据整理与分析

3.1 (0.3)℃环境，恒定DOD加速寿命试验

单体电池按照2.1节中规定的试验方法进行80%DOD充放电循环。试验中单体电池充电终止电压，放电中点电压(放电电压平台)与放电终止电压随循环次数的变化曲线如图2所示。

图2 恒定DOD80%充放电循环电压曲线

如图2所示，寿命试验过程中单体电池的放电电压平台稳定(不低于1.28 V)，放电终止电压不低于1.16 V。电池充放电终止电压随温度的变化及充放电量比调整，如表1所示，而有所波动属于正常现象，电性能正常，寿命试验仍在继续进行。

表1 恒定DOD80%充放电循环电池温度统计表

由表1可见，在充放电循环过程中，放电终止时电池温度相对于充电终止时温度上升16℃左右，放电终止时刻电池温度不超过20℃，温度环境较好，有利于电池性能，延长使用寿命。

本项试验中，初期充放电量比(C/D比)为1.01，随着充放电循环的进行，C/D比有增大的趋势，如图3所示，现阶段已调整至1.032。可以肯定随着试验的进行，C/D比还将作相应调整。

图3 恒定DOD80%充放电循环充放电量比曲线

在恒定DOD充放电循环中，不太可能选取恒定的C/D比来进行试验。C/D比设置偏小，必将导致试验电池放电终止电压的持续下降，最终超出技术条件的要求。C/D比设置偏大，肯定会造成试验电池的过充电量持续增加，加剧镍电极的膨胀，显著缩短工作寿命。表现为充电终末期电池温升显著，充电电压在出现最大值后持续下降，放电电压平台降低。

第2142次充放电循环中，单体电池的电压、温度随充放电时间的变化见图4～图5。

图4 一次循环中，电池电压随充放电时间的变化

图5 一次循环中，电池温度随充放电时间的变化

从图5中可见，充电开始时温度为16.5℃，温度环境较好，充电效率较高，随充电进行，在环境温度及充电过程电池温度下降的双重作用下，电池温度逐渐下降，充电终止时电池温度0.2℃。

对充电终止时刻电池电压和温度的控制 (通过调整C/D比来实现)，是控制电池的荷电容量，延长工作寿命的关键。

从2142次充放电循环中的单体电池的电压和温度变化曲线看，充电终止电压不高于1.56 V(环境温度－1～1℃)，充电结束时单体电池的温升不高于1℃(相对于电池最低温度点)。在此条件下，进行充放电循环可以确保电池放电电压满足技术条件要求，同时，降低了循环中电池的最大荷电容量，减少了因氧气的析出而产生的热量，有利于延长电池的工作寿命。

3.2 (0.3)℃环境，寿命试验电池容量测试

寿命循环试验开始前及试验过程中容量试验前，按2.2节试验制度对电池进行了调整荷电态，电阻短路，容量平衡测试，为准确测定电池容量做好了准备。

(1)容量测试前准备

(2)容量测试

寿命循环试验开始前，按2.2节试验制度对电池进行了容量试验，充电容量为92 Ah，如图6所示，放电容量为87.9 Ah，如图7所示。

图6 寿命循环试验前电池容量测试充电容量曲线

图7 寿命循环试验前电池容量测试放电容量曲线

循环试验过程中，在完成1358次循环后(相当于高轨道运行15年)对电池进行了容量试验，充电容量为92 Ah，放电容量为86.9 Ah，如图8所示。

图8 寿命循环1358次后电池容量测试放电容量曲线

循环试验过程中，在完成2136次循环后对电池进行了容量试验，充电容量为92 Ah，放电容量为83.3 Ah，如图9所示。

图9 寿命循环2136次后电池容量测试放电容量曲线

容量测试时，在充电过程中，电池电压，电池温度随充电容量的变化曲线见图6，期间，电池温度随冰箱温控的调节而上下波动，在充电的中前期，电池温度呈下降趋势，在充电后期，电池温度逐渐升高；随充电的进行，电池电压逐渐升高，随电池温度的上下波动而有所波动。

容量测试的放电过程中，电池电压，电池温度随放电容量的变化曲线见图7，图8，图9，放电过程中，电池温度逐渐升高(随冰箱温控的调节而有所波动)，电池电压逐渐降低。

电池寿命循环及容量测试的充放电过程中电池温度变化可以得到理论解释：氢镍电池的发热量由极化热和焓变热两部分组成。极化热在充电或放电时均为放热。主反应的焓变热在充电时吸热，放电时放热。但在充电中后期，正极发生析出氧气的副反应，氧气与氢气复合的焓变热为发热。

充电前期，焓变热大于极化热，电池降温。但在充电中后期，正极析出氧气，氢氧复合发热量较大，致使电池温度升高。

在放电过程中，极化热和焓变热均为放热，电池的温度持续升高。

从三次容量测试结果来看，寿命试验电池经80%DOD充放电循环后，电池容量衰降不大，2136次循环后容量仍高于额定容量(80 Ah)，如表2所示。

表2 (0±3）℃环境，寿命试验电池容量测试

4 结论

为提高氢镍电池的可靠性，快速准确考核氢镍电池的使用寿命，参照在轨应用的使用状态，(0±3)℃环境，对80 Ah氢镍电池进行恒定DOD80%加速寿命试验。在寿命试验的不同阶段测试了其容量，寿命试验已完成2137次，测得实际容量为83.3 Ah，仍然高于额定容量(80 Ah)，试验电池性能正常，满足在轨应用15年以上，表明该种电池的充放电循环寿命能很好地满足设计要求。对寿命试验中电池充放电过程曲线，电池充放电比，充放电时电池温度进行了研究分析，为延长电池使用寿命，在轨合理应用管理提供了有益的借鉴。

[1]茆诗松，王玲玲．加速寿命试验[M]．北京：科学出版社，1997：2-3.

Research of nickel-hydrogen battery under accelerated life testing

PANG Hui,DING Fei,ZHANG Hai-chang,MING Wen-cheng
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

TM 912

A

1002-087X(2017)09-1309-03

2017-02-20

庞辉(1983—)，男，河北省人，硕士，工程师，主要研究方向为化学电源。