小型SAR卫星用双高特性锂离子电池技术

小型合成孔径雷达(SAR)卫星对储能电池系统提出了轻量化、大功率的要求,现有的SAR卫星用电池难以满足需求,急需开发高能量高功率的锂离子电池。采用兼具容量和功率性能的镍钴铝酸锂(LiNixCoyMnzO2, NCA)作为正极活性材料,高容量中间相炭微球(MCMB)作为负极活性材料,显著提升了电池体系的容量和比能量。通过设计极片的活性物质载量和电解液用量,保证了电池功率性能(≥10 C)的发挥;通过加大电极片面积和极柱尺寸,控制了大倍率放电时电池温升。研制了兼顾高比能和高功率的锂离子电池单体,额定容量20 Ah,1 C放电比能量达到180 Wh.kg^-1,且10 C放电容量相较1 C保持率96.24%,15 C下持续放电比功率超过2 000 W.kg^-1,可以满足下一代轻小型SAR卫星能源供电需求。     

航天器蓄电池放电发热量测试方法系统误差分析

蓄电池发热量是航天器蓄电池热控设计的重要参数,其测试准确度直接影响热控设计状态和在轨工作温度。文章采用真空绝热量热法对蓄电池发热量测试系统进行了漏热分析,并给出了修正方法;以模拟蓄电池为研究对象,分析了蓄电池发热量测试误差,并提出了改善系统测量准确度的解决方案。结果表明,当放电时间大于1 h,航天器蓄电池发热功率在2~25 W范围内时,测试误差不超过6%,且发热功率越大误差越小;当发热功率大于10 W时,测试误差不超过3%,可以满足工程要求;对于发热功率较小(绝对值小于0.5 W)的小电流放电或充电,测试误差较大,但绝对值仍然较小,对实际工程影响不大。     

用于导弹／飞机的热电池使用寿命延长数小时

Nothrop Grumman (NG)公司首创了一种热电池新体系，该体系热电池功率大，能量密度高，使用寿命能够达到数小时。NG公司对有效寿命为3h的大型声纳浮标热电池进行了论证，并正努力将其寿命延长到4h。NG公司认为，该热电池技术是导弹和飞行器的理想电源，因为导弹和飞行器对重量和体积要求非常来格。最后，NG公司对一个重28.5lb，额定电压28V，容量28Ah的热电池进行了测试。设计该电池的目的是为了验证大型热电池作为导弹主电源的可能性。本文将论述NG公司设计的热电池的特征及其计算机设计能力，并介绍这些大型长寿命（几小时）热电池的性能，以验证将其机载到飞行器上的可能性。     

锂系热电池电化学体系性能比较

对不同电解质和正负极材料的锂系热电池电化学体系性能进行了比较。研究发现:三元全锂电解质(LiF-LiCl-LiBr)因离子电导率高,在工作温度超过450℃时放电性能明显优于其他电解质;CoS2内阻低,放电电压精度和实际利用率均优于FeS2;LiB合金理论电容量高、电极电位低,利用率可大于90%,远高于LiSi合金。     

975 nm光纤耦合半导体激光器传能技术

针对激光传能技术的光电转换系统，采用40 W的975 nm光纤耦合半导体激光器作为激光源，多晶硅材料作为光电池接收，测试了不同激光功率下的光电转换效率，通过调整调整光电池阵列接收端与激光光纤输出端的距离为0.4 m和0.8 m，测试了其光电转换效率变化。研究表明，随着激光功率增加，光电转换效率在一定范围波动，得到最大光电转换效率为9.98%。研究还表明，光电池板温度是影响多晶硅电池光电转换效率的重要因素，电池板的温控管理是提高光电转换效率的方式。多晶硅材料光电池在激光传能的应用，对激光传能技术推广具有一定价值。     

热电池DEB粉中钙含量的测试工艺

研究与应用氧化亚氮—乙炔火焰原子吸收光谱法分析测试热电池ＤＥＢ粉中的含钙量。并对热电池ＤＥＢ粉中的钙含量的测试方法、测试条件进行综合考虑。新工艺测试方法具有很好的灵敏度，干扰少，重现性好，准确度、精确度均能满足热电池研制工作的要求。测定样品含钙量相对标准偏差均小于０５％。标准加入回收率均在９８％～１０２％范围内。适用于热电池ＤＥＢ粉中的含钙量的控制分析和样品系统分析。该分析测试方法属一种先进的仪器分析测试方法。     

基于多尺度的空间锂离子蓄电池单体电-热耦合模型

针对高比能兼顾高功率的锂离子电池,高电极载量、高压实、低电导等特性会显著增加电池大倍率放电的产热和内部温差,传统的热试验方法无法获取电池内部温度分布。将传统热试验与仿真相结合,以能量功率兼顾型空间锂离子蓄电池单体为研究对象,建立了一维电化学与三维热双向耦合模型,获取了电池在绝热环境下不同倍率放电的电压、温度和发热功率变化,仿真结果与实验值吻合度高,分析得到单体电池大倍率放电的本征热安全区间为0～75%放电深度(DOD)。同时,计算发现随着放电倍率的增加,放电结束时电池温度最高区域由电芯内部中心位置逐渐变成正极极柱,最大温差逐渐增大,3 C时达到0.82℃。假设增加底面恒温散热,3 C放电结束的最大温差高达11.18℃。本文建立的模型不仅适用于空间锂离子蓄电池单体的研发,还适用于电池组的热仿真设计。     

