基于COTS单体的锂离子蓄电池组在空间的应用

张文佳 张晓峰 刘治钢

(北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094)



基于COTS单体的锂离子蓄电池组在空间的应用

张文佳 张晓峰 刘治钢

(北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094)

调研了基于商业现货(Commercial off-the-shelf,COTS)单体的锂离子蓄电池组在空间应用中的发展历程和使用现状，从电池组拓扑结构、防短路和防开路设计、均衡管理策略、充放电控制以及机、热设计的角度，对比了COTS单体蓄电池组与空间专用电池组的差别，分析得出了基于COTS单体的锂离子电池组的技术特点；归纳了基于COTS单体的蓄电池组应用于空间会带来的影响，并梳理出研制和建造过程中的关键环节和成功经验。

COTS单体；锂离子电池组；空间应用；发展历程；技术特点

1 引言

国际上从1995年起开始航天器锂离子蓄电池组的研制[1]，经过近20年的研究，具有比能量高、充放电效率高、自放电率低、无记忆效应、高输出电压、长寿命等优点的锂离子电池，已经在众多空间任务中取代镉镍蓄电池组和氢镍蓄电池组，成为第三代空间储能装置。2000年11月英国在空间技术研究卫星-1d(STRV-1d)上首先采用锂离子蓄电池组，至今锂离子蓄电池组的空间应用已经超过14年，大约有200颗卫星的飞行经历，广泛应用于各种地球轨道以及深空探测的飞行任务中[2-3]。

国外空间应用的锂离子蓄电池组，按照使用单体的不同，可以分为2类，基于空间专用电池单体的蓄电池组和基于商业现货(Commercial off-the-shelf，COTS)单体的蓄电池组，其中后者的空间应用要先于前者。空间专用电池是指专门为空间任务和环境研制的宇航级电池产品，如法国的SAFT公司、美国的Yardney公司、中国的上海811所和中电18所等供应商均能提供空间专用电池。而COTS电池是指可以在市场上采购的商业级量产电池产品。目前空间应用的基于COTS单体的锂离子蓄电池组大部分是由Sony公司20世纪90年代定型的18650HC单体组成[4]。18650是COTS电池中的一种常见型号，特指尺寸为直径18 mm、高65 mm的圆柱形电池，Sony18650HC单体额定容量1.5 Ah，工作电压为2.5～4.2 V，容量密度为130 Wh/kg，材料体系为正极钴酸锂/负极硬碳。由这种单体组成的蓄电池组形成的“小单体电池组”(small cell battery)，成为空间蓄电池组的一种独特而广泛应用的技术路线。截至2013年，已经有超过100颗航天器采用了这种基于COTS单体的锂离子电池组[5-6]，占全部空间锂离子蓄电池组的约50%，特别是LEO轨道航天器中的应用数量远超基于空间专用单体蓄电池组的应用数量[3]。

本文对国外的这种广泛应用的基于COTS单体的锂离子电池组技术进行了研究，包括应用现状、使用特性以及设计和使用过程中的关键技术。

2 基于COTS单体的锂离子电池组技术的空间应用现状

2.1 发展历程

在锂离子电池组应用于空间领域的十多年过程中，基于COTS单体的锂离子电池组贯穿始终，推动了空间电池的发展。

2000年，STRV-1d作为第一个使用锂离子电池驱动的航天器，使用的就是COTS单体6串6并形成电池组，但发射后因非电池原因，任务失败。2001年，欧洲在轨自主计划演示卫星(Proba)同样使用了COTS单体6串6并形成电池组，在轨运行超过10年，且性能良好，成为目前在轨寿命最长的锂离子蓄电池组[5]。同期，COTS电池完成了1500万单体小时的地面寿命测试[2]，到这个阶段，已经有了充足的数据(包括不同温度、不同放电深度和充电倍率)，建立了对电池性能和寿命的预测模型和软件工具。

2003年—2006年，经历过飞行验证和大量地面试验的基于COTS单体的锂离子蓄电池组正式成为深空探测器的储能电源，前后在火星快车(Mars Express)、罗塞塔(Rosetta)和金星快车(Venus Express)上得到应用。

