魏強(qiáng) 廖瑛 李紅林 余文濤 李大偉

（1 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，航天與材料工程學(xué)院，長沙 410073）

（2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

東方紅四號(hào)（DFH-4）衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)輸出總功率為8～10kW，并具有擴(kuò)展至10kW 以上的能力，能為有效載荷提供功率約6～8kW。平臺(tái)應(yīng)可承載有效載荷重量600～800kg，設(shè)計(jì)壽命15年。由于發(fā)射場(chǎng)緯度、運(yùn)載能力（按CZ-3B 火箭增強(qiáng)型考慮）以及490N 發(fā)動(dòng)機(jī)、10N 推力器比沖（按315s和285s計(jì)算）的限制，對(duì)于15年壽命的衛(wèi)星，允許其最大干重約2000kg。所以按目前DFH-4平臺(tái)基本型干重約1556kg計(jì)，允許有效載荷的重量也只有429～474kg，與國外同類平臺(tái)的載荷重量相比還存在一定差距。

解決該問題最有效的方法就是降低衛(wèi)星平臺(tái)的質(zhì)量。衛(wèi)星平臺(tái)中，供配電分系統(tǒng)一直是衛(wèi)星最重的分系統(tǒng)，約占干星質(zhì)量的30%，蓄電池組的質(zhì)量在供配電分系統(tǒng)中又占有支配地位，約占分系統(tǒng)質(zhì)量的50%，因此，供配電分系統(tǒng)蓄電池組的優(yōu)化對(duì)衛(wèi)星綜合能力的提升有極其重要的作用。

目前我國GEO長壽命的衛(wèi)星主要使用氫鎳電池組［1-2］，但隨著載荷功率需求的進(jìn)一步提高，采用高比能量的鋰離子電池是必然趨勢(shì)［3］。歐洲泰雷茲-阿萊尼亞宇航公司（TAS）的SB4000衛(wèi)星平臺(tái)針對(duì)不同的載荷需求具有配置氫鎳蓄電池和鋰離子電池的能力，如中星-6B（CHINASAT-6B）衛(wèi)星采用氫鎳蓄電池，而亞太星-7A（APSTAR-7A）衛(wèi)星采用鋰離子電池，壽命均能達(dá)到15年。而國內(nèi)目前基于DFH-4平臺(tái)研制的最大通信衛(wèi)星中星-11（CHINASAT-11），采用氫鎳電池配置，壽命14年，如果采用鋰離子電池替換氫鎳蓄電池，衛(wèi)星的壽命可達(dá)15年［4］。

國際上從1995年起開始空間鋰離子蓄電池的研制，2000年11月英國AEA 公司首先在空間技術(shù)研究衛(wèi)星（STRV-1d）上采用鋰離子蓄電池作為儲(chǔ)能電源［5］。鋰離子電池已成為繼鎘鎳電池和氫鎳電池之后的第三代空間儲(chǔ)能電源，截至2013年末，國際上200顆以上衛(wèi)星采用鋰離子蓄電池作為儲(chǔ)能電源［6］，供應(yīng)商有美國的Eagle-Picher、Yardney，法國的SAFT，日本的GS、Quallion、土星等公司，其中法國SAFT 公司是空間鋰離子電池應(yīng)用的領(lǐng)跑者，其生產(chǎn)的鋰電池在各個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)均有應(yīng)用，其VES系列空間鋰離子蓄電池的應(yīng)用數(shù)量超過100顆，至少有66顆衛(wèi)星應(yīng)用于GEO 軌道，其中在軌飛行的衛(wèi)星目前有80顆以上［7］。

為了滿足DFH-4平臺(tái)能力提升的需求，本文從應(yīng)用鋰離子電池組的角度分析了替代氫鎳電池組的可行性，可為相關(guān)衛(wèi)星型號(hào)研制提供參考。

2 鋰離子蓄電池組應(yīng)用與管理

與空間氫鎳蓄電池組相比，鋰離子電池的具體實(shí)施有諸多差異，如鋰離子蓄電池的防開路設(shè)計(jì)、充電方式、充放電保護(hù)功能、在軌管理策略、熱控設(shè)計(jì)、安全性等。本節(jié)將重點(diǎn)圍繞氫鎳蓄電池與鋰離子蓄電池組的不同點(diǎn)展開分析［8］，給出DFH-4平臺(tái)的應(yīng)用鋰離子電池方案。