火星探测器锂氟化碳电池热特性测量方法

锂氟化碳电池是新一代轻质化电池,比能量高且安全可靠,是火星探测器储能电源一次电池的佳选。但其放电过程反应热大,热效应非常明显,故须对其关键热特性参数如比热容和发热量进行测量研究。文章采用ARC(accelerating rate calorimeter)测量方法对锂氟化碳软包电池热特性进行测量,获得了电池的比热容及不同荷电态下的放电发热量,误差在工程允许范围内。研究结果可为深空探测器锂氟化碳电池的应用提供参考,并可推广至后续深空领域高能量比一次电池的工程化应用。     

热电池用熔融盐电解质性能实验研究

为了研究热电池用熔融盐电解质的工作性能，分别采用ＬｉＦ／ＬｉＣｌ／ＬｉＢｒ、ＬｉＢｒ／ＫＢｒ／ＬｉＦ、ＬｉＣｌ／ＫＣｌ三种不同电解质制备单体电池，通过在不同温度、不同电流密度下进行单体电池放电实验；对电解质的工作机理进行了讨论，最后总结出每种电解质的最佳适用条件。     

燃烧供热热光伏系统实验研究

针对未来深空探测供电需求,设计了一套热光伏发电系统,采用丙烷燃烧器模拟同位素热源,并利用低禁带GaSb电池实现了系统的热电转换。研究了气体流量、过量空气系数、回热器性能、滤波器等对辐射器温度及电池输出功率、系统转换效率的影响。结果表明：电池输出功率随燃气量单调增加,而在一定燃气量下,存在一最优过量空气系数使其达到最大值;同时,回热器和滤波器对辐射器温度和电池输出特性有很大影响;本实验系统可以实现最大输出功率密度0.45W/cm 2,系统转换效率2.8%。     

SAR卫星用能量功率兼顾型锂离子电池研究

未来大功率合成孔径雷达(SAR)卫星的发展对储能电池组提出了轻量化、倍率高及在轨寿命长等要求,而现有的SAR卫星用功率型锂离子电池产品已无法满足未来需求。通过优化正极材料和电池设计,加入功能电解液,在保证电池功率特性的同时,显著提升了电池的能量密度和循环稳定性。本文研制出的新一代能量功率兼顾型锂离子蓄电池,额定容量为25.0 Ah,初期放电比能量达到180.0 Wh·kg~(-1),2 C放电容量为0.2 C容量的91.0%,1 C-100%放电深度(DOD)和2 C-30%DOD循环性能优异,可以满足下一代大功率SAR卫星的供配电需求,且大幅降低了电源系统重量,提高了卫星储能系统的利用率和平台有效载荷能力。     

锂氟化碳电池对火星探测任务工况适应性研究

锂氟化碳电池在固体正极体系一次电池中拥有最高的理论比能量(约2180 W·h·kg-1),特别适合对载荷质量要求苛刻的深空探测任务.我国首个火星探测器"天问一号"在其着陆巡视器内部使用了一组锂氟化碳电池用于完成进入—下降—着陆段的供电任务.文章提炼锂氟化碳电池与深空探测应用密切相关的4项基本特性,根据火星探测任务的特点...     

微波等离子体推力器流动模拟(英文)

采用N-S方程求解了100 W微波等离子体推力器(MPT)选用不同推进工质时的性能参数;并采用直接蒙特卡洛模拟方法(DsMC)对MPT羽流进行了数值模拟.结果表明,几种工质的推力变化不大,氮气为23.6 mN,氮气为24.8mN,氩气为24.8 nuN;但比冲区别较大,氮气为565.2 s,氮气为243.7 8,氢气为180.2 s.羽流场中,密度、压强及温度沿轴向和径向均逐渐减小;轴向速度在轴线附近变化不大,采用氩气工质时,约1 700 m/s,在远离轴线区域,沿流动方向逐渐增大,沿径向逐渐减小;径向速度沿轴向变化不大,沿径向逐渐增大,并在接近流动区域边界时迅速减小.     

天宫一号目标飞行器氢镍蓄电池内部温度场仿真分析与验证

建立了氢镍蓄电池温度场热仿真模型,模拟氢镍蓄电池放电过程的温度。实测结果表明仿真计算值与实测结果一致性较佳,两者温差最大仅0．7℃,验证了热仿真模型的有效性。用该仿真模型对天宫一号（TG-1）目标飞行器40A·h氢镍蓄电池进行了热设计优化,根据优化结果研制了相应的电池。对电池内部温度的测试结果表明其内部最大温差约5℃,...     

