鋰離子蓄電池在DFH-4平臺上的應用研究

魏強 廖瑛 李紅林 余文濤 李大偉

（1 國防科學技術大學，航天與材料工程學院，長沙 410073）

（2 中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

東方紅四號（DFH-4）衛星平臺設計輸出總功率為8～10kW，并具有擴展至10kW 以上的能力，能為有效載荷提供功率約6～8kW。平臺應可承載有效載荷重量600～800kg，設計壽命15年。由于發射場緯度、運載能力（按CZ-3B 火箭增強型考慮）以及490N 發動機、10N 推力器比沖（按315s和285s計算）的限制，對于15年壽命的衛星，允許其最大干重約2000kg。所以按目前DFH-4平臺基本型干重約1556kg計，允許有效載荷的重量也只有429～474kg，與國外同類平臺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星平臺的質量。衛星平臺中，供配電分系統一直是衛星最重的分系統，約占干星質量的30%，蓄電池組的質量在供配電分系統中又占有支配地位，約占分系統質量的50%，因此，供配電分系統蓄電池組的優化對衛星綜合能力的提升有極其重要的作用。

目前我國GEO長壽命的衛星主要使用氫鎳電池組［1-2］，但隨著載荷功率需求的進一步提高，采用高比能量的鋰離子電池是必然趨勢［3］。歐洲泰雷茲-阿萊尼亞宇航公司（TAS）的SB4000衛星平臺針對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）衛星采用氫鎳蓄電池，而亞太星-7A（APSTAR-7A）衛星采用鋰離子電池，壽命均能達到15年。而國內目前基于DFH-4平臺研制的最大通信衛星中星-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，衛星的壽命可達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研究衛星（STRV-1d）上采用鋰離子蓄電池作為儲能電源［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能電源，截至2013年末，國際上200顆以上衛星采用鋰離子蓄電池作為儲能電源［6］，供應商有美國的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用的領跑者，其生產的鋰電池在各個衛星平臺均有應用，其VES系列空間鋰離子蓄電池的應用數量超過100顆，至少有66顆衛星應用于GEO 軌道，其中在軌飛行的衛星目前有80顆以上［7］。

為了滿足DFH-4平臺能力提升的需求，本文從應用鋰離子電池組的角度分析了替代氫鎳電池組的可行性，可為相關衛星型號研制提供參考。

2 鋰離子蓄電池組應用與管理

與空間氫鎳蓄電池組相比，鋰離子電池的具體實施有諸多差異，如鋰離子蓄電池的防開路設計、充電方式、充放電保護功能、在軌管理策略、熱控設計、安全性等。本節將重點圍繞氫鎳蓄電池與鋰離子蓄電池組的不同點展開分析［8］，給出DFH-4平臺的應用鋰離子電池方案。

2．1 鋰離子蓄電池應用要求

2．1．1 防開路保護

如圖1所示，DFH-4平臺采用的氫鎳蓄電池的單體開路若為單點失效模式，則會導致蓄電池組性能下降，甚至功能喪失，直接影響著衛星任務完成，因此在進行氫鎳蓄電池組設計時，設置了旁路二極管進行防開路設計。但鋰離子蓄電池卻不適合采用此種防開路二極管的模式，這是因為氫鎳蓄電池組的單體電壓最高為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（6～8個不等）二極管，這樣會導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旁路開關導通電阻更小、組件結構更小巧的裝置，稱為旁路（BYPASS）裝置。衛星實際上為一個機械結構部件，通過檢測電路判斷蓄電池單體的狀態，當單體性能衰減到一定程度或是發生開路時，通過驅動裝置，引發彈簧行程動作，帶動插桿，將電池單體旁路，如圖2所示。

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

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

2．1．2 并聯特性

在一定的溫度下，氫鎳電池的荷電狀態與壓力成一定的線性關系，通過檢測電池壓力，可以判斷電池的荷電狀態，由于氫鎳電池的狀態易受溫度影響，不能簡單地將兩個或多個單體并聯在一起，如果兩只單體未經任何保護（正向導通二極管）會導致兩單體內形成倒灌，將產生大環路電流，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現容量和功率的擴展。但對鋰離子蓄電池來說，電池的荷電狀態與電壓呈一定的線性關系，且單體電壓受溫度影響較小，不會因為單體溫度的差異導致并聯的兩個或多個蓄電池組單體之間形成倒灌現象，不會形成環路電流。鋰離子蓄電池的這種特性，在單體電池生產過程中，只需生產幾種不同規格的單體電池，即可通過不同容量的單體電池進行并聯，形成不同等級的容量電池，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