2．1 鋰離子蓄電池應(yīng)用要求

2．1．1 防開路保護(hù)

如圖1所示，DFH-4平臺(tái)采用的氫鎳蓄電池的單體開路若為單點(diǎn)失效模式，則會(huì)導(dǎo)致蓄電池組性能下降，甚至功能喪失，直接影響著衛(wèi)星任務(wù)完成，因此在進(jìn)行氫鎳蓄電池組設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置了旁路二極管進(jìn)行防開路設(shè)計(jì)。但鋰離子蓄電池卻不適合采用此種防開路二極管的模式，這是因?yàn)闅滏囆铍姵亟M的單體電壓最高為1．8V，而鋰離子蓄電池組單體最高電壓為4．2V，若仍然采用旁路二極管，需要配置多個(gè)（6～8個(gè)不等）二極管，這樣會(huì)導(dǎo)致在旁路二極管上的熱耗非常大，并且因二極管上通過的電流較大，會(huì)使得體積和重量均上升。故在鋰離子蓄電池上需要配置一個(gè)旁路開關(guān)導(dǎo)通電阻更小、組件結(jié)構(gòu)更小巧的裝置，稱為旁路（BYPASS）裝置。衛(wèi)星實(shí)際上為一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，通過檢測(cè)電路判斷蓄電池單體的狀態(tài)，當(dāng)單體性能衰減到一定程度或是發(fā)生開路時(shí)，通過驅(qū)動(dòng)裝置，引發(fā)彈簧行程動(dòng)作，帶動(dòng)插桿，將電池單體旁路，如圖2所示。

圖1 氫鎳蓄電池防開路保護(hù)Fig．1 Open loop protection of nickel hydrogen battery

圖2 鋰離子蓄電池防開路保護(hù)Fig．2 Open loop protection of Li-ion battery

2．1．2 并聯(lián)特性

在一定的溫度下，氫鎳電池的荷電狀態(tài)與壓力成一定的線性關(guān)系，通過檢測(cè)電池壓力，可以判斷電池的荷電狀態(tài)，由于氫鎳電池的狀態(tài)易受溫度影響，不能簡單地將兩個(gè)或多個(gè)單體并聯(lián)在一起，如果兩只單體未經(jīng)任何保護(hù)（正向?qū)ǘO管）會(huì)導(dǎo)致兩單體內(nèi)形成倒灌，將產(chǎn)生大環(huán)路電流，直接影響單體性能，造成單體甚至整組電池故障；所以一般采用增大單體容量來實(shí)現(xiàn)容量和功率的擴(kuò)展。但對(duì)鋰離子蓄電池來說，電池的荷電狀態(tài)與電壓呈一定的線性關(guān)系，且單體電壓受溫度影響較小，不會(huì)因?yàn)閱误w溫度的差異導(dǎo)致并聯(lián)的兩個(gè)或多個(gè)蓄電池組單體之間形成倒灌現(xiàn)象，不會(huì)形成環(huán)路電流。鋰離子蓄電池的這種特性，在單體電池生產(chǎn)過程中，只需生產(chǎn)幾種不同規(guī)格的單體電池，即可通過不同容量的單體電池進(jìn)行并聯(lián)，形成不同等級(jí)的容量電池，也使得星上配置不同容量的蓄電池組變得簡單方便。

2．1．3 過充過放保護(hù)

