張文佳 張曉峰 劉治鋼

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094)

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基于COTS單體的鋰離子蓄電池組在空間的應(yīng)用

張文佳 張曉峰 劉治鋼

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094)

調(diào)研了基于商業(yè)現(xiàn)貨(Commercial off-the-shelf,COTS)單體的鋰離子蓄電池組在空間應(yīng)用中的發(fā)展歷程和使用現(xiàn)狀，從電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、防短路和防開路設(shè)計(jì)、均衡管理策略、充放電控制以及機(jī)、熱設(shè)計(jì)的角度，對(duì)比了COTS單體蓄電池組與空間專用電池組的差別，分析得出了基于COTS單體的鋰離子電池組的技術(shù)特點(diǎn)；歸納了基于COTS單體的蓄電池組應(yīng)用于空間會(huì)帶來的影響，并梳理出研制和建造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和成功經(jīng)驗(yàn)。

COTS單體；鋰離子電池組；空間應(yīng)用；發(fā)展歷程；技術(shù)特點(diǎn)

1 引言

國(guó)際上從1995年起開始航天器鋰離子蓄電池組的研制[1]，經(jīng)過近20年的研究，具有比能量高、充放電效率高、自放電率低、無記憶效應(yīng)、高輸出電壓、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池，已經(jīng)在眾多空間任務(wù)中取代鎘鎳蓄電池組和氫鎳蓄電池組，成為第三代空間儲(chǔ)能裝置。2000年11月英國(guó)在空間技術(shù)研究衛(wèi)星-1d(STRV-1d)上首先采用鋰離子蓄電池組，至今鋰離子蓄電池組的空間應(yīng)用已經(jīng)超過14年，大約有200顆衛(wèi)星的飛行經(jīng)歷，廣泛應(yīng)用于各種地球軌道以及深空探測(cè)的飛行任務(wù)中[2-3]。

國(guó)外空間應(yīng)用的鋰離子蓄電池組，按照使用單體的不同，可以分為2類，基于空間專用電池單體的蓄電池組和基于商業(yè)現(xiàn)貨(Commercial off-the-shelf，COTS)單體的蓄電池組，其中后者的空間應(yīng)用要先于前者?？臻g專用電池是指專門為空間任務(wù)和環(huán)境研制的宇航級(jí)電池產(chǎn)品，如法國(guó)的SAFT公司、美國(guó)的Yardney公司、中國(guó)的上海811所和中電18所等供應(yīng)商均能提供空間專用電池。而COTS電池是指可以在市場(chǎng)上采購(gòu)的商業(yè)級(jí)量產(chǎn)電池產(chǎn)品。目前空間應(yīng)用的基于COTS單體的鋰離子蓄電池組大部分是由Sony公司20世紀(jì)90年代定型的18650HC單體組成[4]。18650是COTS電池中的一種常見型號(hào)，特指尺寸為直徑18 mm、高65 mm的圓柱形電池，Sony18650HC單體額定容量1.5 Ah，工作電壓為2.5～4.2 V，容量密度為130 Wh/kg，材料體系為正極鈷酸鋰/負(fù)極硬碳。由這種單體組成的蓄電池組形成的“小單體電池組”(small cell battery)，成為空間蓄電池組的一種獨(dú)特而廣泛應(yīng)用的技術(shù)路線。截至2013年，已經(jīng)有超過100顆航天器采用了這種基于COTS單體的鋰離子電池組[5-6]，占全部空間鋰離子蓄電池組的約50%，特別是LEO軌道航天器中的應(yīng)用數(shù)量遠(yuǎn)超基于空間專用單體蓄電池組的應(yīng)用數(shù)量[3]。

本文對(duì)國(guó)外的這種廣泛應(yīng)用的基于COTS單體的鋰離子電池組技術(shù)進(jìn)行了研究，包括應(yīng)用現(xiàn)狀、使用特性以及設(shè)計(jì)和使用過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

2 基于COTS單體的鋰離子電池組技術(shù)的空間應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷程

在鋰離子電池組應(yīng)用于空間領(lǐng)域的十多年過程中，基于COTS單體的鋰離子電池組貫穿始終，推動(dòng)了空間電池的發(fā)展。

2000年，STRV-1d作為第一個(gè)使用鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的航天器，使用的就是COTS單體6串6并形成電池組，但發(fā)射后因非電池原因，任務(wù)失敗。2001年，歐洲在軌自主計(jì)劃演示衛(wèi)星(Proba)同樣使用了COTS單體6串6并形成電池組，在軌運(yùn)行超過10年，且性能良好，成為目前在軌壽命最長(zhǎng)的鋰離子蓄電池組[5]。同期，COTS電池完成了1500萬單體小時(shí)的地面壽命測(cè)試[2]，到這個(gè)階段，已經(jīng)有了充足的數(shù)據(jù)(包括不同溫度、不同放電深度和充電倍率)，建立了對(duì)電池性能和壽命的預(yù)測(cè)模型和軟件工具。

