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储能锂电池组在航空航天领域的应用一波三折

2019-08-19   点击量:42

储能锂电池组在航空航天领域的应用一波三折。随着锂离子电池技术的日益成熟,锂电池在航空航天电源领域展现出广阔的发展前景。国际上,锂电池组技术已在微小卫星,高轨道卫星,深空探测领域取得广泛应用,正成为继镉镍电池,氢镍电池之后的第三代航天用储能电源。本文将介绍储能锂电池组在航空航天领域的应用。


储能锂电池组在航空航天领域的应用


锂电池组在微小卫星上的应用


2000年11月16日发射的STRV-1d航天器首先采用了锂电池组,此后,2001年10月22日发射升空的PROBA(ProjeconBoardAutonomy)航天器、美国NASA2006年发射的ST-5纳星等均采用了锂电池组。


锂电池组在高轨卫星上的应用


由于锂电池的比能量高达125wh/kg,远远高于目前应用的氢镍电池60wh/kg的比能量,对于一颗20kw功率的高轨道卫星,采用锂电池组代替氢镍电池组,电池组的重量可以节约300kg以上。


因此,欧空局(ESA)从1996年就开始评估锂离子电池在STENTOR高轨卫星平台,上应用的可行性,2003年Astrium已完成了锂电池在EUROSTAR3000平台上应用的综合评估;2004年3月发射的W3A卫星是国际上第一颗采用锂离子电池的高轨道卫星,此后,Amazonas、Hotbird8、Skynet5A.Skynet5B、SyracusemA、SyracuseIB等高轨道卫星均采用了锂离子电池作为储能电源。


锂电池在深空探测航天器上应用


在深空探测领域,由于航天器需要进行长距离飞行,锂电池的高比能量、低自放电的优势尤为突出,在近几年开展的深空探测计划中,均采用了锂电池作为储能电源。如:欧空局(ESA)发射的SMART-1月球探测器、火星快车、美国NASA发射的勇气号和机遇号火星探测器等。我国月球探测二期也计划采用锂电池作为者陆器和月球车的储能电源。


储能锂电池组在航空航天领域的应用一波三折


锂电池在民用飞机的应用经历坎坷。2010年4月,赛斯纳在“奖状”CJ4公务机上采用了锂电池。2011年10月,由于锂电池在地面起火,FAA要求该机采用镍镉电池或酸性电池取代锂电池。但真正使锂电池在民用航空领域被暂停使用的导火索应该是2013年1月7日和1月16日波音787飞机的两起起火事故。


波音公司在使用先进的大容量高功率锂电池方面较为领先,其波音787于2011年就将锂电池作为主电池及辅助动力装置电池装机使用,成为了全球首款在飞机关键系统中采用锂电池技术的民用客机。


但是在2013年1月7-16日短短的10天时间内,波音787连续发生了7起事故(包括电池起火、燃油泄漏、计算机故障、驾驶舱玻璃出现裂纹等),使得全球当时已经投入运营的50架波音787全部停飞,当时波音787的累计飞行小时仅为52000h。虽然电池事故的根本原因经过后续调查仍未确定,但波音公司还是改进了其锂离子电池系统的设计。


波音提出的电池改进方案包括:重新设计充电器;保持原有的两个32V的锂离子主蓄电池,但重新设计了电池布局,并增加了电池芯间的空隙,以保证在任何一个单元发生故障和过热时,能够快速吸收热量,降低发生连锁反应而造成电池热击穿的可能;重新设计电池金属包裹外壳以消除电池过热引起着火的可能性。该金属外壳上设有排水孔、排气孔,当电池盒中的电解液温度过高以及产生烟雾时,可及时将电解液排出。实际上,波音的修改方案只涉及阻止火灾的蔓延,并没有从根本上杜绝起火的可能性。


因为787电池事故发生时,A350飞行测试程序已确定,再对电池进行更换为时已晚,因此,实际上A350首飞飞机仍然采用的锂电池。另外,EASA也并未引用FAA针对锂电池的特别规定。同时,电池制造商表示,A350使用的锂电池比2010年波音787使用的那款要稳定得多,是首次依照A级设计标准设计的,也就是十亿飞行小时不超过一次事故。2016年1月,MSN24飞机顺利投入使用。目前投入运营的空客A350中大概有50架使用了锂电池。


采用锂电池的主要好处首先是减重约80kg;其次是锂电池的日常维护间隔为每两年一次,而镍镉电池的维修间隔是4-6个月;再有则是提高了系统控制能力,机组人员将收到更为详细的电池状态信息,电池管理系统发现异常将做出相应反应,不需要增加额外的监视系统。电池制造商表示,如果空客答应客户重新选择,他们可对A350飞机上早期使用的镍镉电池进行更换。


由此可见,锂电池在A350客机上的成功应用,有可能使锂电池技术在民用航空领域的应用重现光明。


随着新材料的不断出现,锂电池技术将继续发展和成熟,凭借其优越的性能,大容量高功率锂电池组在航空领域将拥有更广阔的应用前景。


钜大特种电池工程研究院

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