卫星氢镍蓄电池电解液在轨回流特性仿真

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1、44中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2015年6月第3期卫星氢镍蓄电池电解液在轨回流特性仿真周志成1李峰1黄华1徐珩衍1檀立新2(1中国空间技术研究院，北京100094)(2中国航天电子集团第十八研究所，天津300384)摘要氢镍蓄电池电解液在轨流动特性是影响其工作性能和使用寿命的重要因素，对蓄电池设计与优化具有重要意义。针对高轨通信卫星使用的80Ah氢镍蓄电池，建立了电解液流动运动的三维仿真模型，采用计算流体动力学(CFD)数值仿真方法，对氢镍蓄电池单体内的电解液在轨微重力条件下的流动特性和分布特点进行了仿真研究。通过对比分析不同边界条件下的仿

2、真结果，提出了在蓄电池极堆与壳体两端之间增加电解液流动路径可以提高电解液回流速度，并改进卫星氢镍蓄电池在轨工作性能，研究结果可为卫星蓄电池和电源系统设计提供参考。关键词氢镍蓄电池；电解液；接触角；计算流体动力学；卫星DOI：10．3780／j．issn．1000一758X．2015．03．0061引言蓄电池作为电源系统的重要储能部件，其充放电性能是影响航天器在轨工作和使用寿命的重要因素。氢镍蓄电池具有质量比能量高、工作寿命长、耐过充放等特点[1]，因此近些年来在航天器上被广泛使用。如何提高氢镍蓄电池的性能，确保航天器的使用寿命和寿命末期时系统工作指标，一直是航天科技人员和相关领域学者关注的热点

3、问题。氢镍蓄电池在充放电过程中会产生大量热量并导致电池内部温度上升及温度梯度变大，对其工作性能的稳定性存在潜在影响，而这方面是国内外学者的研究重点。目前，关于蓄电池的温度场特性研究已通过数值仿真[2]和试验测量[】1等方法分析蓄电池内部热量的产生和传导机理，确定温度场分布，为蓄电池温度控制和优化设计提供参考[31]。但从氢镍蓄电池的工作原理来看，航天器使用的蓄电池内部电解液的分布和流动特性也是影响其工作寿命和性能指标的重要因素，而这方面的研究工作相对开展较少。本文以高轨通信卫星使用的80Ah氢镍蓄电池为对象，采用计算流体动力学(CFD)数值仿真方法，对蓄电池壳体内的电解液在轨工作时的分布和流动

4、特性进行仿真研究，总结电解液的分布特点，可为蓄电池的改进与优化设计提供依据。2氢镍蓄电池工作原理与建模2．1蓄电池工作原理卫星用氢镍蓄电池单体的结构形式如图1(a)所示，一般由两端的半球和中间柱段组成。蓄电池主要由顶部壳体的正负极柱、壳体内部极堆和其他安装辅助器件组成，极堆外围充满氢气。电池充电时极堆的负极生成氢气，电池内部压力上升；电池放电时消耗氢气，电池内部压力下降。国家自然科学基金(11272334，11302244)资助项目收稿日期：2015一02一05。收修改稿日期：2015—03一04；!!!生!旦生旦窒!!三!型兰垫查!i氢镍蓄电池的理想1二作状态是极堆中的电解液不能多更不能少，

5、电解液在整个容器内循环。但氢镍蓄电池在轨反复充／放电使用过程中，极堆内的电解液会有所消耗，可能导致卫星寿命末期时蓄电池的输出电压等性能参数下降，影响卫星工作性能。为解决这一工程问题，一般蓄电池单体内会多充少量的电解液(约几十克)，这部分电解液称为“游离电解液”。卫星在轨丁作期间，如何保证极堆内电解液消耗后，这部分游离电解液能快速回流到极堆内，是决定蓄电池单体工作寿命和工作性能的一个关键问题。而氢镍蓄电池的极堆部分主要由多孑L介质材料构成，因此只要这部分“游离电解液”在轨丁作过程中能够保持或者快速流动到极堆附近，就能确保其在需要时快速回流到极堆内。檄拄鹪11L体结构极坩尧体2．2蓄电池仿真建模根

6、据氢镍蓄电池的工作原理和内部结构，为分析蓄电池壳体内游离电解液在轨]二作时的分布特点和回流特性，建立了蓄电池单体的三维几何模型。在建模时对其内部结构进行简化处理，忽略蓄电池内部小尺寸部件，以提高仿真计算效率。如图l(b)所示，蓄电池单体仿真几何模型主要包括壳体和内部极堆，几何尺寸以80Ah氢镍蓄电池单体结构为参考，壳体内径为120mm，壳体厚度5mm，总高为220mm；极堆直径为108mm，即极堆与壳体的问距为6mm；高度与壳体圆柱段高度相同为100mm。3数值仿真方法3．1流体运动方程由流体力学知识可知，蓄电池的电解液为不可压缩流体，令其密度为p，运动学粘性系数为∥，则其运动方程为质量守恒方

7、程和动量守恒方程(一般统称为NavierStokes方程：jj)为：V·H一0(1)窭+H·V“一一÷(VP一卢V2“)+，0f_O、(2)式中v为拉普拉斯算子；f表示时间；H为流体在计算坐标系内的速度矢量；P为流体的压强；，为流体在外力作用下的加速度矢量。3．2边界条件卫星在轨工作时，蓄电池内的电解液处于空间失重环境，此时液体的表面张力成为主导其运动的主要驱动力。在蓄电池壳体壁面处，采用粘性流体