随着对基于COTS单体的锂离子蓄电池组的深入研究和考核，这种蓄电池组被认为可以在LEO任务中有更大规模和更长寿命的应用，如设计容量达到336 Ah的地中海盆地观测小卫星星座(COSMO-Skymed)[7-8]，设计寿命为10年的合成孔径雷达放大镜卫星(SAR-Lupe)星座系列，以及设计寿命为12年的哨兵-1(Sentinel-1)和哨兵-3(Sentinel-3)卫星[2]。

除了LEO轨道的大量应用，在更高的MEO、GEO轨道上，也逐渐开启了基于COTS单体的电池组的应用。2005年发射的伽利略导航系统的试验卫星GIOVE-A使用了9串10并的15 Ah锂离子电池组，同步研制发射的GIOVE-B使用了以法国SAFT公司的空间专用单体蓄电池组，COTS单体表现出了与空间专用电池同等优异的性能。2008年NASA发射的太阳动力学观测台(SDO)更是突破性地将COTS单体的使用扩展到了设计寿命为10年的GEO任务，电池组规模扩展到了8串104并的150 Ah，并且为了减小电池组的底板占用面积，专门设计为3层式结构。

21世纪初，在锂离子电池这项技术的空间应用中，ESA一直作为领跑和主要推动者，自2001年Proba的技术验证任务取得成功后，ESA主导的任务大部分都使用了锂离子蓄电池组，并且其中LEO和深空探测的大部分任务首选都是这种基于COTS单体的锂离子蓄电池组。

NASA紧随其后，对锂离子电池的使用始于2006年的空间技术-5(ST-5)卫星的技术验证，这个仅为3个月的短期任务中使用的也是基于COTS单体的锂离子蓄电池组，并由此开启了NASA使用锂离子电池之路。紧随其后的特弥斯星座(THEMIS)、太阳动力学天文台(SDO)和月球勘测轨道器(LRO)等一系列任务均选择了基于COTS单体的锂离子电池组。另外NASA还开启了一项长寿命锂离子蓄电池组(Long-Life Battery，LLB)的专项研究，用于置换太空行走使用的宇航服(EMU)和辅助移动设备中的银锌电池，其中使用的也是基于COTS单体的锂离子蓄电池组。

除此之外，印度的月球探测器——月船(Chandryaan)也使用基于COTS单体的锂离子蓄电池组，韩国、南非、阿根廷、巴西和沙特都有项目使用基于COTS单体的锂离子电池组[2]。

可以看到，国外在试验和应用COTS电池的过程中沿续的是“小卫星技术验证”→“深空或短期任务”→“3年LEO中型任务”→“长寿命GEO/MEO任务”和“长寿命LEO大型任务”的发展路线，在此过程中借助空间需求和技术进步带动COTS电池组产品的可靠性和安全性的不断提升。

2.2 应用现状

由于近年来锂离子电池技术快速的发展，新研制的单体不论从性能容量、还是从可靠性安全性方面都有很大提升，选择新的先进COTS单体应用于空间势在必行。ESA从2007年开始启动了一轮“技术观察”(Technology Watch)项目，至今已经测评了近200个COTS单体并从中选择可以用于航天电池组的产品，是目前最大规模的空间电池技术评测项目。NASA的约翰逊航天中心(JSC)在2013年的电池研讨会(Battery Workshop)中也报道了对当前最先进的COTS锂离子电池的性能和安全性评测的结果[10]。新兴热点微小卫星的储能电池尝试了使用LG、三洋等公司的COTS单体[11-12]，并尝试建立COTS电池的空间标准[11]。

COTS单体，特别是18650单体，通过多年的在轨运行，已经在空间应用方面表现出了与传统的空间专用电池同样的优良性能，并且可以看到更多种类的COTS单体应用在更多类型的空间任务中，越来越多地优先考虑使用基于COTS单体的锂离子蓄电池组，这些都跟基于COTS单体电池组灵活、便捷和高可靠性特点息息相关。以下章节将对基于COTS单体电池组的应用技术特点和对整星的影响分析进行全面的介绍。

