温度对空间用氢镍蓄电池寿命影响分析

明文成

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

温度对空间用氢镍蓄电池寿命影响分析

明文成

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

简要介绍了温度对空间用氢镍蓄电池寿命的影响，为电池的设计和在轨管理提供支持，延长电池在轨寿命。通过寿命试验分析，氢镍蓄电池高温下电性能迅速衰降，低温下对寿命无影响，但降低输出功率，建议在轨氢镍蓄电池温度控制为－6～－4℃。

空间氢镍蓄电池；温度；寿命

Abstract:Effect of temperature on cycle-life of aerospace nickel hydrogen battery was introduced.The purpose was to provide technical support for aerospace nickel hydrogen battery design,on orbit management,and extend the battery cycle-life.Through the analysis of life test,at high temperatures,the electrical performance of the battery was rapidly declined.At low temperatures,the cell cycle-life was not affected,but the output power was reduced.It was recommended that the temperature of Ni-H2battery could be controlled from－6 to－4℃.

Key words:aerospace nickel hydrogen battery;temperature;cycle life

高压氢镍蓄电池作为第二代空间贮能电源被广泛应用，通过对不同阶段、不同型号的氢镍蓄电池进行加速寿命试验(试验温度涵盖了在轨工作的极限温度)，我们获取了大量的寿命试验数据，同时我们也积累了大量的在轨数据，为氢镍蓄电池的地面使用和在轨管理提供了足够的数据支撑[1]。

本文分析了温度对空间用氢镍蓄电池在轨性能的影响，为今后空间用氢镍蓄电池的设计和在轨管理提供支持，延长蓄电池在轨寿命。

1 影响氢镍蓄电池在轨寿命的因素

氢镍蓄电池的在轨寿命由设计、制造、贮存和使用四方面的因素决定。设计、制造、贮存和使用合理的氢镍电池高轨道寿命可以长达15～20年，低轨道可以长达5～8年。氢镍电池采用适当的使用管理，对实现电池长寿命循环是非常关键的。不适当的使用管理方法将导致电池过充电，经历较高的充电终止电压(高充电电压加快极板的腐蚀)和高温，从而加速电池性能衰降的速率。

氢镍蓄电池在轨失效可分为容量降低、开路和短路三种失效模式，单体电池出现开路、短路和电性能衰降失效将降低蓄电池组的放电电压，增大放电电流，进而提高放电深度。但若不超过设计的最大放电深度，不至于影响到蓄电池组的工作寿命。结合国内某些型号蓄电池地面寿命试验结果，认为对于设计、制造、贮存和合理使用的蓄电池，其中影响寿命的主要应力因子有：放电深度、温度、过充电。

温度是显著的应力因子，一般认为随着工作温度的降低，氢镍电池的损耗速率也降低，10℃工作每年约为0.94%，-5℃工作每年约为0.59%。

2 温度对氢镍蓄电池寿命的影响

氢镍蓄电池具有较高的热敏感性，氢镍蓄电池的工作温度(一般来说指充电温度)是影响循环寿命的重要因子。温度特性试验结果表明：高温循环(高于25℃)，充电效率低，正极微孔中过量氧气析出，将破坏骨架与基体的紧密结合，腐蚀电极，加速电极膨胀。

过低温度循环(低于-15℃)，电液粘度高，浓度极化大，放电电压平台明显降低，将减小蓄电池组的功率输出。充电期间电池温度过低有可能发生局部电液凝固，增加电池的失效风险。

结合地面寿命试验的结果可以发现，-10～0℃温度环境是氢镍电池工作的理想温度环境，在该温度下，电池电性能稳定，循环寿命最长，容量在寿命初期呈上升趋势；高温(大于25℃)循环电池寿命显著缩短，但仍具备完成700次以上80%DOD的充放电循环；低温(低于-15℃)循环放电电压平台较低，影响蓄电池组的输出功率，但电池电性能稳定，容量在寿命初期仍呈上升趋势，完成2500次循环未观察到任何低温失效的迹象。在-15、0、10、20℃多个环境温度下进行氢镍蓄电池寿命试验，环境温度—循环寿命曲线见图1所示。

图1 氢镍蓄电池环境温度-循环寿命曲线

2.1 高温下氢镍蓄电池寿命

如果氢镍电池处于高温环境(高于25℃)，将使电池内部各组件的热应力增大，自放电率升高，易出现过充电现象，会导致以下氢镍电池的失效模式：充电效率下降，充电后期产生的氧气速率增加，电池容易出现爆鸣，严重时会导致电池短路失效；使电池的温度梯度增大，进而造成水蒸气由极组中蒸发，凝结于壳壁上，造成极组电液分配不均匀，电池出现性能衰退而最终失效；高温充电时正极板腐蚀、膨胀加速，新出现的微孔结构会吸收隔膜中的电液，电池会因隔膜干涸，电池性能衰退而失效。此外膨胀还可能导致隔膜损伤、极组结构破坏，造成短路、开路失效。