通過地面試驗發現，氫鎳蓄電池組具有較強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。但對于鋰離子蓄電池來說，由于自身電化學特性，鋰離子蓄電池的耐過充能力較差，在使用時需要設置安全保護機制。其機理為當單體電壓超過蓄電池額定容量電壓（一般為4．5V）時，鋰離子會從正極向負極遷移，電解質和陰極材料開始分解，并在負極沉積金屬鋰，同時產生乙烯、二氧化碳、氧氣等揮發物，使得單體的溫度和殼體壓力不斷累積，此過程是不可逆的，這樣最終將導致單體性能的急劇下降，甚至產生殼體爆裂起火的危險。因此，鋰離子蓄電池在充電過程中一定要設置過充保護，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，通過多次試驗驗證，可知當鋰離子蓄電池單體過放電后，其內部化學特性同樣發生不可逆轉的變化，直接導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，如果繼續充電，蓄電池的庫侖充電效率將下降，會使得充電電能轉化成熱量散失掉，在整組電池中不同單體之間荷電狀態的差異可通過適當的過充電，使單體之間荷電狀態達到一致。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，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生衰降時，經過多次充電后，會導致某個單體的性能與其他正常單體產生較大差異，最直觀的表現為充電過程中，由于單體電壓的不均衡，在充電過程中導致某個單體電壓上升最快，在整組蓄電池達到額定容量時，故障單體可能已經過充，進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生性能下降時，對充電電流進行分流，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。

2．2 鋰離子蓄電池組應用方案

2．2．1 電池組方案選擇

考慮到技術的成熟性及快速應用到DFH-4平臺的需求，選用法國SAFT 公司的VES 系列鋰離子電池是比較可行的方案，同時選配SAFT 公司與德國ASP公司聯合開發的鋰離子電池組管理單元，該管理單元全稱為智能監控集成系統（ISIS）。本文以目前DFH-4平臺蓄電池組最大的功率（9400 W）輸出配置為研究對象，應用鋰離子電池來替代氫鎳蓄電池進行設計。

電池串并聯選擇：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節器BCR 輸出電壓、電池放電調節器BDR 輸入電壓范圍）等因素，平臺配置南北兩組電池組，按照輸出10 000 W 進行設計，根據SAFT 公司推薦的電池組合方案，如圖3所示，可選用4個3并10串（4×3P10S）的VES180SA 電池模塊或4個3并11串（4×3P11S）的VES180SA 電池模塊（其中P表示并聯，S表示串聯），兩種方案的功率預算如表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功率預算和放電深度Table 1 Power budget and depth of discharge（4×3P11S）

表2 4×3P10S功率預算和放電深度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平臺上配置鋰離子蓄電池組，需要解決的關鍵問題為鋰離子蓄電池的均衡管理問題。考慮到技術的成熟性，一種全新的分散式模塊化均衡管理技術在DFH-4平臺應用成為可能，該系統具備自主、智能的單體均衡管理和BYPASS驅動控制功能，可應用于GEO／LEO 軌道衛星。ISIS 主要由兩種部件構成：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：每個電池組模塊配置一個SC；每個單體并聯模塊配置一個SE，ISIS與電池組和外部的接口關系如圖6所示。

其中SC的功能為：

（1）給SE供電；

（2）提供對外的遙控遙測接口；

（3）BYPASS動作后給星載計算機提供降低充電電壓的信號。

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，該功能在ISIS ON 時使能，OFF時禁止；

（5）BYPASS 自主驅動控制和管理，該功能初始狀態為禁止，可發送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：每個均衡器采集單體電壓并與設定電壓V1和V2進行比較，實現如圖7所示的分流特性，在充電過程中當單體電壓越高分流電流就越大，從而達到各個單體電壓均衡的目的。各個均衡器工作相對獨立，單體與單體之間不進行電壓比較。

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檢測到單體并聯模塊電壓＜2．7V 或＞4．4V 時，SE 內部控制電路自動觸發驅動BYPASS動作，切除故障單體，不需要其它星載設備參與控制。

根據上述描述，表3給出了不同電池組配置方案的重量、尺寸等指標，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，節省成本，最壞情況下放電深度69%，滿足性能指標要求［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，與廣泛應用于DFH-4平臺的氫鎳蓄電池組也存在較大區別。主要有以下幾個方面：