3 基于COTS单体的锂离子电池组应用特点

与传统的空间专用电池相比，基于COTS单体的锂离子电池组有着很多不同，包括电池组拓扑结构设计、防开路设计、防短路设计、均衡管理策略、热控设计、可靠性安全性等多个方面。本节将重点围绕基于COTS单体的锂离子电池组与传统的空间专用电池组[9]的不同点展开分析，全面介绍基于COTS单体的锂离子电池组的应用特点。

3.1 电池组拓扑结构设计

传统的空间专用电池组采用串联或先并后串的电池组拓扑结构，如图1所示，即先通过单体之间的并联形成所需要电池容量的单元模块，在通过单元模块之间的串联得到所需要的工作电压，每一个单元模块中所有电池的端电压是一致的。由于传统的空间专用电池单体的容量较大，标称容量从10～50 Ah不等，经过先串后并之后的电池组规模一般在数十到上百只单体。

基于COTS单体的电池组采用了先串后并的电池组拓扑结构，如图2所示，即先通过单体之间的串联形成所需要的工作电压，然后通过电池串之间的大规模并联，形成所需要的电池组容量，所有电池串的容量是一致的。形成的这种“电池阵列”结构与太阳电池阵的结构非常类似。由于目前使用的COTS电池标称容量仅为1.5 Ah，因此这种拓扑结构下的电池组规模往往需要数百、甚至上千只单体。

图1 传统空间专用锂离子电池组拓扑结构Fig.1 Topology of a typical space special Li-ion battery

图2 基于COTS单体的锂离子电池组拓扑结构Fig.2 Topology of a COTS-cell Li-ion battery

3.2 防短路设计

短路是电池的故障模式之一，会引起电池容量的损失和电池组电压的变化，镉镍、氢镍电池会通过并联二极管防止电池短路带来的电压变化。而对于锂离子电池，短路除了引起上述变化，还会带来很大的安全风险。电池发生短路，会导致电池短时间大量放电，伴随大量的热和电池的过放电，极易引发燃烧甚至爆炸。

短路可以分为外短路和内短路两种。其中外短路是指在电池外部电路出现短路，防止外短路的发生，需要通过电池组件设计和实施过程中的安全间距、多余物控制以及绝缘措施进行防护，并在设备端设置过流保护电路，防止电池内部能量滥用泄放而引发故障甚至事故。外短路相对于内短路，尚属可控风险，内短路作为一种锂离子电池特殊的失效模式，发生在电池内部，由极片的缺陷导致金属刺穿隔膜形成内部短路通道而形成，其发生具有一定的随机性，很难在研制和使用阶段进行控制，成为当前锂离子电池应用中最大的安全性隐患之一。

对于短路风险，空间专用电池组和COTS单体电池组都采用了严格的绝缘措施，用于防止外短路的发生。在COTS单体电池组中，由于COTS单体中内部特别增加了熔断设计，当单体发生短路，内部电流或温度达到限定范围时，熔断丝熔断，故障单体断开形成开路，能够防止故障向其他单体和整个电池组扩散。

3.3 防开路设计

空间电池因为存在电解液泄露的风险，而可能出现开路失效的故障模式。对于传统的先并后串结构的锂离子电池组，某一单体的开路不会引起电池组的失效，但会引起所在并联模块中其他单体放电电流增大、放电深度加深等情况。因此在并联模块上配置了一个旁路(Bypass)装置，在出现单体开路或单体性能异常衰减时，将出现异常的并联模块整体旁路。对于电池组而言，旁路装置的动作会带来电池组工作电压的下降，以及相应的管理控制策略的调整。

水下混凝土配合比需要结合理论计算以及相关实验来进行验证，当前混凝土实验强度要高于设计强度，实际坍落度需要控制在18～20cm之间，水灰比控制在0.5～0.6m，粗骨料可以选用砾石。目前水下混凝土输送方式较多，比如混凝土输送泵进行灌注，此类技术措施在目前高速公路以及桥梁工程中应用范围较广。导管实际分节长度需要进行控制，这样便于后续拆卸与运输，对焊缝质量进行控制。导管在吊装之前需要进行试拼，确保接口位置连接具有良好的牢固性。