为防止电池出现高温过充，需要降低过充量，如温度在25℃以上，一般充电至60%～70%的荷电态，输出功率只能满足30%～40%的卫星功率要求，甚至更低，这样电池不能按照正常的放电深度、功率来为卫星供电，氢镍电池工作的可靠性大打折扣。

另外电池如果长期处于高温环境，大电流充放的工作模式会导致电池发热量较大，一旦热控失控，热量不能及时消散，则电池温度会急剧攀升，最终造成电池超高温工作，电池功率输出能力急剧下降并最终失效。

所以氢镍电池温度如果超过正常工作温度时，电池的工作寿命将受到不同程度的影响。根据地面寿命试验数据，80 Ah氢镍蓄电池在25℃极端温度下进行寿命试验，在前420次循环过程中，充电结束电压在1.50 V左右；放电过程中，电压逐渐下降，如图2所示。充电结束电池温度保持在24℃左右，放电结束温度在33℃左右，如图3所示。

图2 氢镍蓄电池充电终止电压、放电35min电压和放电终止电压随循环次数曲线

图3 充放电循环中电池温度曲线

循环至420次时，电池的电性能迅速衰降；后通过提高充放电量比(C/D比由1.08逐渐增大到1.16)，试验电池的放电终止电压维持在1.0 V以上，但试验电池放电终止电压随寿命循环次数增加持续降低。在858次循环2＃电池放电终止电压低于1.0 V，883次循环3＃电池放电终止电压低于1.0 V，均为容量衰降失效，终止试验。试验后进行容量测试，结果为73.3 Ah，相对于寿命试验前的容量80.0 Ah，容量衰降为8.37%。

由上面试验结果可见，高温循环正极腐蚀严重，对循环寿命有显著影响。80 Ah氢镍电池在25℃下仅可进行寿命循环420次左右，超过420次寿命循环后，电池电性能迅速衰降；提高充放电量比后，电池电性能虽略有恢复，但寿命循环过程中电性能衰降仍很明显。

2.2 低温下氢镍蓄电池寿命

如果环境温度过低 (低于-15℃)，电池内的电液粘度增强，离子导电能力降低，内阻增大，电池充电电压升高；由此不但电池的充电效率降低，而且高电压会加速镍极板腐蚀、膨胀的速率，增加电池开路、短路和性能衰降的风险。

随着温度的降低，离子扩散成为控制步骤，电池充电电压会出现突升、放电电压出现突降的现象，超过电池中电液的凝固点时，电液凝固，电池不能进行正常的充放电。电池中电液的凝固点与电液浓度、极板中γ态NiOOH量和充电电流等有关系。

电解液凝固的典型分析是：电解液凝固将提高电池阻抗，使得电池的充放电循环难以进行。当温度升高，电解液解冻后，电池将恢复正常的充放电性能。

氢镍电池的电液为含锂KOH水溶液，电液的凝固点与浓度呈正相关。GEO氢镍电池的电液浓度为28.3%，凝固点-49.8℃，密度为1.267 g/cm3。当电池没有充电与放电时，极组中的电液浓度均匀，在-49.8℃下才可能发生凝固，电液凝固点温度远低于设计的工作低温。

通过36 Ah氢镍蓄电池的低温试验，可以得知：电池温度在-90～-70℃之间，氢镍电池不能充放电，不具有电池的充放电特性，如图4所示；电池温度在-70～-55℃之间，氢镍电池处于工作的非正常工作区，如图5所示；电池温度在-55～-30℃之间，氢镍电池可以进行充放电。但是电池温度越低，充电电压比较高，可能会受到母线电压钳位，如图6所示。

图4 -90℃电池电压、充放电电流曲线(1 A间歇充电)

图5 -60℃电池充电、放电电压曲线(3.5 A充电)

图6 -55℃电池充电、放电电压曲线(3.5 A充电)

电池在充电时在正极表面消耗OH-生成H2O，在负极表面消耗H2O生成OH-，如此在充电过程中负极表面电解液浓度升高，正极表面电解液浓度降低，从而形成从负极到正极的浓度梯度。但另一方面，浓度梯度的增加，也将加速OH-从负极向正极的扩散，抑制电解液浓度梯度的增加。

因此在充电过程中，极组内部电解液的浓度并不是均匀一致的。充电过程中，正极表面的电解液浓度处于最低水平，也就是说正极表面的电解液凝固点将是最高的。当电池的温度足够低时，电解液凝固将从正极表面开始。放电时，极组中电解液浓度的变化与充电时相反。但因放电时电池是放热的，极组中的电解液温度在持续上升，增加的电解液浓度梯度不会导致电解液的凝固。

氢镍电池的散热通道为单体→卡套→底板→热管→OSR片，充电过程中电池极组从上到下有一个递减的温度梯度。根据电池温度分布试验结果，在充电后期和涓流期间，电池测温点(位于卡套之上2 mm处)处的温度比电池底部的温度高3～4℃。也就是说，极组下部电解液的温度可能比上部电解液的温度低3～4℃。

