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载人航天器电池安全性分析

2019-03-07 09:57
可靠性杂坛
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5、方法5:电池应具有环行电流保护。1)依据环行电流是一种非预期电流,通常发生于并联的电池单体或单体组之间。环行电流也可能发生于后备电池与它们支持的一次电源之间,或通过电解液泄漏造成的通路在电池单体间流动。环行电流导致寄生放电和(或)环行电流回路中电池单体的非预期充电。并联的电池单体组之间的环行电流的产生原因可能是一个或多个电池单体组电压下降,这些较低的电压与邻近电池单体组较高电压的差异造成电流。通过电解液泄漏通路形成的环行电流所带来的危险在方法2(电解液泄漏)中已有讲述。并联的电池单体组之间或后备电池与一次电源之间的环行电流带来的危险来自非预期充电和(或)放电。在正常的有电解液的电池中,充电的导因可能是水的电解,它会产生氢(见方法3(封闭空间))。但原电池中的充电是危险的,在充电防止那部分中讲述。不受控的放电可能导致过热,在方法4(高温)中讲述。2)特殊考虑电池单体或单体组之间的环行电流必须借助于在并联支路中加阻塞二极管的方法来防止。已经采用了电流额定值取得较保守的肖特基二极管作为阻塞二极管以减小正向压降。另一种方案是采用一个大容量电池单体来代替多个并联的小容量电池单体。对于蓄电池,并联电池单体串中会存在严重的充电电流分配问题,从而需要采取特殊的充电电流控制措施。从一次电源向它的后备电池流动的环行电流也必须采用阻塞二极管来防止。视电路的功率大小,可能还需要采取冗余的控制措施,例如以大电阻或熔断器与电池串联。另一种方案是以继电器与电池串联,继电器靠一次电源而处于断开状态。

6、方法6:不应使飞行电池受到能使电池单体外壳及电池外壳的完整性及性能降低的机械、化学和热应力。1)依据安装件的破裂可能导致导致电池发生不受限制的运动。电池单体的破裂可导致电池外壳中电解液及气体泄漏。电池外壳密封处的破裂或其它故障也可导致电解液及气体泄漏到电池外部的封闭空间内。内部载流体的断裂可能导致电弧和爆炸。2)特殊考虑电池外壳常由轻质材料(诸如铝合金、镁合金、塑料等)制成。在这种情况下,应进行材料的兼容性分析和应力分析以保证在电解液、包封材料及其溶剂或电池可能接触的任何其它材料的作用下电池单体外壳和电池外壳的材料强度及性能仍得以保持。电池外壳不得密封(指气密密封),还应装有减压阀或低压排气((low pressure venting)装置。假如不遵循以上要求而将电池外壳设计为气密密封的,则外壳必须满足NHB 1700.7A《空间运输系统有效载荷的安个性方针和要求》的208.4节(涉及压力容器的安全性)的要求。假如电池外壳虽为气密密封但已装有低压排气装置,则必须满足NHB 1700.7A的208.7节(涉及密封容器)的要求。二氧化银-锌电池单体会在极板(电极)的法线方向外凸。锌-空气钮扣电池会在轴向外凸,例如,Duracell 1200HP电池单体在放电时会在轴向伸长约0.015英寸。电池的研制试验必须包括对这种尺寸变化进行测定的内容。在电池外壳的结构设计中必须保证由此产生的应力能被经受住或能得到缓解。假如己预知电池将遇到很低或很高的温度(无论源于外部或内部因素),必须对不同材料(例如电池单体的塑料外壳与电池的金属外壳)之间热胀冷缩性能的差异造成的影响加以考虑。不得借助于胶接剂、硬的包封材料或机械手段将电池单体的塑料外壳固连于电池的金属外壳。可能需要采用有弹性的填充物以吸收大范围温度变化造成的尺寸变化。应进行认证试验或借助于分析来验证电池组件对以下振动频谱的耐振动强度。

振动应对三个轴进行,每个轴15分钟。应进行认证试验或借助于分析来来验证电池组件对冲击的耐受强度。试验按MIL-STD-810的方法516.4进行,施加锯齿形冲击波,峰值20g、上升沿11士1 ms,下降沿lms。对正交的三个轴依次进行,总计六个冲击脉冲。此试验来自已废止的MIL-STD-81OC 。

7、方法7:防止飞行电池的过充电以避免热和(或)易爆气体的产生或电解液的排出。1)依据本方法所说的充电指对于飞行中或处于发射场临射状态下的轨道飞行器所装蓄电池可能进行的充电。这种情况在卡纳维拉尔角很少发生,因为蓄电池装载难以达到的地方或根本没有必要进行充电。假如需要充电,则大多数情况下是采用涓流充电以补充发射场阶段的自放电造成的损耗。2)特殊考虑采用设计得不需要再生或涓流充电的电池。这等于说,不采用镍镉电池,因为它们的充电后保持寿命很短。几乎所有其它类型的电池都具有对航天飞机任务而言足够好的充电后保持寿命。但是,对于高功率、低能量应用而言,就可能需要采用镍镉电池。请注意,密封镍镉电池在等于或小于生产厂推荐的电流和电压下进行充电时会使电池内产生的氢复合。因此,在这种情况下电池将不会排出任何气体,也不会发生明显的内部气压升高。地面服务用或航天器所载充电器必须用对其它航天器所载设备的性能和可靠性要求来设计。电压和电流控制必须以通过研制试验确定的或电池生产厂规定的输出要求为依据,以防止过充电。充电器还应具有根据温度对电压和电流进行调节的能力。对锂离子电池的充电需要作特殊考虑,因为必须对各个电池单体进行分别的充电控制。发射场上,需要在航天飞机上或其中进行充电的可排气或过压缓解电池应直立安放(以重力方向为下,电池顶朝上),这样,析出的气体较不易夹带电解液。

充电说明书中必须包括一条正在充电的电池旁禁止任何点火源存在的安全警告,点火源可为烟、焊接、锤击、继电器或开关的开闭、等等。假如电池确实为气密封装(例如一些镍福卫星用矩形电池单体),只要充电电压和电流正常工作,气体的析出不会造成任何问题。充电说明书中必须提出充电后对电池端子(已与外部电路断开)和电池外壳进行地面检查的要求,并应规定适用仪表。最小电阻应大于1M 。假如设备用电池必须在飞行中充电,这个程序应在该设备的安全分析报告中写明。

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