对于使用COTS单体的锂离子电池组，单体开路会导致所在串联模块的断路，不会引起电池组的失效，但会导致蓄电池组中其它电池串放电电流增加、放电深度加深。通过采取一定冗余的设计，可以保证某一串单体的开路失效的情况下，不会引发其他电池串放电深度超过设计的最大值，因此COTS单体的锂离子电池组未专门进行防开路设计，而是通过冗余设计保证整组电池的可靠性。如NASA研制的SDO航天器，采用了8串104并的150 Ah的蓄电池组，其中4串为冗余设计，当不超过4串电池串发生开路失效的情况下，蓄电池组仍可满足设计要求。

3.4 均衡管理策略

锂离子蓄电池组在使用过程中，单体间会逐渐发生性能的歧化，直观表现为充放电过程中单体电压差加大，整组电池的性能受到最差单体性能的限制。对于传统的先并后串结构的空间锂离子电池组，在模块上设置了专门的均衡电路，当串联的模块间电压出现电压差时，对充电电流进行分流，或者对电压高的模块进行放电，使得串联的各模块间电压保持一致。

对于使用COTS单体的锂离子电池组，由于采用了先串后并的拓扑结构，如果对每一串电池都采取均衡，需要增加大量的采样和均衡电路，并且初期这种电池组的设计寿命短，不足以产生明显的歧化现象，因此这种电池组没有设置均衡装置。

另外，量产的COTS具有高度的一致性，在设计过程中根据对COTS电池特性的研究成果，建立了串并联仿真模型，模型计算结果认为COTS电池也会出现性能的歧化，但是在单体电池的“自均衡”特性作用下，电池间性能的歧化会逐渐减慢，形成电池组单体不完全一致但相对稳定的状态。实际寿命试验和在轨运行结果也验证了这种观点，因此在后续使用COTS单体的锂离子电池组设计中，也不再考虑设置均衡装置或电路。

3.5 充电/放电控制

锂离子蓄电池组的特性决定了电池不能过充电和过放电，在过充电和过放电这两种滥用的情况下，电池的性能会发生不可逆的损伤甚至出现安全性事故。因此在蓄电池组的充放电管理方面，会控制防止过充过放。锂离子蓄电池组的充电一般采用“恒流-恒压”充电模式，这种充电模式可以控制蓄电池组的过充；放电会设置最低放电电压，用于控制蓄电池组的过放。

对于传统的空间锂离子电池组和使用COTS单体的锂离子电池组，在充电和放电的管理策略上没有不同，但是实现管理的层次有差别。传统的使用先并后串模式的空间蓄电池组，由于可以采集到单体的电压，在充电和放电时，都会以单体电压作为控制点。充电过程中，当某一单体的电压达到充电截止电压时，整组蓄电池组转为恒压充电；当放电过程中有单体电压下降至最低放电电压时，会发出过放电信号。

而使用COTS单体的锂离子蓄电池组，因为采用先串后并的拓扑结构，不能够采集所有单体的电压值，因此充放电过程中，会以整组电池的电压作为控制点。充电过程中，当整组电池的电压达到电池组充电截止电压(单体充电截止电压×N，N为串联数)时，整组蓄电池组转为恒压充电；当放电过程中，整组电压下降至最低放电电压时(单体最低放电电压×N)，发出过放电信号。考虑到COTS单体的高度一致性和“自均衡”特性，设置合适的电池组充放电电压，可以起到限制电池单体的过充电和过放电的作用。

3.6 热设计

温度是影响锂离子蓄电池组性能的重要因素，空间锂离子蓄电池组的最佳工作温度为10～30 ℃，过高或过低的温度都会影响电池的寿命、可靠性及安全性。同时，温度对电池的内阻和自放电特性都会有较大影响，因此保持单体间温度梯度尽量小，以及单体内部极片电堆温度梯度尽量小，可以很大程度上控制电池性能的歧化和电池组性能的衰减。

对于传统的空间锂离子电池组，对每一个单体或电池模块单独采取热控措施，可保证蓄电池组处于要求温度的范围内；对每个蓄电池模块上安装控温和测温的热敏电阻；对电池模块增加多层隔热组件，以减少电池组本身与外界的热量交换。