（1）鋰電池無耐過充過放機制，需要進行單體均衡管理（ISIS實現）；

（2）鋰電池需要進行BYPASS 驅動控制（ISIS實現），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）采用鋰電池對應的電池充電調節器（BCR）為同時充電模式，氫鎳蓄電池對應BCR為輪流充電模式；

（5）鋰電池光照期60%～80%荷電狀態進行擱置儲存和補充充電，氫鎳電池光照期60%～90%荷電狀態需要進行浮充電管理。

為此制定了DFH-4平臺衛星應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）由長光照期進入地影季前3～5天，通過地面發送指令啟動大電流補充充電模式；

（2）進入地影季后，鋰離子蓄電池組正常進行充放電循環，軟件自主完成進出影檢測和充放電管理，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）地影結束前5天，地面發送以下遙控指令：設置相應參數并啟動蓄電池組擱置模式，進入長光照期管理，蓄電池組荷電狀態保持在70%～90%之間；

（4）鋰離子蓄電池組設有過充（過壓、過溫和過流）保護功能。

圖8 DFH-4平臺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平臺上應用鋰離子蓄電池的影響分析

在DFH-4平臺上采用鋰離子蓄電池取代氫鎳蓄電池，必然會引起供配電分系統與其他多個分系統接口的變化，進而影響整星的綜合性能，本節將結合鋰離子蓄電池在DFH-4平臺上應用，與應用氫鎳蓄電池組的接口變化進行影響性分析，給整星綜合性能帶來的影響進行梳理，為DFH-4平臺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

針對在DFH-4平臺上應用鋰離子蓄電池取代傳統氫鎳蓄電池組，本節將系統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比情況如表4所示。

根據表中所列數據可以得出如下分析結論：

1）機械接口分析

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，為其他單機提供更多安裝空間，有利于布局設計及總裝工作。

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管離散指令，引進鋰電池采用連續供電指令，整星指令格式進行轉換；

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

ISIS供電、指令和遙測接口均由新研的單機鋰電池接口單元（LBIU）實現，同時對服務艙配電器進行適應性修改，以滿足電接口需求。

3）熱接口分析

從表4中所列數據可以看出，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，除服務艙采取的熱控措施外，鋰離子電池本身也要進行以下熱控措施：

（1）每個鋰離子蓄電池模塊均設置電加熱器，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計；

（2）每個鋰離子蓄電池模塊上安裝控溫和測溫的熱敏電阻；

（3）由于鋰電池對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，該要求需要重新設計。

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

3．2 對整星質量預算的影響

采用鋰離子電池后，DFH-4 平臺按照110 Ah鎳氫蓄電池與135Ah引進鋰離子蓄電池對比，供配電分系統重量由670kg降低到590kg，節省80kg，衛星載干比可由24．5%增加到28．8%。DFH-4平臺配置引進鋰離子蓄電池可以顯著地提升衛星載干比。

3．3 對整星可靠性及安全性的影響

基于大量地面測試和飛行經歷的數據，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110Ah氫鎳蓄電池組可靠度為0．996 09，可靠度指標有所提高，對整星的可靠性有利。

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因素，針對上述隱患，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，均能滿足安全性使用要求。此外，在地面運輸、使用時嚴格按照要求操作，在軌管理采取多重保護措施，保證蓄電池組的良好工作溫度范圍并且不會過充和過放，如此鋰電池在DFH-4平臺的安全性應用就能夠得到保證。

3．4 對整星服務壽命的影響

維持同樣的載荷配置，如果配置氫鎳蓄電池，則整星的干重將達到2194kg，起飛重量將達到5330kg，配置同樣的490N 發動機和10N 推力器，在推進劑滿裝的情況下，可支持的服務壽命僅14年。采用鋰離子蓄電池組后，DFH-4平臺在配置490N 發動機和南北位置保持使用10N 推力器，在推進劑滿裝的情況下，可支持15年以上的服務壽命。可以看出，DFH-4平臺配置鋰離子蓄電池，在同樣的載荷配置下，可支持更長的服務壽命。

4 結束語

通過在DFH-4平臺上應用鋰離子電池，供配電分系統的重量和體積將進一步減小，整星的功率水平得到較大提高，有效地提高了系統的載干比，降低了發射成本，從而增加了衛星的經濟效益。

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