GEO卫星平台东西板外挂锂电池构型布局影响分析

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中国空间技术研究院 通信卫星事业部，北京100094

国内外地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星电源系统大部分是基于太阳电池阵/蓄电池组架构的电源系统，随着技术更新换代，蓄电池发展经由镉镍电池到氢镍电池，再向锂离子电池的替代演变历程。与传统航天器储能装置相比，锂离子蓄电池具有比能量高、工作电压高、体积小、质量小、充发电效率高，以及自放电率低等优点[1-2]，应用在空间领域可以大大降低航天器的质量与发射成本、增大有效载荷比重[2-3]、延长卫星在轨服务寿命，是继全密封镉镍电池和氢镍电池之后的第三代空间储能电源[2，4]。迄今，欧洲航天局(ESA)、美国国家航空航天局(NASA)、Astrium公司E3000平台、泰雷兹(TAS)公司SB4000平台等百余颗卫星采用锂离子蓄电池作为储能电源[5]，锂电池储能技术在航天器上的应用已覆盖低轨卫星、GEO卫星、深空探测等领域[2，4]。

目前中国GEO长寿命卫星主要使用氢镍电池[6]，但随着载荷功率需求提高及平台升级换代，采用高比能量的锂离子电池是必然趋势[2-3]。GEO卫星平台蓄电池组件通常采用服务舱南、北板内表面安装的构型布局方案，蓄电池安装在南、北板散热面上有利于直接散热，但存在两方面不足：1)蓄电池组体积与质量较大而造成舱内布局空间紧张；2)蓄电池与常规电子设备工作温度范围不兼容，势必造成热设计资源耗费。在卫星平台布局空间紧缺的情况下，为规避上述弊端，提出蓄电池安装在服务舱东、西板或背地板的构型布局方案，以此腾出更多的南、北板空间来扩增设备布局或有效缩短服务舱高度，对降低卫星质心高度或扩增设备布局大有益处。蓄电池由舱内到舱外的构型布局变化必将带来设计及研制流程的重大变化。

本文以135A·h锂离子蓄电池组为例，针对GEO卫星平台东/西板外挂安装锂电池构型布局影响进行分析，评价GEO卫星平台东/西板外挂锂电池构型布局的可行性与应用效能。

1 锂离子蓄电池

设置一颗卫星蓄电池组选用法国SAFT公司的VES系列锂离子电池，平台配置2组蓄电池组件，每个组件由2个电池模块组成，每模块(共4个)又由30个45A·h的单体组成，通过4个3并10串的电池模块构成135A·h锂离子电池组。锂离子电池模块体积较大，质量大约50 kg/模块。锂离子蓄电池工作温度要求与发热特性：地影期间，温度要求10～30℃，放电发热量150 W/模块，充电发热量7 W/模块；全日照搁置期间，温度要求-5～15℃，发热量133 mW/模块(短时均衡处理时18 W/模块)。锂离子电池组对温度均匀性有严格要求：同一蓄电池组件单体间温差≤3℃。

锂离子蓄电池充放电性能受温度影响显著[6-7]，因此对工作温度范围与均匀性有严格要求，需采取热控措施将温度控制在安全温度范围内，锂离子电池的工作温度范围及单体温差要求高于氢镍电池[3]，卫星锂离子电池热控措施与其他蓄电池相同，主要采取主动加热控温、光学太阳反射镜(Optical Solar Reflector，OSR)散热辐射器等措施[3、8]。

2 构型及力学分析

锂离子蓄电池安装在卫星平台服务舱东西板或背地板，同样都能达到腾出服务舱南、北板设备布局空间的目的，但二者布局方案本质区别在于蓄电池安装板的承力方式不同：蓄电池安装在东/西板为挂装，东/西板承受面内力(平行受力)；蓄电池安装在背地板为托装，背地板承受面外力(垂直受力)。由于卫星平台结构板采用蒙皮+铝蜂窝芯夹层的复合材料，该结构面板承受面内力的能力强于面外力，再加上蓄电池模块质量大，因此蓄电池安装于东/西板的力学条件要优于背地板安装。除考虑力学条件外，蓄电池构型布局还应兼顾以下几方面需求：