高分辨率遥感相机CCD器件精密热控制

针对某高分辨率空间遥感相机电荷耦合器件（Charge-Coupled Device,CCD）体积小、功耗大但温度稳定性要求高的特点,提出了通过相机发送指令控制补偿加热回路通、断电对CCD器件进行温度控制的方法,并利用IDEAS-TMG软件进行了仿真分析,分别给出了无补偿功率、补偿功率为10W、12.5W、15W与17.5W这5种情况下CCD器件的温度变化曲线。仿真分析结果表明：补偿功率为12.5W时CCD器件的温度波动最小,热设计结果满足各项温度指标。为了验证热设计的可靠性,焦面组件参加了整机的热平衡试验,得到了满意的结果。该设计方法对各类空间遥感相机高温度稳定性要求的CCD器件的热设计和热分析有一定的指导和借鉴作用。     

太极二号卫星精密热控关键技术及试验验证

针对引力波探测太极二号卫星提出的高稳定度温控需求，开展了高分辨率测温系统和高稳定度热控技术的研究，提出了多级阻尼的热控设计方法，建立了多级阻尼状态空间数学模型，揭示了系统中热量传递特性。该方法在太极二号核心载荷上进行了地面试验验证，试验结果表明核心舱关键仪器的温度满足指标要求。试验结果的噪声分析，不仅验证了精密热控关键技术，而且提出了关于热噪声分析与抑制的新方法，为后续航天器精密热控技术提供了理论分析方法和工程参考依据。     

基于氢化镁的核电/核热双模共质空间核动力技术

针对未来空间任务对能源和动力日益提高的需求,提出了基于氢化镁的核电核热双模共质空间核动力技术。该技术以一种储氢密度高、热稳定性较好,能够以常温常压储存的氢化镁作为工质,通过核能加热后氢化镁分解成为核热推进可用的高压氢气和电推进可用的单质镁,并结合高效动态热电转换系统,形成大功率核电源、大功率超高比冲核电推进、高比冲氢气核热推进以及大推力镁核热推进多种工作模式。基于氢化镁的多模共质空间核动力技术解决了低温推进剂、气态工质在空间应用时的存储安全性和存储密度低的问题,其具备的多种工作模式能够针对不同任务需求提供相应的能源或者动力输出,提高核动力飞行器任务能力。     

氮掺杂多孔碳纤维改性锂硫电池正极材料

锂硫电池具有高比能量密度,在航空航天、无人机等电源系统应用方面受到了广泛关注。但是其本身也存在一些问题,如电池正极材料反应前后体积膨胀、导电性差和容量衰减迅速等,这些均限制了其应用推广。本文通过引入氮掺杂多孔碳纤维作为硫正极材料载体来改善其性能。一方面,碳纤维能提供大的反应比表面积和相互交织的导电网络,有效促进了活性材料之间的电化学反应;另一方面,氮原子掺杂和表面孔的存在,增强了对反应中间产物多硫化锂的吸附性,使得电极循环稳定性得到提高。研究结果表明:改性后含硫正极在167.5 mA·g~(-1)电流密度下,初始放电比容量达到1 078.3 mAh·g~(-1),经过100周充放电循环后,容量可保持在525.4 mAh·g~(-1),平均每周容量衰减率为0.5%;当电流密度增大到1 675 mA·g~(-1)时,放电比容量仍可以达到502.3 mAh·g~(-1),表现了良好的循环稳定性和倍率性能。     

SIMULATION OF A THERMAL SOLAR POWER PLANT OPERATING ON MARS UNDER CLEAR SKY AND DUST STORM CONDITIONS

The power plant analyzed in this work consists of a selective solar collector–thermal engine combination. The paper focuses on solar power plant operation under various weather conditions during all seasons on Mars. Meteorological data measured at Viking Landers (VL) sites were used in computations. Two strategies to collect solar radiation were analyzed: a solar horizontal (H) collector and a solar collector whose tilt and orientation are continuously adjusted to keep the receiving surface perpendicular to Sun rays (P). Both a low and a high efficiency thermal engine were considered. All the computations were performed for a selective solar flat-plate collector similar in size to the Mars Pathfinder's Sojourner. Results show that generally the influence of latitude on performance is important. In some situations, the meteorological effects compensate the latitudinal effects and the output power is quite similar at both VL1 and VL2 sites. In case a low-efficiency engine is coupled to a horizontal collector, the solar efficiency does not exceed 0.13 at VL2 site. It is lower during summer and higher during winter dust storms. In case the low-efficiency engine is coupled to a P collector, the solar efficiency increases during summer. The solar efficiency is as high as 0.18 in case of a horizontal collector attached to a high-efficiency engine. If the high-efficiency thermal engine is connected to a P collector the solar efficiency increases significantly during summer and spring but does not exceed 0.18. The power provided by a system consisting of a horizontal collector and a low-efficiency engine does not exceed 7 W. Using a high engine coupled to a horizontal collector leads to a power output up to 13 W during spring, autumn and winter. The P collector is recommended mainly during summer and spring in combination with high-efficiency engines. In this case the solar efficiency could be as high as 25 W. The performance of PV cell power systems and properly designed dynamic solar power plants operating on Mars is comparable.