基于TEC的高發(fā)熱量空間設(shè)備主動(dòng)控溫技術(shù)研究

李 軒，侯旭峰，呂冬翔

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

電源系統(tǒng)、精密儀器等星載空間設(shè)備適宜工作溫度窗口較窄，特別是鋰離子蓄電池組等高發(fā)熱量空間設(shè)備自發(fā)熱會(huì)進(jìn)一步抬升機(jī)體溫度。惡劣的工作溫度會(huì)對(duì)星載空間設(shè)備造成嚴(yán)重危害，以鋰離子蓄電池組為例，在不適宜溫度工作時(shí)蓄電池電性能下降，溫度過高時(shí)有可能出現(xiàn)電解液氣化造成電池爆裂的安全性風(fēng)險(xiǎn)，工作溫度過低時(shí)電池中可能會(huì)析出鋰枝晶，刺穿隔膜，導(dǎo)致電池短路[1]。受太陽光照影響，衛(wèi)星中環(huán)境溫度波動(dòng)范圍大，星載空間設(shè)備機(jī)體溫度隨之大范圍波動(dòng)，易超出適宜工作溫度區(qū)間。

為了解決寬溫域空間環(huán)境與星載空間設(shè)備窄適宜工作溫度的矛盾，傳統(tǒng)熱控系統(tǒng)采用整星開散熱窗加熱管散熱降溫和對(duì)目標(biāo)設(shè)備貼加熱片加熱升溫相結(jié)合的方式對(duì)星載空間設(shè)備進(jìn)行溫控。針對(duì)衛(wèi)星中環(huán)境溫度過高的情況，傳統(tǒng)熱控系統(tǒng)通過熱管將空間設(shè)備的熱量轉(zhuǎn)移到衛(wèi)星表面，再利用艙外所貼的光學(xué)太陽反射器(OSR 片)向空間輻射散熱，但星載空間設(shè)備機(jī)體溫度始終高于環(huán)境溫度，傳統(tǒng)熱控方式無法實(shí)現(xiàn)可控式降溫。此外，傳統(tǒng)的被動(dòng)式溫控技術(shù)還存在溫控范圍相對(duì)較窄、溫控精度較差的問題。本文提出了一種基于半導(dǎo)體致冷(TEC)的主動(dòng)控溫技術(shù)[2-3]。有別于被動(dòng)控溫，主動(dòng)控溫方式具有高控溫精度，降低系統(tǒng)能耗的優(yōu)勢，此外，半導(dǎo)體致冷技術(shù)具有無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、不受電磁干擾、突出的致冷和加熱雙效應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。本文研究結(jié)果表明，隨著基于半導(dǎo)體致冷的主動(dòng)控溫技術(shù)逐步成熟，將有效解決高發(fā)熱量、對(duì)溫度敏感的星載空間設(shè)備的熱環(huán)境適應(yīng)能力。

1 基于TEC 的空間鋰離子蓄電池組的主動(dòng)控溫系統(tǒng)

為了研究基于半導(dǎo)體致冷的主動(dòng)控溫技術(shù)對(duì)高發(fā)熱量星載空間設(shè)備的控溫效果，本文選擇有代表性的鋰離子蓄電池組為控溫對(duì)象。自行搭建的基于TEC 的空間鋰離子蓄電池組主動(dòng)控溫系統(tǒng)包括空間鋰離子蓄電池組模擬裝置、TEC控溫裝置和空間熱環(huán)境模擬裝置。圖1 為基于TEC 的空間鋰離子蓄電池組主動(dòng)控溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 基于TEC的空間鋰離子蓄電池組主動(dòng)控溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