1)蓄电池布局应遵循舱内设备布局空间容积率最大化原则，蓄电池组安装在卫星东/西板外表面比安装在内表面更利于舱内空间腾退；

2)兼顾东/西板外表面天线布局空间需要，为天线布局预留更多空间，蓄电池组件应尽可能靠近背地板(-Z向)布局；

3)蓄电池组质量大，其布局应尽可能靠近背地板(-Z向)以降低整星质心高度；

4)根据GEO外热流变化规律，南/北面辐射器散热效率最高，蓄电池散热优先选用南/北辐射器；

5)兼顾蓄电池散热与结构减重，蓄电池安装板采用铝蒙皮铝蜂窝芯夹层复合材料结构面板；

6)东/西板受外热流影响温度变化剧烈，为削弱其热影响，蓄电池安装板应采用单独结构板设计，且与卫星平台本体结构隔热安装。

综合上述设计需求，锂离子蓄电池组的4个模块分别布局安装在卫星东下板、西下板外表面的+Y与-Y两侧，并在卫星南、北板的+X和-X两端外扩4块面板作为电池模块的散热辐射器，如图1所示。位于东下板+Y和-Y两侧的电池模块构成东蓄电池组件，位于西下板+Y和-Y两侧的电池模块构成西蓄电池组件。

与南北板相比，东西板内表面设备布局较少，增大了结构优化设计的灵活度，因此蓄电池组件东西外挂可采用2块隔板承力结构形式、南北内挂一般采用1块隔板承力结构形式，具体安装状态示意如图2所示，建立两种构型的力学模型，为准确模拟蓄电池安装板的力学边界，力学建模时创建与蓄电池安装板相连接的结构板模型，并在结构板远离蓄电池安装板的边界施加固定约束，模拟卫星飞行载荷纵向极限、横向极限条件下安装板结构准静态力学分析，对比蓄电池组件两种安装状态对其安装板的力学性能影响。两种构型在最大应力发生工况下的铝蒙皮应力分布如图3所示，最大应力值如表1所示。由表1可知，东西外挂构型中电池板铝蒙皮最大应力约30.4 MPa，而南北内挂构型中电池板铝蒙皮最大应力约70.8 MPa，2组结果均小于铝合金材料屈服极限(260 MPa)，因此两种构型均能满足整星结构力学性能要求。如若东西板结构构型受到舱内布局限制，迫使蓄电池组件东西外挂采用1块隔板承力结构，其结构力学性能则与南北内挂相当。综合各工况分析结果，对电池板而言，东西外挂构型的力学性能优于或等同于南北内挂构型。

与蓄电池舱内布局不同，东西外挂构型将对星外其他设备布局带来约束。因而整星布局时，应考虑相互影响和兼容设计，譬如与东西面天线布局相容、不遮挡背地面敏感器视场、避免推力器羽流影响等。此外，蓄电池安装在舱外，还应考虑电池单体耐辐照等空间环境适应性设计问题。

表1 蓄电池安装板铝蒙皮最大应力Table 1 Maximum stress values of the Lithium-ion battery mounting panel skin with aluminum material MPa

3 热控影响分析

3.1 蓄电池结构热控一体化设计

与蓄电池安装在服务舱南、北板内表面相比，锂离子蓄电池安装在服务舱东/西板外表面可与舱内设备热解耦，有利于蓄电池组件结构热控一体化结构集成设计：采用U型热管将蓄电池组件安装的结构板、南(+Y)辐射器和北(-Y)辐射器三者实现热耦合，即U型热管的平行段(Y向)预埋在蓄电池模块安装结构板内，两端垂直段(X向)分别外贴在南、北辐射器内表面(背向冷黑空间)，与辐射器预埋热管(Z向)构成正交热管网络。以东蓄电池组件为例，其结构热控一体化结构如图4所示。

如图4所示，锂离子蓄电池组件结构热控一体化设计具有显著优势：1)组成蓄电池组件的2个电池模块安装在同一块结构板上，蓄电池单体下方的结构板内预埋热管，热管具有等温传热的特性，保证了蓄电池组件各组成单体间的等温化，并将单体发热量及外热流及时传输到南、北辐射器向冷黑空间散热；2)能够实现热管网络南北热耦合，由于GEO卫星南、北辐射器不同时照射太阳辐射热流，因此可提高辐射器单位散热能力，节省散热面积约50%。

