GEO衛星平臺東西板外掛鋰電池構型布局影響分析

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中國空間技術研究院 通信衛星事業部，北京100094

國內外地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛星電源系統大部分是基于太陽電池陣/蓄電池組架構的電源系統，隨著技術更新換代，蓄電池發展經由鎘鎳電池到氫鎳電池，再向鋰離子電池的替代演變歷程。與傳統航天器儲能裝置相比，鋰離子蓄電池具有比能量高、工作電壓高、體積小、質量小、充發電效率高，以及自放電率低等優點[1-2]，應用在空間領域可以大大降低航天器的質量與發射成本、增大有效載荷比重[2-3]、延長衛星在軌服務壽命，是繼全密封鎘鎳電池和氫鎳電池之后的第三代空間儲能電源[2，4]。迄今，歐洲航天局(ESA)、美國國家航空航天局(NASA)、Astrium公司E3000平臺、泰雷茲(TAS)公司SB4000平臺等百余顆衛星采用鋰離子蓄電池作為儲能電源[5]，鋰電池儲能技術在航天器上的應用已覆蓋低軌衛星、GEO衛星、深空探測等領域[2，4]。

目前中國GEO長壽命衛星主要使用氫鎳電池[6]，但隨著載荷功率需求提高及平臺升級換代，采用高比能量的鋰離子電池是必然趨勢[2-3]。GEO衛星平臺蓄電池組件通常采用服務艙南、北板內表面安裝的構型布局方案，蓄電池安裝在南、北板散熱面上有利于直接散熱，但存在兩方面不足：1)蓄電池組體積與質量較大而造成艙內布局空間緊張；2)蓄電池與常規電子設備工作溫度范圍不兼容，勢必造成熱設計資源耗費。在衛星平臺布局空間緊缺的情況下，為規避上述弊端，提出蓄電池安裝在服務艙東、西板或背地板的構型布局方案，以此騰出更多的南、北板空間來擴增設備布局或有效縮短服務艙高度，對降低衛星質心高度或擴增設備布局大有益處。蓄電池由艙內到艙外的構型布局變化必將帶來設計及研制流程的重大變化。

本文以135A·h鋰離子蓄電池組為例，針對GEO衛星平臺東/西板外掛安裝鋰電池構型布局影響進行分析，評價GEO衛星平臺東/西板外掛鋰電池構型布局的可行性與應用效能。

1 鋰離子蓄電池

設置一顆衛星蓄電池組選用法國SAFT公司的VES系列鋰離子電池，平臺配置2組蓄電池組件，每個組件由2個電池模塊組成，每模塊(共4個)又由30個45A·h的單體組成，通過4個3并10串的電池模塊構成135A·h鋰離子電池組。鋰離子電池模塊體積較大，質量大約50 kg/模塊。鋰離子蓄電池工作溫度要求與發熱特性：地影期間，溫度要求10～30℃，放電發熱量150 W/模塊，充電發熱量7 W/模塊；全日照擱置期間，溫度要求-5～15℃，發熱量133 mW/模塊(短時均衡處理時18 W/模塊)。鋰離子電池組對溫度均勻性有嚴格要求：同一蓄電池組件單體間溫差≤3℃。

鋰離子蓄電池充放電性能受溫度影響顯著[6-7]，因此對工作溫度范圍與均勻性有嚴格要求，需采取熱控措施將溫度控制在安全溫度范圍內，鋰離子電池的工作溫度范圍及單體溫差要求高于氫鎳電池[3]，衛星鋰離子電池熱控措施與其他蓄電池相同，主要采取主動加熱控溫、光學太陽反射鏡(Optical Solar Reflector，OSR)散熱輻射器等措施[3、8]。

2 構型及力學分析

鋰離子蓄電池安裝在衛星平臺服務艙東西板或背地板，同樣都能達到騰出服務艙南、北板設備布局空間的目的，但二者布局方案本質區別在于蓄電池安裝板的承力方式不同：蓄電池安裝在東/西板為掛裝，東/西板承受面內力(平行受力)；蓄電池安裝在背地板為托裝，背地板承受面外力(垂直受力)。由于衛星平臺結構板采用蒙皮+鋁蜂窩芯夾層的復合材料，該結構面板承受面內力的能力強于面外力，再加上蓄電池模塊質量大，因此蓄電池安裝于東/西板的力學條件要優于背地板安裝。除考慮力學條件外，蓄電池構型布局還應兼顧以下幾方面需求：

