文章编号:0427-7104(2004)04-0507-04
潘延林，顾秋香，任杰伟，李国欣
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(上海空间电源研究所，上海200233)摘 要：对于未来的空间任务，锂离子蓄电池因其卓越的重量比能量、体积比能量以及循环寿命而比传统的镉镍蓄电池表现出更大的优势.而锂离子蓄电池组能否通过空间飞行器轨道的环境特点，对6I CP30锂离子蓄电池组进行了热真空、高低温交变、辐照等试验，部分验证了锂离子蓄电池在空间应用的可能性. 关键词：锂离子蓄电池；贮能电源；低地球轨道
无石棉刹车片中图分类号:O 646.21 文献标识码:A
航天飞行器电源系统的地位非常重要，是整个航天飞行器的 心脏 ，其任务是给飞行器提供电能，并对其进行储存、分配和控制[1].贮能电源是航天飞行器电源系统中不可分割的一部分，任何以光电转换为动力的航天器都必须有一个能量贮存系统，以满足阴影期的功率需求.化学电源是最普遍、最常用的贮能电源，
随着航天事业的发展，对贮能电源的要求也越来越高.锂离子蓄电池因其卓越的重量比能量、体积比能量以及循环寿命等性能，而比传统的贮能电源，如镉镍蓄电池和氢镍蓄电池，表现出更大的优势.目前，许多大的研究机构已经开展对锂离子电池空间应用的评估和开发研制工作[2~7]，例如美国Yardney 公司Eagle -Picher，加拿大Blue -Star，法国SAFT.但是在锂离子蓄电池实用之前，还应解决一些技术难题，其中锂离子蓄电池模拟低地球轨道(low earthorbit，包括太阳同步轨道)环境试验和模拟地球同步轨道(geosynchronous earth orbit)环境试验就是需要解决的关键技术之一，因为空间飞行器所处空间环境非常复杂，是诱发飞行器异常和故障的主要原因.以低地球轨道卫星，特别是太阳同步轨道卫星的空间环境为例，太阳同步轨道卫星的轨道高度为200~1000km，处于大气层中的电离层(它是由太阳高能电磁辐射、宇宙线和沉降粒子作用于高层大气，使之电离而生成的电子、离子和中性粒子构成的准中性粒子区域)，它的环境特点为[8]:(1)电离层存在大量高能粒子体，如电子、离子、中性粒子等，它们都有较强的穿透能力，会对单体蓄电池和蓄电池组中的有机物分子结构产生不利作用;(2)电离层中温度冷热交变剧烈，这就对蓄电池在高低温环境下的电性能、传热能力提出了更高的要求;(3)电离层近似于超高真空状态，这就对蓄电池的密封状态要求极其严格(如果单体蓄电池密封不好，则会发生电解液微漏以及气体逸出，最终导致电解液 干涸 ，蓄电池失效).
本文针对低地球轨道，特别是太阳同步轨道航天器的环境特点，对6ICP30锂离子蓄电池组进行了辐照、高低温交变、热真空等低地球轨道环境模拟试验，以验证锂离子蓄电池在宇宙空间作为航天飞行器贮能电源应用的可能性.
1 实验部分
对锂离子蓄电池组进行的模拟低地球轨道环境试验包括辐照试验、高低温交变试验和热真空试验三部分.实验采用的6ICP30锂离子蓄电池组是由6只额定容量为30Ah 的矩形锂离子蓄电池单体串联组
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收稿日期:2003-12-30
受话器基金项目：国防预先研究项目(413200803)作者简介：潘延林(1975 )，男，硕士；通讯联系人李国欣教授，博士生导师.第43卷 第4期
2004年8月复旦学报(自然科学版)Journal of Fudan U niversity(Natural Science)Vol.43No.4Aug.2004
成.该6ICP30锂离子蓄电池组的结构如图1所示.蓄电池组的电性能采用锂离子电池组测试仪(杭州可靠性仪器设备厂)进行测试.辐照试验采用60Co的 射线来模拟电离层的辐照环境，高低温交变试验采用T30C高低温测试箱来模拟电离层的温度冷热交变环境，热真空试验采用KM-1真空试验系统来模拟电离
层的真空环境.试验中采用HR2300自动记录仪记录和PT100热敏电阻测试蓄电池组的电压和温度
本振泄露.
图1 6I CP30锂离子蓄电池组结构图
F ig.1 Schematic illustr ation of6ICP30lithium-ion battery
2 结果与讨论
2.1 辐照试验
试验前在室温环境下，以0.2C倍率进行容量测试(充电终压25.2V，放电终压18V，下同)，蓄电池组放电容量为38.562Ah，然后用0.2C电流对蓄电池组充电至25.2V，停1h后即可开始试验.辐照试验条件见表1.试验前、后蓄电池组电压均为24.9V.辐照试验完成后，蓄电池组以0.2C电流放电至18.0 V，然后再以0.2C倍率进行一次充放电容量测试，蓄电池组放电容量为38.554Ah.从试验结果可以看出，大剂量的辐照条件对蓄电池组的电性能几乎没有影响.它表明蓄电池组的壳体及结构件抗辐照能力满足空间环境要求.