通過地面試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氫鎳蓄電池組具有較強(qiáng)的耐過充和過放能力，這在電池的安全使用上是非常有利的。但對(duì)于鋰離子蓄電池來說，由于自身電化學(xué)特性，鋰離子蓄電池的耐過充能力較差，在使用時(shí)需要設(shè)置安全保護(hù)機(jī)制。其機(jī)理為當(dāng)單體電壓超過蓄電池額定容量電壓（一般為4．5V）時(shí)，鋰離子會(huì)從正極向負(fù)極遷移，電解質(zhì)和陰極材料開始分解，并在負(fù)極沉積金屬鋰，同時(shí)產(chǎn)生乙烯、二氧化碳、氧氣等揮發(fā)物，使得單體的溫度和殼體壓力不斷累積，此過程是不可逆的，這樣最終將導(dǎo)致單體性能的急劇下降，甚至產(chǎn)生殼體爆裂起火的危險(xiǎn)。因此，鋰離子蓄電池在充電過程中一定要設(shè)置過充保護(hù)，一般采用恒流-限壓的充電方式。同樣鋰離子蓄電池不具有過放能力，通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，可知當(dāng)鋰離子蓄電池單體過放電后，其內(nèi)部化學(xué)特性同樣發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化，直接導(dǎo)致鋰離子蓄電池組單體的失效。因此，鋰離子蓄電池單體在使用過程中既要防止過充電，也要防止過放電。

2．1．4 均衡充電

氫鎳蓄電池在充電過程中，尤其是充電末期，如果繼續(xù)充電，蓄電池的庫侖充電效率將下降，會(huì)使得充電電能轉(zhuǎn)化成熱量散失掉，在整組電池中不同單體之間荷電狀態(tài)的差異可通過適當(dāng)?shù)倪^充電，使單體之間荷電狀態(tài)達(dá)到一致。氫鎳蓄電池充電一般采用多階段漸減的充電模式，即一般采用大電流充電至蓄電池容量90%左右時(shí)，改為小電流（涓流或浮充）充電方式。

鋰離子蓄電池組在充電過程中，若有一只單體或多只單體性能發(fā)生衰降時(shí)，經(jīng)過多次充電后，會(huì)導(dǎo)致某個(gè)單體的性能與其他正常單體產(chǎn)生較大差異，最直觀的表現(xiàn)為充電過程中，由于單體電壓的不均衡，在充電過程中導(dǎo)致某個(gè)單體電壓上升最快，在整組蓄電池達(dá)到額定容量時(shí)，故障單體可能已經(jīng)過充，進(jìn)一步加劇故障單體的差異性，最終影響整組蓄電池組的性能。故在鋰離子蓄電池充電過程中，需要配置單體均衡裝置，保證蓄電池在充電時(shí)單體性能（電壓）一致性。單體均衡裝置的主要功能，是在整組蓄電池中一只或幾只單體發(fā)生性能下降時(shí)，對(duì)充電電流進(jìn)行分流，使得性能下降單體的充電電流減小，而不影響正常單體的充電電流。一般此種裝置，采用自主管理模式，以減少地面人為干預(yù)。

2．2 鋰離子蓄電池組應(yīng)用方案

2．2．1 電池組方案選擇

考慮到技術(shù)的成熟性及快速應(yīng)用到DFH-4平臺(tái)的需求，選用法國SAFT 公司的VES 系列鋰離子電池是比較可行的方案，同時(shí)選配SAFT 公司與德國ASP公司聯(lián)合開發(fā)的鋰離子電池組管理單元，該管理單元全稱為智能監(jiān)控集成系統(tǒng)（ISIS）。本文以目前DFH-4平臺(tái)蓄電池組最大的功率（9400 W）輸出配置為研究對(duì)象，應(yīng)用鋰離子電池來替代氫鎳蓄電池進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電池串并聯(lián)選擇：綜合考慮單體電池選型（VES180SA）、母線電壓種類（電源控制器中電池充電調(diào)節(jié)器BCR 輸出電壓、電池放電調(diào)節(jié)器BDR 輸入電壓范圍）等因素，平臺(tái)配置南北兩組電池組，按照輸出10 000 W 進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)SAFT 公司推薦的電池組合方案，如圖3所示，可選用4個(gè)3并10串（4×3P10S）的VES180SA 電池模塊或4個(gè)3并11串（4×3P11S）的VES180SA 電池模塊（其中P表示并聯(lián)，S表示串聯(lián)），兩種方案的功率預(yù)算如表1和表2所示。