如果电池温度足够低，由于电池内部极组底部的温度最低，电液的凝固将从极组底部的正极表面开始。当电解液开始局部凝固时，将阻断该部分电极的所有电化学反应，造成该部分镍电极的活性物质组成和电解液浓度停止变化。

局部电解液凝固后，电流将被迫进入仍未被凝固的极组，将增加剩余正常电极的电流密度。更高的电流将导致剩余的正常电极中生成更多的γ-NiOOH及电解液浓度的进一步降低。这些结果将导致电解液的凝固加速，凝固过程持续发生，直至极组最顶部，最终将导致活性物质停止变化，电流集中进入电池最顶部。由于所有的电流集中进入极组最顶部，生成的热量过高，极组最顶部的电液将保持液态。这些极组最顶部的电极因电流过于集中而接受非常高的过充电电流，而过充电时的爆鸣现象，将大大增加电池损害和电池短路的风险。另外的，极组最顶部γ-NiOOH的生成处于极高的水平，导致极组出现非常大的膨胀。当极组膨胀结合电解液凝固，将可能导致极组部件出现损坏。上述的电解液凝固后的一连串过程会导致电池在较短时间内 (相对于正常的氢镍蓄电池寿命周期)出现灾难性的失效。

目前，对正极γ-NiOOH的生成条件并不很清楚，但可以肯定的一点是严格控制充电状态避免过充电将有利于阻止γ-NiOOH的生成，进而阻止极组中电解液的凝固。而适当提高充电期间(大电流充电中后期和涓流期间)电池的温度更是阻止电解液凝固、避免早期失效的有效措施。

3只80 Ah氢镍电池在-15℃环境下共完成了3263次恒定DOD80%充放电循环，试验电池电性能稳定，放电终止电压均大于1.0 V。

在寿命试验初期，试验电池放电容量呈上升趋势，在370次循环时达到最大值，随后电池性能进入稳定期。随着寿命循环的进行，电池的压力呈上升趋势，694次循环之前，压力升高较快，随后压力升高放缓。相对于寿命开始前的电池压力，在完成1417次循环后的电池压力升高明显(约增加0.4 MPa)。

从地面已完成的寿命试验结果看，设计的极限低温(-15℃)对电池的循环寿命无影响，但温度越低，电池的放电电压平台将降低，放电电流增大，放电深度增加，同时电池的充电电压比较高，充电时可能会受到母线电压钳位。

3 温度失控影响氢镍蓄电池寿命的案例

在2004年秋季地影期间，某卫星氢镍蓄电池组出现放电电压偏低、放电电压有明显的跌落台阶等问题。主要表现为：(1)电池组充放电电压偏低，电池组的放电曲线有明显大于1 V的电压跌落台阶(正常的放电电压曲线应是平滑下降的)；(2)在地影季后期对电池组进行独立供电试验，问题电池组放电曲线明显出现3个电压跌落台阶，如图7所示。

图7 某卫星氢镍蓄电池组独立供电放电曲线

分析在轨数据和地面试验数据后认为，氢镍蓄电池容量下降主要是由于电池在失重、温度偏高的环境下电池内部产生温度梯度，导致电液分布发生了改变造成的，因而影响电池性能。造成氢镍蓄电池高温的因素有：(1)氢镍蓄电池组设计的工作温度偏高，在轨工作温度接近设计温度范围的上限，最高达到26℃，异常电池组与正常电池组工作温度比较约高5℃；(2)氢镍蓄电池组散热通道不通畅，使各单体电池间温度的离散比较大，某些单体电池的温度比正常温度高3～4℃。

问题发生后通过母线并联及适当减载使氢镍蓄电池组温度下降了8～10℃，电池组的供电能力略有恢复，但异常单体电池因高温造成的容量衰降不可逆，地影期间电池组三只异常单体电池容量变化情况见图8所示。

图8 地影期间氢镍蓄电池组问题单体电池容量变化情况

4 结束语

温度是影响氢镍电池循环寿命的重要因素。高温循环(高于25℃)或过低温度循环(低于－15℃)，都将增加电池的失效风险。氢镍电池工作的最大温度范围为－15～25℃。

从地面已完成的寿命试验结果看，高温对寿命循环寿命有显著影响，氢镍蓄电池在25℃下仅可进行寿命循环420次左右，超过420次寿命循环后，电池电性能迅速衰降；设计的极限低温(－15℃)对电池的循环寿命无影响，但温度越低，电池的放电电压平台越低，影响蓄电池组的输出功率，同时电池的充电电压比较高，充电过程中可能会受到母线电压钳位。

在轨氢镍蓄电池应开启温度自控功能，温控阈值建议设定为－6～－4℃。

[1]鲁文东.千瓦级卫星H2-Ni蓄电池组的设计和试验[J].电源技术，2003，27：76-80.

Temperature effects on cycle-life of aerospace nickel hydrogen battery

MING Wen-cheng
(Tianjin institute of power sources,Tianjin 300384,china)

TM 912

A

1002-087X(2017)09-1312-03

2017-02-23

明文成(1984—)，男，安徽省人，工程师，主要研究方向为空间飞行器储能电源。