3.2 热设计分析预算

如前文所述蓄电池热控措施，下文对辐射器散热面积、加热功率等热设计关键参数进行分析预算：

1)每个蓄电池模块的辐射器(南或北)OSR散热面积为0.075 m2(4块，共0.3 m2)，除辐射器OSR散热面外，其他表面均包覆多层隔热组件；

2)每个蓄电池模块加热功率为30 W(4路，共120 W)，光照期蓄电池搁置模式自动控温阈值[0℃，2℃]，地影期蓄电池放电模式自动控温阈值[10℃，12℃]。

蓄电池安装在星外，所受东(+X)、西(-X)、对地(+Z)与背地(-Z)外热流交替变化，冬至和夏至时南、北辐射器受照太阳辐射热流分别达到最大。经分析计算，15年寿命末期，经多层隔热组件传递给蓄电池的瞬时外热流峰值最大约11.5 W/模块，末期冬至南辐射器外热流最大约12 W/块(OSR太阳吸收比按0.285取值)。蓄电池模块和安装结构板之间涂抹导热填料减小热阻，单体至结构板的热阻约0.73 ℃/W(试验实测)，热管传热温差不大于1℃(实测)。

按照上述热设计参数与边界条件，结合GEO卫星全寿命期在轨极端高、低温工况进行热分析预算。

3.2.1 加热功率预算

寿命初期分点地影放电前，忽略全部外热流且蓄电池不发热，在此极端低温工况，控制辐射器温度达到10℃所需最小加热功率是蓄电池模块加热器功率设计的最小值。忽略冷黑空间热辐射，建立该工况的蓄电池模块热平衡方程：

式中：Qh，10为辐射器温度控制10℃时蓄电池模块加热功率；Qr，10为辐射器温度控制10℃时向冷黑空间辐射热流；Ar为辐射器散热面积；ε为辐射器红外发射率；σ为玻尔兹曼常数；Tr为辐射器温度。

当蓄电池模块(单体数量：30个)加热功率为21.6 W时，单体温度：

式中：Tc为蓄电池单体温度；ΔThp为热管最大传热温差；Rc为蓄电池单体与安装结构板之间热阻；Qh为蓄电池模块加热功率。

根据上述极端低温工况时蓄电池模块加热功率预算结果，当蓄电池加热功率30 W/模块时，足已满足地影期蓄电池温度控制10℃以上的要求，且加热功率仍有30%以上的设计余量。

3.2.2 散热面积预算

辐射器散热面积针对2种极端高温工况进行预算：1)寿命末期冬至全日照，南(+Y)辐射器受太阳辐照最大外热流(光照角23.5°)，经多层传输给电池模块的外热流按峰值(11.5 W/模块)考虑，电池搁置发热133 mW/模块，电池出现高温；2)寿命末期分点72 min最长地影期，蓄电池以最大电流放电，发热量150 W/模块，电池温度骤升，放电结束温度达到瞬时最高。

(1)极端高温工况1)

忽略冷黑空间热辐射，自控加热器禁止情况下，建立极端高温工况1)的蓄电池组件热平衡方程：

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

式中：Qr为辐射器向冷黑空间辐射热流；Qu，d为全日照蓄电池模块搁置发热量；Qu，m为经多层传输给电池模块的外热流；Qr，s为南(+Y)辐射器太阳辐照热流。

进而，推导计算求得辐射器温度：

-4°C

当蓄电池模块(单体数量：30个)发热量为133 mW，自控加热器禁止时，单体温度：

上述计算结果表明，当南、北辐射器散热面积各为0.075 m2时，电池模块加热功能禁止的情况下，蓄电池温度约-3℃，满足-5～+15℃温控要求，辐射器散热面积足已满足散热需求。

(2)极端高温工况2)

极端高温工况2)下，进地影放电前由蓄电池模块加热器控温保持辐射器温度10℃(单体约11.5℃)，假定放电期间辐射器温度保持10℃恒定不变，忽略冷黑空间热辐射，建立72 min地影放电结束时刻蓄电池模块的能量守恒方程：

MuCP,uΔTdis,72=(Qu,dis-Qr,10)t

式中：Mu为蓄电池模块质量；CP，u为蓄电池模块比热容；ΔTdis，72为72 min地影放电结束蓄电池模块平均温升；Qu，dis为蓄电池模块放电发热流量；t为放电时间。