1)蓄電池布局應遵循艙內設備布局空間容積率最大化原則，蓄電池組安裝在衛星東/西板外表面比安裝在內表面更利于艙內空間騰退；

2)兼顧東/西板外表面天線布局空間需要，為天線布局預留更多空間，蓄電池組件應盡可能靠近背地板(-Z向)布局；

3)蓄電池組質量大，其布局應盡可能靠近背地板(-Z向)以降低整星質心高度；

4)根據GEO外熱流變化規律，南/北面輻射器散熱效率最高，蓄電池散熱優先選用南/北輻射器；

5)兼顧蓄電池散熱與結構減重，蓄電池安裝板采用鋁蒙皮鋁蜂窩芯夾層復合材料結構面板；

6)東/西板受外熱流影響溫度變化劇烈，為削弱其熱影響，蓄電池安裝板應采用單獨結構板設計，且與衛星平臺本體結構隔熱安裝。

綜合上述設計需求，鋰離子蓄電池組的4個模塊分別布局安裝在衛星東下板、西下板外表面的+Y與-Y兩側，并在衛星南、北板的+X和-X兩端外擴4塊面板作為電池模塊的散熱輻射器，如圖1所示。位于東下板+Y和-Y兩側的電池模塊構成東蓄電池組件，位于西下板+Y和-Y兩側的電池模塊構成西蓄電池組件。

與南北板相比，東西板內表面設備布局較少，增大了結構優化設計的靈活度，因此蓄電池組件東西外掛可采用2塊隔板承力結構形式、南北內掛一般采用1塊隔板承力結構形式，具體安裝狀態示意如圖2所示，建立兩種構型的力學模型，為準確模擬蓄電池安裝板的力學邊界，力學建模時創建與蓄電池安裝板相連接的結構板模型，并在結構板遠離蓄電池安裝板的邊界施加固定約束，模擬衛星飛行載荷縱向極限、橫向極限條件下安裝板結構準靜態力學分析，對比蓄電池組件兩種安裝狀態對其安裝板的力學性能影響。兩種構型在最大應力發生工況下的鋁蒙皮應力分布如圖3所示，最大應力值如表1所示。由表1可知，東西外掛構型中電池板鋁蒙皮最大應力約30.4 MPa，而南北內掛構型中電池板鋁蒙皮最大應力約70.8 MPa，2組結果均小于鋁合金材料屈服極限(260 MPa)，因此兩種構型均能滿足整星結構力學性能要求。如若東西板結構構型受到艙內布局限制，迫使蓄電池組件東西外掛采用1塊隔板承力結構，其結構力學性能則與南北內掛相當。綜合各工況分析結果，對電池板而言，東西外掛構型的力學性能優于或等同于南北內掛構型。

與蓄電池艙內布局不同，東西外掛構型將對星外其他設備布局帶來約束。因而整星布局時，應考慮相互影響和兼容設計，譬如與東西面天線布局相容、不遮擋背地面敏感器視場、避免推力器羽流影響等。此外，蓄電池安裝在艙外，還應考慮電池單體耐輻照等空間環境適應性設計問題。

表1 蓄電池安裝板鋁蒙皮最大應力Table 1 Maximum stress values of the Lithium-ion battery mounting panel skin with aluminum material MPa

3 熱控影響分析

3.1 蓄電池結構熱控一體化設計

與蓄電池安裝在服務艙南、北板內表面相比，鋰離子蓄電池安裝在服務艙東/西板外表面可與艙內設備熱解耦，有利于蓄電池組件結構熱控一體化結構集成設計：采用U型熱管將蓄電池組件安裝的結構板、南(+Y)輻射器和北(-Y)輻射器三者實現熱耦合，即U型熱管的平行段(Y向)預埋在蓄電池模塊安裝結構板內，兩端垂直段(X向)分別外貼在南、北輻射器內表面(背向冷黑空間)，與輻射器預埋熱管(Z向)構成正交熱管網絡。以東蓄電池組件為例，其結構熱控一體化結構如圖4所示。

如圖4所示，鋰離子蓄電池組件結構熱控一體化設計具有顯著優勢：1)組成蓄電池組件的2個電池模塊安裝在同一塊結構板上，蓄電池單體下方的結構板內預埋熱管，熱管具有等溫傳熱的特性，保證了蓄電池組件各組成單體間的等溫化，并將單體發熱量及外熱流及時傳輸到南、北輻射器向冷黑空間散熱；2)能夠實現熱管網絡南北熱耦合，由于GEO衛星南、北輻射器不同時照射太陽輻射熱流，因此可提高輻射器單位散熱能力，節省散熱面積約50%。