圖3 100V 母線蓄電池組配置圖Fig．3 Configuration diagrams of 100Vbus batteries

表1 4×3P11S功率預(yù)算和放電深度Table 1 Power budget and depth of discharge（4×3P11S）

表2 4×3P10S功率預(yù)算和放電深度Table 2 Power budget and discharge depth（4×3P10S）

基于鋰離子蓄電池的特性，在軌管理策略方面與氫鎳蓄電池組上有較大差別。因此，在DFH-4平臺(tái)上配置鋰離子蓄電池組，需要解決的關(guān)鍵問題為鋰離子蓄電池的均衡管理問題。考慮到技術(shù)的成熟性，一種全新的分散式模塊化均衡管理技術(shù)在DFH-4平臺(tái)應(yīng)用成為可能，該系統(tǒng)具備自主、智能的單體均衡管理和BYPASS驅(qū)動(dòng)控制功能，可應(yīng)用于GEO／LEO 軌道衛(wèi)星。ISIS 主要由兩種部件構(gòu)成：智能變換器（Smart Convertor，SC）和空間均衡器（Space Equalizers，SE），如下圖4 所示。采用3并10串模塊組成的并配置均衡管理模塊的電池組如圖5所示［10］。

圖4 ISIS實(shí)物圖Fig．4 Prototype of the ISIS

圖5 3P10S蓄電池組模塊（帶ISIS）組成示意圖Fig．5 Diagram of 3P10Sbattery module（with ISIS）

均衡模塊的配置方式為：每個(gè)電池組模塊配置一個(gè)SC；每個(gè)單體并聯(lián)模塊配置一個(gè)SE，ISIS與電池組和外部的接口關(guān)系如圖6所示。

其中SC的功能為：

（1）給SE供電；

（2）提供對(duì)外的遙控遙測(cè)接口；

（3）BYPASS動(dòng)作后給星載計(jì)算機(jī)提供降低充電電壓的信號(hào)。

SE的主要功能為：

（4）單體電池電壓自主均衡管理，均衡后單體電壓壓差降至30mV 內(nèi)，該功能在ISIS ON 時(shí)使能，OFF時(shí)禁止；

（5）BYPASS 自主驅(qū)動(dòng)控制和管理，該功能初始狀態(tài)為禁止，可發(fā)送BYPASS-Arming指令使能該功能；

（6）失效單體和壽命末期（EOL）電池組放電處理功能。

圖6 ISIS與電池組接口關(guān)系圖Fig．6 Diagram of ISIS and battery interface connect

鋰離子蓄電池組單體電壓均衡原理為：每個(gè)均衡器采集單體電壓并與設(shè)定電壓V1和V2進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)如圖7所示的分流特性，在充電過程中當(dāng)單體電壓越高分流電流就越大，從而達(dá)到各個(gè)單體電壓均衡的目的。各個(gè)均衡器工作相對(duì)獨(dú)立，單體與單體之間不進(jìn)行電壓比較。

圖7 均衡分流特性示意圖Fig．7 Feature of the balance shunt

其中

該功能使能后，SE檢測(cè)到單體并聯(lián)模塊電壓＜2．7V 或＞4．4V 時(shí)，SE 內(nèi)部控制電路自動(dòng)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)BYPASS動(dòng)作，切除故障單體，不需要其它星載設(shè)備參與控制。

根據(jù)上述描述，表3給出了不同電池組配置方案的重量、尺寸等指標(biāo)，選用4×3P10S組合比4×3P11S組合重量減輕近20kg，帶ISIS裝置比不帶ISIS 裝置電池組重約20 kg。在滿足壽命末期（EOL）一節(jié)單體失效最長地影輸出功率11 200 W，放電深度不超過80%的要求下，選用4×3P10S組合方案，可以減輕重量，節(jié)省成本，最壞情況下放電深度69%，滿足性能指標(biāo)要求［9］。

