锂离子蓄电池在DFH-4平台上的应用研究

魏强 廖瑛 李红林 余文涛 李大伟

（1 国防科学技术大学，航天与材料工程学院，长沙 410073）

（2 中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

东方红四号（DFH-4）卫星平台设计输出总功率为8～10kW，并具有扩展至10kW 以上的能力，能为有效载荷提供功率约6～8kW。平台应可承载有效载荷重量600～800kg，设计寿命15年。由于发射场纬度、运载能力（按CZ-3B 火箭增强型考虑）以及490N 发动机、10N 推力器比冲（按315s和285s计算）的限制，对于15年寿命的卫星，允许其最大干重约2000kg。所以按目前DFH-4平台基本型干重约1556kg计，允许有效载荷的重量也只有429～474kg，与国外同类平台的载荷重量相比还存在一定差距。

解决该问题最有效的方法就是降低卫星平台的质量。卫星平台中，供配电分系统一直是卫星最重的分系统，约占干星质量的30%，蓄电池组的质量在供配电分系统中又占有支配地位，约占分系统质量的50%，因此，供配电分系统蓄电池组的优化对卫星综合能力的提升有极其重要的作用。

目前我国GEO长寿命的卫星主要使用氢镍电池组［1-2］，但随着载荷功率需求的进一步提高，采用高比能量的锂离子电池是必然趋势［3］。欧洲泰雷兹-阿莱尼亚宇航公司（TAS）的SB4000卫星平台针对不同的载荷需求具有配置氢镍蓄电池和锂离子电池的能力，如中星-6B（CHINASAT-6B）卫星采用氢镍蓄电池，而亚太星-7A（APSTAR-7A）卫星采用锂离子电池，寿命均能达到15年。而国内目前基于DFH-4平台研制的最大通信卫星中星-11（CHINASAT-11），采用氢镍电池配置，寿命14年，如果采用锂离子电池替换氢镍蓄电池，卫星的寿命可达15年［4］。

国际上从1995年起开始空间锂离子蓄电池的研制，2000年11月英国AEA 公司首先在空间技术研究卫星（STRV-1d）上采用锂离子蓄电池作为储能电源［5］。锂离子电池已成为继镉镍电池和氢镍电池之后的第三代空间储能电源，截至2013年末，国际上200颗以上卫星采用锂离子蓄电池作为储能电源［6］，供应商有美国的Eagle-Picher、Yardney，法国的SAFT，日本的GS、Quallion、土星等公司，其中法国SAFT 公司是空间锂离子电池应用的领跑者，其生产的锂电池在各个卫星平台均有应用，其VES系列空间锂离子蓄电池的应用数量超过100颗，至少有66颗卫星应用于GEO 轨道，其中在轨飞行的卫星目前有80颗以上［7］。

为了满足DFH-4平台能力提升的需求，本文从应用锂离子电池组的角度分析了替代氢镍电池组的可行性，可为相关卫星型号研制提供参考。

2 锂离子蓄电池组应用与管理

与空间氢镍蓄电池组相比，锂离子电池的具体实施有诸多差异，如锂离子蓄电池的防开路设计、充电方式、充放电保护功能、在轨管理策略、热控设计、安全性等。本节将重点围绕氢镍蓄电池与锂离子蓄电池组的不同点展开分析［8］，给出DFH-4平台的应用锂离子电池方案。

2．1 锂离子蓄电池应用要求

2．1．1 防开路保护

如图1所示，DFH-4平台采用的氢镍蓄电池的单体开路若为单点失效模式，则会导致蓄电池组性能下降，甚至功能丧失，直接影响着卫星任务完成，因此在进行氢镍蓄电池组设计时，设置了旁路二极管进行防开路设计。但锂离子蓄电池却不适合采用此种防开路二极管的模式，这是因为氢镍蓄电池组的单体电压最高为1．8V，而锂离子蓄电池组单体最高电压为4．2V，若仍然采用旁路二极管，需要配置多个（6～8个不等）二极管，这样会导致在旁路二极管上的热耗非常大，并且因二极管上通过的电流较大，会使得体积和重量均上升。故在锂离子蓄电池上需要配置一个旁路开关导通电阻更小、组件结构更小巧的装置，称为旁路（BYPASS）装置。卫星实际上为一个机械结构部件，通过检测电路判断蓄电池单体的状态，当单体性能衰减到一定程度或是发生开路时，通过驱动装置，引发弹簧行程动作，带动插杆，将电池单体旁路，如图2所示。