3.2 熱設計分析預算

如前文所述蓄電池熱控措施，下文對輻射器散熱面積、加熱功率等熱設計關鍵參數進行分析預算：

1)每個蓄電池模塊的輻射器(南或北)OSR散熱面積為0.075 m2(4塊，共0.3 m2)，除輻射器OSR散熱面外，其他表面均包覆多層隔熱組件；

2)每個蓄電池模塊加熱功率為30 W(4路，共120 W)，光照期蓄電池擱置模式自動控溫閾值[0℃，2℃]，地影期蓄電池放電模式自動控溫閾值[10℃，12℃]。

蓄電池安裝在星外，所受東(+X)、西(-X)、對地(+Z)與背地(-Z)外熱流交替變化，冬至和夏至時南、北輻射器受照太陽輻射熱流分別達到最大。經分析計算，15年壽命末期，經多層隔熱組件傳遞給蓄電池的瞬時外熱流峰值最大約11.5 W/模塊，末期冬至南輻射器外熱流最大約12 W/塊(OSR太陽吸收比按0.285取值)。蓄電池模塊和安裝結構板之間涂抹導熱填料減小熱阻，單體至結構板的熱阻約0.73 ℃/W(試驗實測)，熱管傳熱溫差不大于1℃(實測)。

按照上述熱設計參數與邊界條件，結合GEO衛星全壽命期在軌極端高、低溫工況進行熱分析預算。

3.2.1 加熱功率預算

壽命初期分點地影放電前，忽略全部外熱流且蓄電池不發熱，在此極端低溫工況，控制輻射器溫度達到10℃所需最小加熱功率是蓄電池模塊加熱器功率設計的最小值。忽略冷黑空間熱輻射，建立該工況的蓄電池模塊熱平衡方程：

式中：Qh，10為輻射器溫度控制10℃時蓄電池模塊加熱功率；Qr，10為輻射器溫度控制10℃時向冷黑空間輻射熱流；Ar為輻射器散熱面積；ε為輻射器紅外發射率；σ為玻爾茲曼常數；Tr為輻射器溫度。

當蓄電池模塊(單體數量：30個)加熱功率為21.6 W時，單體溫度：

式中：Tc為蓄電池單體溫度；ΔThp為熱管最大傳熱溫差；Rc為蓄電池單體與安裝結構板之間熱阻；Qh為蓄電池模塊加熱功率。

根據上述極端低溫工況時蓄電池模塊加熱功率預算結果，當蓄電池加熱功率30 W/模塊時，足已滿足地影期蓄電池溫度控制10℃以上的要求，且加熱功率仍有30%以上的設計余量。

3.2.2 散熱面積預算

輻射器散熱面積針對2種極端高溫工況進行預算：1)壽命末期冬至全日照，南(+Y)輻射器受太陽輻照最大外熱流(光照角23.5°)，經多層傳輸給電池模塊的外熱流按峰值(11.5 W/模塊)考慮，電池擱置發熱133 mW/模塊，電池出現高溫；2)壽命末期分點72 min最長地影期，蓄電池以最大電流放電，發熱量150 W/模塊，電池溫度驟升，放電結束溫度達到瞬時最高。

(1)極端高溫工況1)

忽略冷黑空間熱輻射，自控加熱器禁止情況下，建立極端高溫工況1)的蓄電池組件熱平衡方程：

Qr=2Qu,d+2Qu,m+Qr,s

式中：Qr為輻射器向冷黑空間輻射熱流；Qu，d為全日照蓄電池模塊擱置發熱量；Qu，m為經多層傳輸給電池模塊的外熱流；Qr，s為南(+Y)輻射器太陽輻照熱流。

進而，推導計算求得輻射器溫度：

-4°C

當蓄電池模塊(單體數量：30個)發熱量為133 mW，自控加熱器禁止時，單體溫度：

上述計算結果表明，當南、北輻射器散熱面積各為0.075 m2時，電池模塊加熱功能禁止的情況下，蓄電池溫度約-3℃，滿足-5～+15℃溫控要求，輻射器散熱面積足已滿足散熱需求。

(2)極端高溫工況2)

極端高溫工況2)下，進地影放電前由蓄電池模塊加熱器控溫保持輻射器溫度10℃(單體約11.5℃)，假定放電期間輻射器溫度保持10℃恒定不變，忽略冷黑空間熱輻射，建立72 min地影放電結束時刻蓄電池模塊的能量守恒方程：

MuCP,uΔTdis,72=(Qu,dis-Qr,10)t

式中：Mu為蓄電池模塊質量；CP，u為蓄電池模塊比熱容；ΔTdis，72為72 min地影放電結束蓄電池模塊平均溫升；Qu，dis為蓄電池模塊放電發熱流量；t為放電時間。