表3 不同方案重量、尺寸比較Table 3 Comparison of differents chemes in weight and dimension

2．2．2 電池組在軌管理

鋰離子蓄電池組在使用和管理方面，與廣泛應(yīng)用于DFH-4平臺(tái)的氫鎳蓄電池組也存在較大區(qū)別。主要有以下幾個(gè)方面：

（1）鋰電池?zé)o耐過充過放機(jī)制，需要進(jìn)行單體均衡管理（ISIS實(shí)現(xiàn)）；

（2）鋰電池需要進(jìn)行BYPASS 驅(qū)動(dòng)控制（ISIS實(shí)現(xiàn)），氫鎳蓄電池不需要該功能；

（3）鋰電池采用恒流限壓充電控制方法，與氫鎳蓄電池的充放電比（C／D）控制不同；

（4）采用鋰電池對(duì)應(yīng)的電池充電調(diào)節(jié)器（BCR）為同時(shí)充電模式，氫鎳蓄電池對(duì)應(yīng)BCR為輪流充電模式；

（5）鋰電池光照期60%～80%荷電狀態(tài)進(jìn)行擱置儲(chǔ)存和補(bǔ)充充電，氫鎳電池光照期60%～90%荷電狀態(tài)需要進(jìn)行浮充電管理。

為此制定了DFH-4平臺(tái)衛(wèi)星應(yīng)用鋰離子蓄電池組在軌管理策略，如圖8所示。在軌管理分為光照期管理和地影期管理，主要如下：

（1）由長光照期進(jìn)入地影季前3～5天，通過地面發(fā)送指令啟動(dòng)大電流補(bǔ)充充電模式；

（2）進(jìn)入地影季后，鋰離子蓄電池組正常進(jìn)行充放電循環(huán)，軟件自主完成進(jìn)出影檢測(cè)和充放電管理，地影季蓄電池組工作在放電模式、充電模式或停止模式。地影季充電采用恒流限壓的充電控制方式；

（3）地影結(jié)束前5天，地面發(fā)送以下遙控指令：設(shè)置相應(yīng)參數(shù)并啟動(dòng)蓄電池組擱置模式，進(jìn)入長光照期管理，蓄電池組荷電狀態(tài)保持在70%～90%之間；

（4）鋰離子蓄電池組設(shè)有過充（過壓、過溫和過流）保護(hù)功能。

圖8 DFH-4平臺(tái)鋰離子蓄電池組在軌管理示意圖Fig．8 Diagram of on-orbit management of DFH-4Li-ion battery

3 DFH-4平臺(tái)上應(yīng)用鋰離子蓄電池的影響分析

在DFH-4平臺(tái)上采用鋰離子蓄電池取代氫鎳蓄電池，必然會(huì)引起供配電分系統(tǒng)與其他多個(gè)分系統(tǒng)接口的變化，進(jìn)而影響整星的綜合性能，本節(jié)將結(jié)合鋰離子蓄電池在DFH-4平臺(tái)上應(yīng)用，與應(yīng)用氫鎳蓄電池組的接口變化進(jìn)行影響性分析，給整星綜合性能帶來的影響進(jìn)行梳理，為DFH-4平臺(tái)采用鋰離子蓄電池的可行性提供支撐。

3．1 接口變化的影響分析

針對(duì)在DFH-4平臺(tái)上應(yīng)用鋰離子蓄電池取代傳統(tǒng)氫鎳蓄電池組，本節(jié)將系統(tǒng)梳理鋰離子蓄電池與氫鎳蓄電池接口變化，其鋰電池與氫鎳蓄電池接口對(duì)比情況如表4所示。

根據(jù)表中所列數(shù)據(jù)可以得出如下分析結(jié)論：

1）機(jī)械接口分析

采用鋰離子蓄電池取代氫鎳蓄電池后，供配電分系統(tǒng)重量減輕；從安裝尺寸看出，在相同容量情況下，鋰離子蓄電占用空間更小，為其他單機(jī)提供更多安裝空間，有利于布局設(shè)計(jì)及總裝工作。

2）電接口分析

（1）供電。氫鎳蓄電池組需要28V 線包、12V和-12V 供電；引進(jìn)鋰電池僅需要28V 供電，整星可以滿足供電要求；

（2）指令。氫鎳蓄電池組采用數(shù)管離散指令，引進(jìn)鋰電池采用連續(xù)供電指令，整星指令格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