表1 辐照试验条件
Tab.1 The conditions of radiation test
E电子/M eV 瞬时1)/(-2) 累积1)/(e.cm-2)t辐照2)/s
1 1.1 1010 1.
2 101410000
1) 为电子辐照通量;2)t为辐照时间.
2.2 高低温交变试验
试验前，在室温环境下，以0.2C倍率进行容量测试，蓄电池组放电容量为38.558Ah，然后用0.2C 电流对蓄电池组充电至25.2V，停1h后即可开始试验.将蓄电池组放入T30C高低温箱中，高低温交变试验条件见表2.连续进行18个周次高低温交变循环，蓄电池组电压和温度随时间的变化情况分别见图2和图3.高低温交变试验完成后，在室温环境温度下，蓄电池组以0.2C电流放电至18.0V，然后再以0.2 C倍率进行一次充放电循环测试，蓄电池组放电容量为38.563Ah.从试验结果可以看出，高低温交变的试验条件对蓄电池组的电性能几乎没有影响.它表明蓄电池组在高温和低温条件下的电性能和传热性能满足空间环境要求.
508复旦学报(自然科学版) 第43卷
表2 高低温交变试验条件
T ab.2 T he conditions of thermal cycling test
11)/ 22)/ P气压N循环/次S速率3)/( m i n-1)t停留4)/h -10 3+25 3正常压力 18 1 1
1)
1为最低工作温度;2)
2
最高工作温度;3)S为温度变化速率;4)t为在最高和最低温度时停留时间
mavs
.
图2 蓄电池组电压随时间的变化
F ig.2 Voltag e of battery versus t ime
during ther mal cycling
test
图3 蓄电池组温度随时间的变化
Fig.3 T emperature of the battery versus time
during ther mal cycling test
2.3 热真空试验
表3为热真空试验的试验条件.在室温下将蓄电池组放入真空罐，然后抽真空至气压达到规定值后开始
降温(液氮降温)，下降到最低温度且稳定后停留规定的时间.然后温度上升到最高温度，稳定后停留规定的时间，最后温度又下降到初温完成一个循环.连续进行3个周次循环，整个试验过程中，真空压力应维持在规定的要求内.在第3周次温度循环时，蓄电池组在最高温度和最低温度时应按表4要求进行3周次模拟轨道循环试验.在试验过程中蓄电池组电压无明显波动，图4(见第510页)是蓄电池组在第3周次温度循环低温段的模拟轨道循环电压随时间的变化情况.从试验结果可知在高真空和冷热交变的环境下，蓄电池组电性能没有变化.它表明蓄电池组在真空条件下的电性能和密封性满足空间环境要求.
表3 热真空试验条件
透明导电膜T ab.3 T he conditions of thermal vacuum test
1
1)/
2
2)/ P罐内压力/Pa N循环/次t
停留
海量数据查询
3)/h
-10 3+25 3 6.5 10-3 312
1) 1为最低工作温度;2) 2最高工作温度;3)t为在最高和最低温度时停留时间.
表4 热真空充放电试验要求
T ab.4 T he charge/dischar ge reg ulation in thermal vacuum test
I11)/A I22)/A t13)/m i n t24)/min N循环/次
15.012.036543
1)I1为放电电流;2)I2为充电电流;3)t1为放电时间;4)t2为充电电时间.
本文进行的6ICP30锂离子蓄电池组的热真空、高低温交变和辐照试验通过了低地球轨道模拟环境的考核.试验结果表明，在热真空、高低温交变和辐照等恶劣环境下,6ICP30锂离子蓄电池组的电性能、密封性能以及机械性能均保持了良好的状态.该6ICP30锂离子蓄电池组在低地球轨道模拟环境下的试验结果为锂离子蓄电池在不久的将来，在宇宙空间的实际应用奠定了基础.但在锂离子蓄电池的模拟卫星轨道循环寿命、倍率放电性能以及发射力学适应能力等方面还要作更深入的研究.
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第4期 潘延林等:6ICP30锂离子蓄电池组的低球轨道环境模拟试验
510复旦学报(自然科学版) 第43卷
图4 低温段(-10 )蓄电池组电压随时间的变化曲线
Fig.4 Voltag e of battery at low temper ature(-10 )
versus time during thermal vacuum test
参考文献:
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Simulating Low Earth Orbit Environment Test
of6ICP30Lithium-ion Battery
PAN Yan-lin,GU Qiu-xiang,R EN Jie-wei,LI Guo-xin
(Shanghai I nstitute of Sp ace Pow er-sour ces,Shanghai200233China)
Abstract:Lithium-ion cells offer sig nificant impr ovements in energy density,specific energy and cycle life compared w ith Cd-Ni cells and H2-N i cells fo r future space missions.Simulating environment test of low earth orbit is one of key techniques of using lithium-ion battery as the ener gy storage equipment for spacecraft.It introduced the simulating env-i ronment test of6ICP30lithium-ion battery w hich included radiation test,thermal cy cling test and thermal vacuum test.T hese tests indicated t he possibility of using the lithium-ion batt ery as the energy storage equipment for space-craft.
Keywords:lithium-ion batteries;ener gy storag e;low earth orbit
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