进而，推导计算求得72 min地影放电结束时刻蓄电池模块平均温升：

因上述计算中忽略了蓄电池放电期间辐射器温升引起散热能力变大的影响，由此计算得出放电结束时刻的蓄电池模块平均温升要高于实际温升，由此推算，末期分点地影期72 min最长放电结束时，蓄电池单体瞬时最高温度不会超过23.4℃(放电前初始温度约11.5℃)，远低于工作温度上限，辐射器散热面积足已满足散热需求。

综上所述，对全寿命期内锂电池所经历极端高、低温工况的热分析预算表明135 A·h锂离子电池组热控加热功率、散热面积均能较好地符合相应温控指标要求，且有适度的设计余量。

3.3 热控影响比较

基于设置的卫星平台135 A·h锂离子蓄电池组(共4个模块)，对采用东/西板外挂安装与服务舱南/北板内挂安装两种构型布局方案的热控设计进行比较，热设计主要技术指标对比情况详见表2。

表2 135 A·h锂离子蓄电池组构型布局对热控设计影响Table 2 Impact of the 135 A·h Lithium-ion battery configuration on thermal control design

注：质量仅为热管、散热面与多层隔热组件的统计质量(不含加热器和测温元件)。

由表2比对可知，与服务舱内南/北板安装锂电池方案相比而言，东/西板外挂安装不仅能腾出舱内大量设备布局空间，而且所耗费的热控设计资源更加节省，所需的加热功率与辐射器散热面积仅是前者的30%，其中加热功率节省280 W，辐射器散热面积节省0.64 m2，热控质量降低约1 kg。由此可见，东/西板外挂安装锂电池的构型布局方案更具优势，是提升卫星平台总体设计能力和降本增效的有效途径之一。

4 研制流程影响分析

东/西板外挂安装蓄电池易实现蓄电池组件结构热控一体化集成设计。其优势在于，该部分抽屉式的蓄电池多功能结构模块构型布局，在卫星总装过程中，其是否存在对卫星力学性能影响可忽略，与整星研制工作流程基本解耦，所有的蓄电池组件与卫星相关的电气、热控、结构、装配等相关设计与工程实施，均可集成于蓄电池组件单机产品研制过程中或在卫星研制的辅线流程进行。完成全部工程实施后，打包成独立的蓄电池舱，形成涵盖结构、热控、电气设计的蓄电池多功能结构模块后，再将该模块在卫星本体上进行最终的机械连接和电插接。这种蓄电池多功能结构模块化研制模式，可大量减少上星操作环节及工作量，进一步简化了与整星之间的接口，缩短了卫星研制主线时间。

另外，由于蓄电池舱外挂安装在东/西板，位于卫星本体外表面，这样的构型布局方案为卫星总装及工厂测试操作提供了便利条件，如电测、外观检查、维修、发射前更换电池工艺件等环节，可避免多次拆、合舱板，基本规避了舱内安装蓄电池组件带来的工程实施不足。

综上所述，与服务舱内安装蓄电池构型相比，东/西板外挂安装蓄电池构型易于实现模块化高度集成设计，简化与卫星平台接口关系，不占卫星总装流程主线，工程实施条件更加便利，有助提高卫星研制工程实施效能。

5 结束语

随用户对卫星有效载荷使用数量与日俱增，要求卫星平台提供更多的设备布局容纳空间。通过优化卫星平台蓄电池组外挂东/西板构型布局设计，腾退舱内设备布局空间，是解决有效载荷布局空间扩增需求所付出代价最小的技术手段之一，该技术手段已在Alphabus平台[9]、E3000平台的NIMIQ-4卫星上成功实施。本文针对GEO卫星平台蓄电池普遍采用服务舱南/北板内挂安装的构型布局现状，以135 A·h锂离子电池组为例，分析了GEO卫星平台东/西板外挂安装锂电池构型布局的可行性及其影响，分析预算表明：东/西板外挂安装锂电池构型布局合理可行且更具优势，可有效腾退舱内设备布局空间，力、热设计得到明显改善，热设计资源节省尤为突出，加热功率和散热面积仅是南/北板内挂安装热设计所耗资源的30%。东/西板外挂安装锂电池构型布局方案，不仅能显著降低平台能耗，而且益于实现集结构、热控、电气一体的高度集成的蓄电池多功能结构模块化设计，简化与卫星平台接口关联，优化卫星研制总装流程，使卫星研制工程实施效能得到切实提高。

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