图1 氢镍蓄电池防开路保护Fig．1 Open loop protection of nickel hydrogen battery

图2 锂离子蓄电池防开路保护Fig．2 Open loop protection of Li-ion battery

2．1．2 并联特性

在一定的温度下，氢镍电池的荷电状态与压力成一定的线性关系，通过检测电池压力，可以判断电池的荷电状态，由于氢镍电池的状态易受温度影响，不能简单地将两个或多个单体并联在一起，如果两只单体未经任何保护（正向导通二极管）会导致两单体内形成倒灌，将产生大环路电流，直接影响单体性能，造成单体甚至整组电池故障；所以一般采用增大单体容量来实现容量和功率的扩展。但对锂离子蓄电池来说，电池的荷电状态与电压呈一定的线性关系，且单体电压受温度影响较小，不会因为单体温度的差异导致并联的两个或多个蓄电池组单体之间形成倒灌现象，不会形成环路电流。锂离子蓄电池的这种特性，在单体电池生产过程中，只需生产几种不同规格的单体电池，即可通过不同容量的单体电池进行并联，形成不同等级的容量电池，也使得星上配置不同容量的蓄电池组变得简单方便。

2．1．3 过充过放保护

通过地面试验发现，氢镍蓄电池组具有较强的耐过充和过放能力，这在电池的安全使用上是非常有利的。但对于锂离子蓄电池来说，由于自身电化学特性，锂离子蓄电池的耐过充能力较差，在使用时需要设置安全保护机制。其机理为当单体电压超过蓄电池额定容量电压（一般为4．5V）时，锂离子会从正极向负极迁移，电解质和阴极材料开始分解，并在负极沉积金属锂，同时产生乙烯、二氧化碳、氧气等挥发物，使得单体的温度和壳体压力不断累积，此过程是不可逆的，这样最终将导致单体性能的急剧下降，甚至产生壳体爆裂起火的危险。因此，锂离子蓄电池在充电过程中一定要设置过充保护，一般采用恒流-限压的充电方式。同样锂离子蓄电池不具有过放能力，通过多次试验验证，可知当锂离子蓄电池单体过放电后，其内部化学特性同样发生不可逆转的变化，直接导致锂离子蓄电池组单体的失效。因此，锂离子蓄电池单体在使用过程中既要防止过充电，也要防止过放电。

2．1．4 均衡充电

氢镍蓄电池在充电过程中，尤其是充电末期，如果继续充电，蓄电池的库仑充电效率将下降，会使得充电电能转化成热量散失掉，在整组电池中不同单体之间荷电状态的差异可通过适当的过充电，使单体之间荷电状态达到一致。氢镍蓄电池充电一般采用多阶段渐减的充电模式，即一般采用大电流充电至蓄电池容量90%左右时，改为小电流（涓流或浮充）充电方式。

锂离子蓄电池组在充电过程中，若有一只单体或多只单体性能发生衰降时，经过多次充电后，会导致某个单体的性能与其他正常单体产生较大差异，最直观的表现为充电过程中，由于单体电压的不均衡，在充电过程中导致某个单体电压上升最快，在整组蓄电池达到额定容量时，故障单体可能已经过充，进一步加剧故障单体的差异性，最终影响整组蓄电池组的性能。故在锂离子蓄电池充电过程中，需要配置单体均衡装置，保证蓄电池在充电时单体性能（电压）一致性。单体均衡装置的主要功能，是在整组蓄电池中一只或几只单体发生性能下降时，对充电电流进行分流，使得性能下降单体的充电电流减小，而不影响正常单体的充电电流。一般此种装置，采用自主管理模式，以减少地面人为干预。

2．2 锂离子蓄电池组应用方案

2．2．1 电池组方案选择

考虑到技术的成熟性及快速应用到DFH-4平台的需求，选用法国SAFT 公司的VES 系列锂离子电池是比较可行的方案，同时选配SAFT 公司与德国ASP公司联合开发的锂离子电池组管理单元，该管理单元全称为智能监控集成系统（ISIS）。本文以目前DFH-4平台蓄电池组最大的功率（9400 W）输出配置为研究对象，应用锂离子电池来替代氢镍蓄电池进行设计。

电池串并联选择：综合考虑单体电池选型（VES180SA）、母线电压种类（电源控制器中电池充电调节器BCR 输出电压、电池放电调节器BDR 输入电压范围）等因素，平台配置南北两组电池组，按照输出10 000 W 进行设计，根据SAFT 公司推荐的电池组合方案，如图3所示，可选用4个3并10串（4×3P10S）的VES180SA 电池模块或4个3并11串（4×3P11S）的VES180SA 电池模块（其中P表示并联，S表示串联），两种方案的功率预算如表1和表2所示。

