基于三平模式测试发射技术的运载火箭箭上电池技术

谢巧 吕士银 蔡森丹 王舒丹 孙佳东 吕宁萍

摘 要：本文基于三平模式测试发射技术，介绍了锌银蓄电池的特点，提出了锂离子蓄电池技术，并结合国内外发展现状，对锂离子蓄电池单体技术、结构技术、加温技术、在箭充电技术进行分析，研究了其技术优势及需解决的关键技术难题。

关键词：三平模式;锌银蓄电池;锂离子蓄电池

1 概述

运载火箭的三平模式测试发射技术（即水平整体测试、水平整体星箭对接、水平整体运输）具备快速发射和连续发射能力，是实现快速响应、高质量、高可靠的进入空间以完成空间任务的关键因素，将成为后续航天技术的发展趋势[1]。

箭上电源是运载火箭中最为重要的部件之一，在飞行过程中为全箭提供电源，其电性能、结构性能、快速响应能力等特点将对三平模式测发技术产生重要影响，因此，如何满足三平测发模式的使用需求，成为运载火箭电池必须研究的课题。本文基于三平模式测试发射技术，介绍锌银蓄电池的特点，提出锂离子蓄电池技术，并针对国内外发展现状，分析用于三平测发模式的锂离子蓄电池关键技术研究。

2 锌银蓄电池

运载火箭箭上用锌银电池具有内阻小、放电功率大、电压平稳、电性能稳定、使用安全可靠、比能量高、技术成熟等优点。箭上锌银蓄电池的关键技术主要有两部分组成。一是电性能。对单体电池进行串并联组装成电池组，以满足任务书规定的工作电压、工作电流、工作时间等要求。二是结构性能，以保证单体电池组装成电池组后在特定的环境下完成其供电任务[2]。产品出厂绝大多数是干荷态电状态，在使用之前要加注电解液进行人工激活。为了便于人工激活，外壳和盖做成可拆卸的。典型锌银蓄电池结构见图1。

箭上锌银蓄电池激活后，在湿搁置过程中会产生气体。在充电或放电后期，由于过充或者过放，也会产生大量的气体（氢气，氧气）积聚在单体电池内部。为提高电池的可靠性，使用过程中需对电池进行消氢和排气。

因此，现有箭上锌银蓄电池具有操作复杂、需重复安装、循环寿命短、研制周期长、平台电压低、地面测试设备繁杂等缺点，不能满足电源产品简易操作、反复测试、无人值守在线充放电、快速发射、智能化、通用化等要求，延缓了运载火箭的三平测试发射技术的发展进程。

（1）侧置电性能差

当箭上锌银蓄电池组在不同的侧置姿态下进行较长时间的湿搁置时，电池单体内部析出的游离态强碱性电解液可能会从单体内漏出，造成电池组的绝缘性能下降，甚至会影响到箭上其它的设备。

当电池组在不同的姿态下对外供电，可能会造成电池组工作电压降低、电池工作时间缩短、放电容量减小等问题。主要原因是在锌银电池工作过程中，在正极活性物质和电解液之间，负极活性物质和电解液之间，发生了电化学反应，电化学反应的速度决定了电池的功率特性。而当电池组偏离正向位置时，会引起电解液游离出极群组进入气室位置，随着电池组姿态偏离正向程度的增大，游离出的电解液量会增多。游离出的电解液越多，可发生电化学反应的电解液量就越少，造成单体电池内阻增大，工作电压降低，至终止电压时工作时间缩短，最终导致电池组性能不能满足使用要求，尤其是在电池组大电流工作情况下或者电池组工作的后期更加明显。

（2）靶场操作复杂

现有型号火箭发射周期一般为4周～6周，包括拆箱、电池干态检查、电解液加注、预放电检查、放电后维护等靶场操作流程。现有箭上电池的使用操作步骤已经难以满足运载火箭的三平测试发射模式要求箭上锌银蓄电池必须具有的快速使用和简易使用性能。

同时，复杂的和加注电解液过程也是影响运载火箭 “三平”测发技术实现的关键因素。产品出厂绝大多数是干荷电状态，在使用之前要加注电解液进行人工激活，此过程不能在箭上实现。

（3）充电维护时间长

在现有箭上锌银电池的使用方面，快速充电维护成为制约箭上锌银蓄电池的快速使用和简易使用性能的技术难点。

目前，箭上锌银蓄电池的充电制度均使用电池组额定容量的1/10C倍率进行充电，单体电池的终止电压为2.05V，对电池组进行充电的时间至少需要10h。结合单体的一致性差异，预计单个电池组的充电时间超过15h。可见，现有的锌银电池充电维护方式，远远不能满足运载火箭快速使用的要求，尚不具有简易使用的特点。

（4）循环寿命较短

锌银蓄电池湿搁置寿命仅几个月至一年多，因此，受限于锌银蓄电池的循环寿命，箭上锌银蓄电池组仅在发射场测试时参加有限次数总检查，在地面测试时均采用地面电源进行箭上供电，由此带来地面电源复杂、可测试性差、测试状态转换和测试覆盖不够真实的缺点。

3 锂离子蓄电池

3.1锂离子蓄电池特点

与锌银电池的性能比较，锂离子电池在比能量、比功率、循环性能、荷电保持能力以及使用便利性等方面存在明显的优势。

1）比能量高，锂离子电池单体的质量比能量可以达到200 Wh·kg-1，远高于锌银电池单体的质量比能量30 Wh·kg-1～120 Wh·kg-1;

2）平均放电电压高，锂离子电池的平均放电电压一般大于3.6V，是锌银电池平均放电电压的2.5倍;

3）自放电率低，锂离子电池在正常存放情况下的月自放电率小于5%;

4）功率型锂离子电池可实现15C以上的倍率放电，甚至能够满足30C以上的脉冲放电，而锌银电池组倍率放电性能在10C左右;

5）循环寿命长，锂离子电池在100%DOD充放电可達800周;

6）工作温度范围宽，锂离子电池的工作温度范围可以达到-20oC～+60oC;

7）无记忆效应;

8）使用方便，与锌银电池相比，使用前不需要进行电解液加注，同时锂离子电池还具有快速充电的特性，通常情况下可以以0.2C～0.5C倍率充电，而锌银电池以0.1C倍率充电。