空間鋰離子蓄電池組模擬裝置為控溫目標(biāo)，主要包含28個(gè)鋰離子蓄電池模擬件(圖1 中6)和1 個(gè)卡套(圖1 中5)。綜合考慮空間鋰離子蓄電池的熱容、質(zhì)量、體積、熱分布等影響熱狀態(tài)的參數(shù)，采取等熱容、等外形尺寸的原則，設(shè)計(jì)了材質(zhì)為2A12 鋁合金的中空?qǐng)A柱模擬空間鋰離子蓄電池模擬件。分析蓄電池工作狀態(tài)發(fā)現(xiàn)：太陽電池向空間鋰離子蓄電池充電時(shí)，空間鋰離子蓄電池發(fā)熱量幾乎為0；蓄電池放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致蓄電池溫度升高，此時(shí)對(duì)溫控系統(tǒng)的控溫能力提出了更高的要求。采用質(zhì)量、體積非常小的電薄膜加熱片通電放熱來模擬空間鋰離子蓄電池高發(fā)熱狀態(tài)。電薄膜加熱片環(huán)繞在中空鋁合金圓柱上，其長、寬根據(jù)中空鋁合金圓柱的周長、高度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 為卡套的結(jié)構(gòu)示意圖?？ㄌ坠潭ㄤ囯x子蓄電池，并與導(dǎo)線相結(jié)合將大量鋰離子蓄電池單體連接成鋰離子蓄電池組。處于卡套中間位置的鋰離子蓄電池散熱能力弱，處于四周的散熱能力強(qiáng)，卡套可以橫向?qū)?，有效減弱不同位置鋰離子蓄電池的溫度差異。為了與空間鋰離子蓄電池組所用卡套保持一致，我們設(shè)計(jì)卡套時(shí)，采用2A12 鋁合金，嚴(yán)格控制套筒之間的距離，盡可能減少冗余質(zhì)量。為了滿足TEC控溫時(shí)不同部件間高熱導(dǎo)率的要求，鋰離子蓄電池模擬件與卡套底部、側(cè)壁間的接觸面涂抹高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱硅脂。此外，卡套打孔，其與位于主動(dòng)控溫系統(tǒng)底部的打孔溫控板配合，通過螺桿和螺栓緊固卡套和溫控板的方式施加壓力，增加卡套、溫控板的貼合度，從而減小部件間的熱阻。卡套增設(shè)加強(qiáng)筋，防止受力時(shí)被撕裂。

圖2 卡套的結(jié)構(gòu)示意圖

TEC 控溫裝置是核心設(shè)備，主要包括TEC 器件(圖1 中1)、柔性導(dǎo)熱墊(圖1 中2)、導(dǎo)熱塊(圖1 中3)和溫控板(圖1 中4)。利用帕爾貼效應(yīng)，通電時(shí)TEC 器件一側(cè)吸熱，另一側(cè)放熱，當(dāng)電流反向時(shí)，熱面和冷面互換，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)設(shè)備升溫和降溫的目的。由于單個(gè)TEC 器件的控溫功率有限，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高發(fā)熱量的星載空間設(shè)備控溫，需采取多組TEC 器件互聯(lián)的方式。但是，當(dāng)多個(gè)TEC 器件大面積陣列排布時(shí)，不同TEC 器件間的加工高度誤差會(huì)嚴(yán)重影響TEC 器件與空間設(shè)備的緊密貼合度，進(jìn)而大大降低熱導(dǎo)率，降低控溫效率。為了解決這一工程難題，我們采用具有一定厚度的柔性導(dǎo)熱墊替代極薄的導(dǎo)熱硅脂作為TEC 器件與空間設(shè)備間的導(dǎo)熱介質(zhì)，通過壓縮柔性導(dǎo)熱墊調(diào)整TEC 器件間的相對(duì)高度，消除因大面積陣列排布TEC 器件引起的控溫效率下降的現(xiàn)象。導(dǎo)熱塊位于TEC 器件下部，最主要的作用是增加TEC 器件的厚度，這是因?yàn)門EC 器件較薄，僅使用TEC 器件時(shí)其兩側(cè)的溫控板和空間設(shè)備距離過小，導(dǎo)致溫控板和空間設(shè)備間會(huì)產(chǎn)生很大的熱交換，不利于對(duì)空間設(shè)備溫控。為了減輕質(zhì)量、增加熱傳導(dǎo)效率，導(dǎo)熱塊材質(zhì)選擇2A12 鋁合金。溫控板位于TEC 溫控裝置最底層，起到支撐整個(gè)TEC 溫控裝置的作用，溫控板還能通過循環(huán)介質(zhì)將TEC 器件產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)酵饨绛h(huán)境中。