图3 100V 母线蓄电池组配置图Fig．3 Configuration diagrams of 100Vbus batteries

表1 4×3P11S功率预算和放电深度Table 1 Power budget and depth of discharge（4×3P11S）

表2 4×3P10S功率预算和放电深度Table 2 Power budget and discharge depth（4×3P10S）

基于锂离子蓄电池的特性，在轨管理策略方面与氢镍蓄电池组上有较大差别。因此，在DFH-4平台上配置锂离子蓄电池组，需要解决的关键问题为锂离子蓄电池的均衡管理问题。考虑到技术的成熟性，一种全新的分散式模块化均衡管理技术在DFH-4平台应用成为可能，该系统具备自主、智能的单体均衡管理和BYPASS驱动控制功能，可应用于GEO／LEO 轨道卫星。ISIS 主要由两种部件构成：智能变换器（Smart Convertor，SC）和空间均衡器（Space Equalizers，SE），如下图4 所示。采用3并10串模块组成的并配置均衡管理模块的电池组如图5所示［10］。

图4 ISIS实物图Fig．4 Prototype of the ISIS

图5 3P10S蓄电池组模块（带ISIS）组成示意图Fig．5 Diagram of 3P10Sbattery module（with ISIS）

均衡模块的配置方式为：每个电池组模块配置一个SC；每个单体并联模块配置一个SE，ISIS与电池组和外部的接口关系如图6所示。

其中SC的功能为：

（1）给SE供电；

（2）提供对外的遥控遥测接口；

（3）BYPASS动作后给星载计算机提供降低充电电压的信号。

SE的主要功能为：

（4）单体电池电压自主均衡管理，均衡后单体电压压差降至30mV 内，该功能在ISIS ON 时使能，OFF时禁止；

（5）BYPASS 自主驱动控制和管理，该功能初始状态为禁止，可发送BYPASS-Arming指令使能该功能；

（6）失效单体和寿命末期（EOL）电池组放电处理功能。

图6 ISIS与电池组接口关系图Fig．6 Diagram of ISIS and battery interface connect

锂离子蓄电池组单体电压均衡原理为：每个均衡器采集单体电压并与设定电压V1和V2进行比较，实现如图7所示的分流特性，在充电过程中当单体电压越高分流电流就越大，从而达到各个单体电压均衡的目的。各个均衡器工作相对独立，单体与单体之间不进行电压比较。

图7 均衡分流特性示意图Fig．7 Feature of the balance shunt

其中

该功能使能后，SE检测到单体并联模块电压＜2．7V 或＞4．4V 时，SE 内部控制电路自动触发驱动BYPASS动作，切除故障单体，不需要其它星载设备参与控制。

根据上述描述，表3给出了不同电池组配置方案的重量、尺寸等指标，选用4×3P10S组合比4×3P11S组合重量减轻近20kg，带ISIS装置比不带ISIS 装置电池组重约20 kg。在满足寿命末期（EOL）一节单体失效最长地影输出功率11 200 W，放电深度不超过80%的要求下，选用4×3P10S组合方案，可以减轻重量，节省成本，最坏情况下放电深度69%，满足性能指标要求［9］。

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

2．2．2 电池组在轨管理

锂离子蓄电池组在使用和管理方面，与广泛应用于DFH-4平台的氢镍蓄电池组也存在较大区别。主要有以下几个方面：

（1）锂电池无耐过充过放机制，需要进行单体均衡管理（ISIS实现）；

（2）锂电池需要进行BYPASS 驱动控制（ISIS实现），氢镍蓄电池不需要该功能；

（3）锂电池采用恒流限压充电控制方法，与氢镍蓄电池的充放电比（C／D）控制不同；

（4）采用锂电池对应的电池充电调节器（BCR）为同时充电模式，氢镍蓄电池对应BCR为轮流充电模式；

（5）锂电池光照期60%～80%荷电状态进行搁置储存和补充充电，氢镍电池光照期60%～90%荷电状态需要进行浮充电管理。

为此制定了DFH-4平台卫星应用锂离子蓄电池组在轨管理策略，如图8所示。在轨管理分为光照期管理和地影期管理，主要如下：

（1）由长光照期进入地影季前3～5天，通过地面发送指令启动大电流补充充电模式；

（2）进入地影季后，锂离子蓄电池组正常进行充放电循环，软件自主完成进出影检测和充放电管理，地影季蓄电池组工作在放电模式、充电模式或停止模式。地影季充电采用恒流限压的充电控制方式；

（3）地影结束前5天，地面发送以下遥控指令：设置相应参数并启动蓄电池组搁置模式，进入长光照期管理，蓄电池组荷电状态保持在70%～90%之间；

（4）锂离子蓄电池组设有过充（过压、过温和过流）保护功能。

图8 DFH-4平台锂离子蓄电池组在轨管理示意图Fig．8 Diagram of on-orbit management of DFH-4Li-ion battery