進而，推導計算求得72 min地影放電結束時刻蓄電池模塊平均溫升：

因上述計算中忽略了蓄電池放電期間輻射器溫升引起散熱能力變大的影響，由此計算得出放電結束時刻的蓄電池模塊平均溫升要高于實際溫升，由此推算，末期分點地影期72 min最長放電結束時，蓄電池單體瞬時最高溫度不會超過23.4℃(放電前初始溫度約11.5℃)，遠低于工作溫度上限，輻射器散熱面積足已滿足散熱需求。

綜上所述，對全壽命期內鋰電池所經歷極端高、低溫工況的熱分析預算表明135 A·h鋰離子電池組熱控加熱功率、散熱面積均能較好地符合相應溫控指標要求，且有適度的設計余量。

3.3 熱控影響比較

基于設置的衛星平臺135 A·h鋰離子蓄電池組(共4個模塊)，對采用東/西板外掛安裝與服務艙南/北板內掛安裝兩種構型布局方案的熱控設計進行比較，熱設計主要技術指標對比情況詳見表2。

表2 135 A·h鋰離子蓄電池組構型布局對熱控設計影響Table 2 Impact of the 135 A·h Lithium-ion battery configuration on thermal control design

注：質量僅為熱管、散熱面與多層隔熱組件的統計質量(不含加熱器和測溫元件)。

由表2比對可知，與服務艙內南/北板安裝鋰電池方案相比而言，東/西板外掛安裝不僅能騰出艙內大量設備布局空間，而且所耗費的熱控設計資源更加節省，所需的加熱功率與輻射器散熱面積僅是前者的30%，其中加熱功率節省280 W，輻射器散熱面積節省0.64 m2，熱控質量降低約1 kg。由此可見，東/西板外掛安裝鋰電池的構型布局方案更具優勢，是提升衛星平臺總體設計能力和降本增效的有效途徑之一。

4 研制流程影響分析

東/西板外掛安裝蓄電池易實現蓄電池組件結構熱控一體化集成設計。其優勢在于，該部分抽屜式的蓄電池多功能結構模塊構型布局，在衛星總裝過程中，其是否存在對衛星力學性能影響可忽略，與整星研制工作流程基本解耦，所有的蓄電池組件與衛星相關的電氣、熱控、結構、裝配等相關設計與工程實施，均可集成于蓄電池組件單機產品研制過程中或在衛星研制的輔線流程進行。完成全部工程實施后，打包成獨立的蓄電池艙，形成涵蓋結構、熱控、電氣設計的蓄電池多功能結構模塊后，再將該模塊在衛星本體上進行最終的機械連接和電插接。這種蓄電池多功能結構模塊化研制模式，可大量減少上星操作環節及工作量，進一步簡化了與整星之間的接口，縮短了衛星研制主線時間。

另外，由于蓄電池艙外掛安裝在東/西板，位于衛星本體外表面，這樣的構型布局方案為衛星總裝及工廠測試操作提供了便利條件，如電測、外觀檢查、維修、發射前更換電池工藝件等環節，可避免多次拆、合艙板，基本規避了艙內安裝蓄電池組件帶來的工程實施不足。

綜上所述，與服務艙內安裝蓄電池構型相比，東/西板外掛安裝蓄電池構型易于實現模塊化高度集成設計，簡化與衛星平臺接口關系，不占衛星總裝流程主線，工程實施條件更加便利，有助提高衛星研制工程實施效能。

5 結束語

隨用戶對衛星有效載荷使用數量與日俱增，要求衛星平臺提供更多的設備布局容納空間。通過優化衛星平臺蓄電池組外掛東/西板構型布局設計，騰退艙內設備布局空間，是解決有效載荷布局空間擴增需求所付出代價最小的技術手段之一，該技術手段已在Alphabus平臺[9]、E3000平臺的NIMIQ-4衛星上成功實施。本文針對GEO衛星平臺蓄電池普遍采用服務艙南/北板內掛安裝的構型布局現狀，以135 A·h鋰離子電池組為例，分析了GEO衛星平臺東/西板外掛安裝鋰電池構型布局的可行性及其影響，分析預算表明：東/西板外掛安裝鋰電池構型布局合理可行且更具優勢，可有效騰退艙內設備布局空間，力、熱設計得到明顯改善，熱設計資源節省尤為突出，加熱功率和散熱面積僅是南/北板內掛安裝熱設計所耗資源的30%。東/西板外掛安裝鋰電池構型布局方案，不僅能顯著降低平臺能耗，而且益于實現集結構、熱控、電氣一體的高度集成的蓄電池多功能結構模塊化設計，簡化與衛星平臺接口關聯，優化衛星研制總裝流程，使衛星研制工程實施效能得到切實提高。

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