空間熱環(huán)境模擬裝置為空間鋰離子蓄電池組模擬裝置、TEC 控溫裝置提供寬溫域的空間熱環(huán)境，是整個(gè)主動(dòng)控溫系統(tǒng)的重要組成部分?？臻g熱環(huán)境模擬裝置主要包括溫控板和隔熱裝置。溫控板中的循環(huán)介質(zhì)被恒溫循環(huán)器加熱或冷卻，從而調(diào)控整個(gè)空間鋰離子蓄電池組主動(dòng)控溫系統(tǒng)的溫度?？臻g設(shè)備中循環(huán)介質(zhì)普遍采用乙二醇，但是乙二醇有毒，對(duì)人體有害，并且強(qiáng)吸水特性會(huì)使乙二醇純度逐漸降低。因此，我們采用水和乙醇水混合溶液兩種介質(zhì)取代乙二醇，模擬空間高溫環(huán)境時(shí)采用水介質(zhì)，低溫時(shí)采用低凝固點(diǎn)的乙醇水混合溶液。隔熱裝置能有效隔絕主動(dòng)控溫系統(tǒng)與外界進(jìn)行熱交換，主要包含片狀氣凝膠和發(fā)泡劑。雖然發(fā)泡劑的導(dǎo)熱系數(shù)高于氣凝膠，但發(fā)泡劑能夠無定形膨脹，因此將其用于卡套與外界環(huán)境間的隔熱。氣凝膠熱導(dǎo)率很低，室溫?zé)釋?dǎo)率不大于0.021 W/(m·K)，是隔熱裝置的主體，用于全方位包裹整個(gè)主動(dòng)控溫系統(tǒng)。

2 主動(dòng)控溫系統(tǒng)樣機(jī)空間熱環(huán)境模擬測試

根據(jù)基于TEC 的空間鋰離子蓄電池組的主動(dòng)控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)并加工各個(gè)配件，然后進(jìn)行集成裝配，最后成功搭建主動(dòng)控溫系統(tǒng)樣機(jī)。首先，本文進(jìn)行樣機(jī)熱環(huán)境模擬能力測試。主動(dòng)控溫系統(tǒng)樣機(jī)中28 個(gè)鋰離子蓄電池單體溫度有差異，因此選擇溫控板入水口溫度為控制溫度，即通過恒溫循環(huán)器調(diào)整入水口溫度為低溫環(huán)境要求的－10 ℃或高溫環(huán)境要求的50 ℃。

圖3 為入水口溫度為－10 ℃時(shí)鋰離子蓄電池單體溫度隨著時(shí)間變化情況，此時(shí)模擬低溫空間環(huán)境。如圖3(a)所示，在初始階段(前3 h)，由于鋰離子蓄電池單體與溫控板中循環(huán)介質(zhì)溫差大，鋰離子蓄電池單體溫度迅速下降，隨著溫差縮小，蓄電池單體溫度下降速度逐漸變緩，最終趨于平衡。由于鋰離子蓄電池單體距離溫控板入水口距離不同，蓄電池單體間溫度略有差異，本文統(tǒng)計(jì)了28 個(gè)蓄電池單體之間的最大溫差，如圖3(b)所示。在整個(gè)降溫階段，最大溫差變化很小，維持在約0.6 ℃。圖3(c)顯示了28 個(gè)蓄電池單體的平均溫度。經(jīng)過長達(dá)8 h 的降溫，蓄電池單體的平均溫度最終為－8.04 ℃，高于入水口的溫度－10 ℃。這是由于樣機(jī)的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，隔熱裝置不能完全隔絕樣機(jī)與外界環(huán)境的熱交換。

圖3 入水口溫度為－10 ℃時(shí)鋰離子蓄電池單體溫度隨時(shí)間變化

圖4 為入水口溫度50 ℃時(shí)鋰離子蓄電池單體溫度隨著時(shí)間變化情況，此時(shí)模擬高溫空間環(huán)境。如圖4(a)所示，鋰離子蓄電池的升溫速率隨著溫差變小逐漸降低。與模擬低溫空間環(huán)境相比，升溫時(shí)蓄電池單體間溫差更大，升溫末期最大溫差達(dá)到1.0 ℃。圖4(c)顯示了升溫時(shí)蓄電池的平均溫度。平衡后蓄電池平均溫度達(dá)到46.63 ℃，與入水口的溫度相差約3.4 ℃。高溫平衡時(shí)蓄電池與入水口溫度的差值明顯高于低溫時(shí)，這可能是由于隨著溫度升高，氣凝膠和發(fā)泡劑的熱導(dǎo)率隨之提高，隔熱裝置隔熱能力降低。