3 DFH-4平台上应用锂离子蓄电池的影响分析

在DFH-4平台上采用锂离子蓄电池取代氢镍蓄电池，必然会引起供配电分系统与其他多个分系统接口的变化，进而影响整星的综合性能，本节将结合锂离子蓄电池在DFH-4平台上应用，与应用氢镍蓄电池组的接口变化进行影响性分析，给整星综合性能带来的影响进行梳理，为DFH-4平台采用锂离子蓄电池的可行性提供支撑。

3．1 接口变化的影响分析

针对在DFH-4平台上应用锂离子蓄电池取代传统氢镍蓄电池组，本节将系统梳理锂离子蓄电池与氢镍蓄电池接口变化，其锂电池与氢镍蓄电池接口对比情况如表4所示。

根据表中所列数据可以得出如下分析结论：

1）机械接口分析

采用锂离子蓄电池取代氢镍蓄电池后，供配电分系统重量减轻；从安装尺寸看出，在相同容量情况下，锂离子蓄电占用空间更小，为其他单机提供更多安装空间，有利于布局设计及总装工作。

2）电接口分析

（1）供电。氢镍蓄电池组需要28V 线包、12V和-12V 供电；引进锂电池仅需要28V 供电，整星可以满足供电要求；

（2）指令。氢镍蓄电池组采用数管离散指令，引进锂电池采用连续供电指令，整星指令格式进行转换；

（3）遥测。氢镍蓄电池组采集部分单体电压和温度量；引进锂电池需采集所有单体电压及温度量，整星的遥测需要进行扩容。

ISIS供电、指令和遥测接口均由新研的单机锂电池接口单元（LBIU）实现，同时对服务舱配电器进行适应性修改，以满足电接口需求。

3）热接口分析

从表4中所列数据可以看出，锂离子电池的工作温度阈值及单体温差要求高于氢镍电池。为了满足接口要求，除服务舱采取的热控措施外，锂离子电池本身也要进行以下热控措施：

（1）每个锂离子蓄电池模块均设置电加热器，用于保证蓄电池处于要求的温度下限之上，该接口可完全继承氢镍电池组的加热器设计；

（2）每个锂离子蓄电池模块上安装控温和测温的热敏电阻；

（3）由于锂电池对温度的一致性提出更高的要求，电池组模块须加多层隔热组件，以减少电池组本身与外界的温度交换，该要求需要重新设计。

表4 锂离子电池与氢镍蓄电池接口对比情况Table 4 Interface comparison between Li-ion battery and nickel hydrogen battery

3．2 对整星质量预算的影响

采用锂离子电池后，DFH-4 平台按照110 Ah镍氢蓄电池与135Ah引进锂离子蓄电池对比，供配电分系统重量由670kg降低到590kg，节省80kg，卫星载干比可由24．5%增加到28．8%。DFH-4平台配置引进锂离子蓄电池可以显著地提升卫星载干比。

3．3 对整星可靠性及安全性的影响

基于大量地面测试和飞行经历的数据，3P20S VES180SA 锂离子蓄电池组15年寿命末期的可靠度为0．998 53，国内110Ah氢镍蓄电池组可靠度为0．996 09，可靠度指标有所提高，对整星的可靠性有利。

在安全性方面，锂离子蓄电池存在过充、过放、泄漏、短路和起火等安全性危险因素，针对上述隐患，开展了蓄电池组单体过充、过放、短路、反极和爆破等安全性试验，均能满足安全性使用要求。此外，在地面运输、使用时严格按照要求操作，在轨管理采取多重保护措施，保证蓄电池组的良好工作温度范围并且不会过充和过放，如此锂电池在DFH-4平台的安全性应用就能够得到保证。

3．4 对整星服务寿命的影响

维持同样的载荷配置，如果配置氢镍蓄电池，则整星的干重将达到2194kg，起飞重量将达到5330kg，配置同样的490N 发动机和10N 推力器，在推进剂满装的情况下，可支持的服务寿命仅14年。采用锂离子蓄电池组后，DFH-4平台在配置490N 发动机和南北位置保持使用10N 推力器，在推进剂满装的情况下，可支持15年以上的服务寿命。可以看出，DFH-4平台配置锂离子蓄电池，在同样的载荷配置下，可支持更长的服务寿命。

4 结束语

通过在DFH-4平台上应用锂离子电池，供配电分系统的重量和体积将进一步减小，整星的功率水平得到较大提高，有效地提高了系统的载干比，降低了发射成本，从而增加了卫星的经济效益。

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