使用COTS单体的锂离子蓄电池组，在温度方面采取的措施则显得更为简单和灵活，为了尽可能利用电池的“自均衡”特性，热控除了控制温度范围外，主要需要保证串联电池串间温度的一致性，因此在设计中增加了对热量沿并联方向的定向传导，如图3所示[8]。

图3 基于COTS单体的锂离子蓄电池组典型热传导设计Fig.3 Typical thermal design of a COTS-cell Li-ion battery

由于18650小单体和空间专用电池大单体相比，比表面积(此处比表面积指单位质量电池所具有的外表面积)更大，而电池模块和电池组内部的单体温度一致性需要依赖单体间的热量传递来实现，较小的体积和比表面积使得热量的传递更快，单体间的温度分布也更均匀。

3.7 机械设计

在机械尺寸设计方面，采用18650小单体的电池组的设计非常灵活和简单，可以根据整星结构需要，采用单层、双层、多层的多种设计，并且可以根据需要对电池组的并联结构进行拆解和组合，图4中给出了几种已经应用于空间的电池组机械设计[3]。

图4 空间COTS单体电池组的机械设计Fig.4 Several kinds of mechanical design of COTS-cell batteries

4 空间应用分析

在空间中应用基于COTS单体的锂离子蓄电池组，会引起供配电分系统和其他多个分系统接口的变化，而且因其应用特点和使用范围，也会对整星的综合性能产生影响。本节结合基于COTS单体的锂离子蓄电池组的空间应用，与传统的空间专用电池进行比较分析，对接口和性能变化的影响进行梳理，为采用基于COTS单体的锂离子蓄电池组的可行性提供支撑。

4.1 机械接口分析

采用基于COTS单体的锂离子蓄电池组后，安装尺寸更灵活，在提供相同容量的情况下，锂离子蓄电池组占用的投影面积可以根据结构需要进行灵活设计，更有利于布局设计和总装工作。

4.2 电接口分析

遥测：空间专用锂离子蓄电池组需要采集所有单体的电压及温度量；基于COTS单体的锂离子蓄电池组则需要采集整组电池电压及温度量，对遥测容量需求减小。

指令：空间专用锂离子蓄电池组需要进行均衡、旁路(By-pass)和充放电管理，因此需要对相应的管理措施设置指令，指令通过电源控制器和均衡管理器实现；基于COTS单体的锂离子蓄电池组仅需要对充放电进行管理，通过电源控制器实现，对指令数量需求减小。

4.3 热接口分析

由于锂离子电池的工作温度范围是一致的，空间专用锂离子蓄电池组和基于COTS单体的锂离子蓄电池组都需要对电池组本身进行热控，并采取与外界的隔热；对温度梯度的控制也均是依赖电池组内部的热量传递和交换实现。两种电池组热接口可以一致。

4.4 对整星可靠性及安全性的影响

国外基于COTS单体的锂离子蓄电池组已经积累了近亿小时的寿命试验数据(至2011年统计)[5]，其中最大规模的电池组，设计容量达到336 Ah(COSMO-Skymed)，卫星5年寿命的可靠性指标超过0.999。COTS单体当前成熟产品的失效率在千万分之一量级，并且由于单体容量小，采用先串后并的拓扑结构，与太阳电池阵的拓扑结构和可靠性计算方法类似，采用大量单体从而降低了单体故障的风险，对整星可靠性更加有利。

安全性方面，通过对充电、放电、温度的控制，可以避免滥用导致的安全性隐患；并且COTS电池都会开展批次抽检的过充、过放、短路、反极、爆破、穿刺、挤压等安全性试验，符合安全性使用要求的电池才能够进入市场；电池设计过程中对电池进行分区隔离，能够有效控制安全性故障的扩散。此外，在运输和使用过程中严格按照规范要求操作，也是对安全性的有效保障。

4.5 对航天经济效益的影响

典型的空间专用电池的生产周期需要9至12个月，价格约合500美元/Ah，国产空间电池使用的是钴酸锂的二元体系，能量密度不超过150 Wh/kg。而目前，在COTS锂离子单体电池中，以最常见的18650电池为例，单条全自动生产线产量可达到10只/s，价格经过市场调节已经降至约1美元/Ah，先进产品采用三元体系能量密度可以达到200 Wh/kg以上。