（3）遙測(cè)。氫鎳蓄電池組采集部分單體電壓和溫度量；引進(jìn)鋰電池需采集所有單體電壓及溫度量，整星的遙測(cè)需要進(jìn)行擴(kuò)容。

ISIS供電、指令和遙測(cè)接口均由新研的單機(jī)鋰電池接口單元（LBIU）實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)服務(wù)艙配電器進(jìn)行適應(yīng)性修改，以滿足電接口需求。

3）熱接口分析

從表4中所列數(shù)據(jù)可以看出，鋰離子電池的工作溫度閾值及單體溫差要求高于氫鎳電池。為了滿足接口要求，除服務(wù)艙采取的熱控措施外，鋰離子電池本身也要進(jìn)行以下熱控措施：

（1）每個(gè)鋰離子蓄電池模塊均設(shè)置電加熱器，用于保證蓄電池處于要求的溫度下限之上，該接口可完全繼承氫鎳電池組的加熱器設(shè)計(jì)；

（2）每個(gè)鋰離子蓄電池模塊上安裝控溫和測(cè)溫的熱敏電阻；

（3）由于鋰電池對(duì)溫度的一致性提出更高的要求，電池組模塊須加多層隔熱組件，以減少電池組本身與外界的溫度交換，該要求需要重新設(shè)計(jì)。

表4 鋰離子電池與氫鎳蓄電池接口對(duì)比情況Table 4 Interface comparison between Li-ion battery and nickel hydrogen battery

3．2 對(duì)整星質(zhì)量預(yù)算的影響

采用鋰離子電池后，DFH-4 平臺(tái)按照110 Ah鎳氫蓄電池與135Ah引進(jìn)鋰離子蓄電池對(duì)比，供配電分系統(tǒng)重量由670kg降低到590kg，節(jié)省80kg，衛(wèi)星載干比可由24．5%增加到28．8%。DFH-4平臺(tái)配置引進(jìn)鋰離子蓄電池可以顯著地提升衛(wèi)星載干比。

3．3 對(duì)整星可靠性及安全性的影響

基于大量地面測(cè)試和飛行經(jīng)歷的數(shù)據(jù)，3P20S VES180SA 鋰離子蓄電池組15年壽命末期的可靠度為0．998 53，國內(nèi)110Ah氫鎳蓄電池組可靠度為0．996 09，可靠度指標(biāo)有所提高，對(duì)整星的可靠性有利。

在安全性方面，鋰離子蓄電池存在過充、過放、泄漏、短路和起火等安全性危險(xiǎn)因素，針對(duì)上述隱患，開展了蓄電池組單體過充、過放、短路、反極和爆破等安全性試驗(yàn)，均能滿足安全性使用要求。此外，在地面運(yùn)輸、使用時(shí)嚴(yán)格按照要求操作，在軌管理采取多重保護(hù)措施，保證蓄電池組的良好工作溫度范圍并且不會(huì)過充和過放，如此鋰電池在DFH-4平臺(tái)的安全性應(yīng)用就能夠得到保證。

3．4 對(duì)整星服務(wù)壽命的影響

維持同樣的載荷配置，如果配置氫鎳蓄電池，則整星的干重將達(dá)到2194kg，起飛重量將達(dá)到5330kg，配置同樣的490N 發(fā)動(dòng)機(jī)和10N 推力器，在推進(jìn)劑滿裝的情況下，可支持的服務(wù)壽命僅14年。采用鋰離子蓄電池組后，DFH-4平臺(tái)在配置490N 發(fā)動(dòng)機(jī)和南北位置保持使用10N 推力器，在推進(jìn)劑滿裝的情況下，可支持15年以上的服務(wù)壽命。可以看出，DFH-4平臺(tái)配置鋰離子蓄電池，在同樣的載荷配置下，可支持更長的服務(wù)壽命。

4 結(jié)束語

通過在DFH-4平臺(tái)上應(yīng)用鋰離子電池，供配電分系統(tǒng)的重量和體積將進(jìn)一步減小，整星的功率水平得到較大提高，有效地提高了系統(tǒng)的載干比，降低了發(fā)射成本，從而增加了衛(wèi)星的經(jīng)濟(jì)效益。

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