圖4 入水口溫度50 ℃時(shí)鋰離子蓄電池單體溫度隨時(shí)間變化

3 主動(dòng)控溫系統(tǒng)樣機(jī)溫控能力測試

圖5 為低溫環(huán)境下TEC 工作后鋰離子蓄電池單體溫度隨時(shí)間變化情況。為了降低空間能源消耗，TEC 的消耗功率限制≤45 W。如圖5(a)所示，初期階段，通過計(jì)算TEC 供電電源的電流和電壓得到TEC 的消耗功率，使其不超過45 W。由于28 路TEC 并聯(lián)，并聯(lián)后TEC 電阻很低，此時(shí)連接TEC 和電源的導(dǎo)線電壓很大，不能忽略。因此，對(duì)TEC 的消耗功率進(jìn)行修正，選擇電源的電流和TEC 支路的電壓之積為TEC 的消耗功率。圖5(a)曲線在6.6 和7.5 h 處的拐角即是測量TEC 支路電壓和調(diào)整TEC 消耗功率產(chǎn)生的。圖5(b)為鋰離子蓄電池單體間最大溫差隨時(shí)間變化情況。蓄電池單體溫度增長速率大時(shí)，最大溫差也很大，這是由于此時(shí)TEC 兩側(cè)溫差小，TEC制冷功率大，蓄電池單體溫度迅速變化，不同蓄電池單體間溫度增長速率有差異。隨著蓄電池單體溫度趨于平衡，最大溫差也趨于穩(wěn)定，約為0.5 ℃。如圖5(c)所示，最終蓄電池平均溫度為12.09 ℃，滿足≥10 ℃的指標(biāo)。

圖5 低溫環(huán)境下TEC工作后鋰離子蓄電池單體溫度隨時(shí)間變化

圖6 為高溫環(huán)境下TEC 工作后鋰離子蓄電池單體溫度隨時(shí)間變化情況。TEC 工作后，蓄電池溫度迅速降低，在接近4 h 時(shí)，平均溫度即可達(dá)到31.60 ℃?？臻g鋰離子蓄電池組在放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，增加TEC 的降溫難度。因此，在蓄電池平均溫度降到31.60 ℃時(shí)，通過電薄膜加熱片模擬蓄電池組放電工作時(shí)的熱狀態(tài)(功率100 W，時(shí)間10 min)，此時(shí)蓄電池溫度明顯升高，平均溫度最高達(dá)33.30 ℃。隨著放電工作結(jié)束，在TEC 致冷作用下，蓄電池溫度回落。整個(gè)控溫過程，蓄電池溫度都≤35 ℃，滿足指標(biāo)要求。

圖6 高溫環(huán)境下TEC 工作后鋰離子蓄電池單體溫度隨時(shí)間變化

4 結(jié)論

本文開展基于TEC 的高發(fā)熱量空間設(shè)備的主動(dòng)控溫技術(shù)研究，選擇高發(fā)熱量空間設(shè)備中有代表性的鋰離子蓄電池組，自行搭建了基于TEC 的空間鋰離子蓄電池組主動(dòng)控溫系統(tǒng)，樣機(jī)包括空間鋰離子蓄電池組模擬裝置、TEC 控溫裝置和空間熱環(huán)境模擬裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，主動(dòng)控溫系統(tǒng)樣機(jī)能夠有效模擬寬溫域空間熱環(huán)境，此時(shí)蓄電池的平均溫度為－8.04～46.63 ℃，基于TEC 的主動(dòng)控溫技術(shù)成功將蓄電池的平均溫度控制在適宜的工作溫度區(qū)間－12.09～33.30 ℃?；赥EC 的主動(dòng)控溫技術(shù)有望解決高發(fā)熱量、對(duì)溫度敏感的星載空間設(shè)備的高精準(zhǔn)、主動(dòng)控溫的難題。