COTS单体研制可应用于航天器的低成本、高可靠空间电池组，既能满足短周期、快响应、低成本的工程需求，还能够使工业成熟产品空间应用的研制周期缩短、测试和应用成本降低，较少领域性的重复研究。COTS单体的应用对航天器的整个研制周期的经济性和效率都能够有很大贡献。

5 基于COTS单体的锂离子电池组关键环节和启示

基于COTS单体的锂离子电池组的空间应用取得了广泛的成功，大量地面试验和在轨数据，带来了对电池单体性能的深刻理解和对电池组技术的细致研究。通过对基于COTS单体的锂离子电池组的技术特点的分析，可以看出这是完全基于单体性能的电池组技术路线，因此在研制的过程中对单体生产过程和质量控制需要有严格的标准规范。通过总结以往的成功经验，小单体锂离子电池组的关键环节主要围绕着单体及其试验，应包括以下几个方面：

1)选择合适的单体

单体的高度一致性至关重要，即使对性能不一致的单体进行筛选和分级，也很难达到与使用一致性良好的单体同样的试验结果。因此需要建立单体一致性的评价标准，作为COTS单体选型的重要依据。

2)与单体供应商保持密切沟通

对单体生产过程进行控制，确保不同批次的单体仍然具有很好的一致性。对定型单体，对生产过程的微小变化也必须非常谨慎，因为单体性能的很小变化也可能导致地面试验结果的价值降低。

3)全面覆盖的单体筛选和批次接收试验

所有的单体经过至少两次筛选，分别在接收前和使用前；对每批次产品需要由验收方进行批次接收试验以确认建造规范的落实情况。虽然这些关键流程会大幅度提高最终产品的成本，但确实能够有效控制产品质量。

4)进行大量的地面试验

COTS单体电池已经通过规模化生产降低了成本，可以通过少量的启动资金支持单体和电池组的地面试验，特别是寿命试验。但即使是这样，往往在经过大量试验和数据分析之后，也仅能够获得对电池和电池组最基本的理解，例如电池的“自均衡”特性，因此地面试验总的来说仍然花费不菲。

6 结束语

采用COTS单体电池组的这种模式，有助于将最新的商业技术快速地应用到空间项目中。在过去，这种模式加快了锂离子蓄电池组这项技术的空间应用进程。在未来，随着中小卫星数量的增加，使用基于COTS单体的锂离子蓄电池组的简单、灵活特点能够很好地适应这种发展趋势，采用COTS单体锂离子电池组标准组件的快速组装，也能够满足一些快速响应的特殊空间需求。

我国在锂离子电池的产量、技术和品质方面都已经跃居世界前列，但是民用领域的成熟先进技术没能够广泛快速地应用于空间领域。我国空间电源的设计师们可以充分借鉴国外在COTS单体电池组发展和应用方面的先进经验，通过对COTS电池的评测，逐步加深对锂离子电池性能的理解，以及改善电池组产品的设计，以进一步开拓国产先进COTS电池的空间应用，最终摸索出一条将先进商业技术快速实现空间应用的有效途径。

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(编辑：张小琳)

Study on Space Application of COTS Lithium-ion Cell Battery

ZHANG Wenjia ZHANG Xiaofeng LIU Zhigang

(Beijing Institued of Spacecraft System Engineering， Beijing 100094, China)

This paper investigates the space application of COTS (Commercial off-the-shelf) cell battery including its development process and present situation, compares the COTS cell battery with the special space battery in terms of battery topology, short-circuit and open-circuit proof design, balance management, charge/discharge control and structural/thermal design. Then it analyzes the technical characteristics of the COTS cell battery. On the basis of above, this paper summarizes the influences of the space application of COTS cell battery, and sorts out the key steps in the process of COTS cell battery building and qualification.

COTS cell; Lithium-ion battery; space application; development process; technical characteristic

2015-04-20；

2015-07-03

张文佳，女，硕士，工程师，从事航天器供配电设计工作。E-mail:wendyzh85@163.com。

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.018