2003年—2006年，經(jīng)歷過飛行驗(yàn)證和大量地面試驗(yàn)的基于COTS單體的鋰離子蓄電池組正式成為深空探測(cè)器的儲(chǔ)能電源，前后在火星快車(Mars Express)、羅塞塔(Rosetta)和金星快車(Venus Express)上得到應(yīng)用。

隨著對(duì)基于COTS單體的鋰離子蓄電池組的深入研究和考核，這種蓄電池組被認(rèn)為可以在LEO任務(wù)中有更大規(guī)模和更長(zhǎng)壽命的應(yīng)用，如設(shè)計(jì)容量達(dá)到336 Ah的地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座(COSMO-Skymed)[7-8]，設(shè)計(jì)壽命為10年的合成孔徑雷達(dá)放大鏡衛(wèi)星(SAR-Lupe)星座系列，以及設(shè)計(jì)壽命為12年的哨兵-1(Sentinel-1)和哨兵-3(Sentinel-3)衛(wèi)星[2]。

除了LEO軌道的大量應(yīng)用，在更高的MEO、GEO軌道上，也逐漸開啟了基于COTS單體的電池組的應(yīng)用。2005年發(fā)射的伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)的試驗(yàn)衛(wèi)星GIOVE-A使用了9串10并的15 Ah鋰離子電池組，同步研制發(fā)射的GIOVE-B使用了以法國(guó)SAFT公司的空間專用單體蓄電池組，COTS單體表現(xiàn)出了與空間專用電池同等優(yōu)異的性能。2008年NASA發(fā)射的太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)(SDO)更是突破性地將COTS單體的使用擴(kuò)展到了設(shè)計(jì)壽命為10年的GEO任務(wù)，電池組規(guī)模擴(kuò)展到了8串104并的150 Ah，并且為了減小電池組的底板占用面積，專門設(shè)計(jì)為3層式結(jié)構(gòu)。

21世紀(jì)初，在鋰離子電池這項(xiàng)技術(shù)的空間應(yīng)用中，ESA一直作為領(lǐng)跑和主要推動(dòng)者，自2001年P(guān)roba的技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)取得成功后，ESA主導(dǎo)的任務(wù)大部分都使用了鋰離子蓄電池組，并且其中LEO和深空探測(cè)的大部分任務(wù)首選都是這種基于COTS單體的鋰離子蓄電池組。

NASA緊隨其后，對(duì)鋰離子電池的使用始于2006年的空間技術(shù)-5(ST-5)衛(wèi)星的技術(shù)驗(yàn)證，這個(gè)僅為3個(gè)月的短期任務(wù)中使用的也是基于COTS單體的鋰離子蓄電池組，并由此開啟了NASA使用鋰離子電池之路。緊隨其后的特彌斯星座(THEMIS)、太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)(SDO)和月球勘測(cè)軌道器(LRO)等一系列任務(wù)均選擇了基于COTS單體的鋰離子電池組。另外NASA還開啟了一項(xiàng)長(zhǎng)壽命鋰離子蓄電池組(Long-Life Battery，LLB)的專項(xiàng)研究，用于置換太空行走使用的宇航服(EMU)和輔助移動(dòng)設(shè)備中的銀鋅電池，其中使用的也是基于COTS單體的鋰離子蓄電池組。

除此之外，印度的月球探測(cè)器——月船(Chandryaan)也使用基于COTS單體的鋰離子蓄電池組，韓國(guó)、南非、阿根廷、巴西和沙特都有項(xiàng)目使用基于COTS單體的鋰離子電池組[2]。

可以看到，國(guó)外在試驗(yàn)和應(yīng)用COTS電池的過程中沿續(xù)的是“小衛(wèi)星技術(shù)驗(yàn)證”→“深空或短期任務(wù)”→“3年LEO中型任務(wù)”→“長(zhǎng)壽命GEO/MEO任務(wù)”和“長(zhǎng)壽命LEO大型任務(wù)”的發(fā)展路線，在此過程中借助空間需求和技術(shù)進(jìn)步帶動(dòng)COTS電池組產(chǎn)品的可靠性和安全性的不斷提升。

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

由于近年來鋰離子電池技術(shù)快速的發(fā)展，新研制的單體不論從性能容量、還是從可靠性安全性方面都有很大提升，選擇新的先進(jìn)COTS單體應(yīng)用于空間勢(shì)在必行。ESA從2007年開始啟動(dòng)了一輪“技術(shù)觀察”(Technology Watch)項(xiàng)目，至今已經(jīng)測(cè)評(píng)了近200個(gè)COTS單體并從中選擇可以用于航天電池組的產(chǎn)品，是目前最大規(guī)模的空間電池技術(shù)評(píng)測(cè)項(xiàng)目。NASA的約翰遜航天中心(JSC)在2013年的電池研討會(huì)(Battery Workshop)中也報(bào)道了對(duì)當(dāng)前最先進(jìn)的COTS鋰離子電池的性能和安全性評(píng)測(cè)的結(jié)果[10]。新興熱點(diǎn)微小衛(wèi)星的儲(chǔ)能電池嘗試了使用LG、三洋等公司的COTS單體[11-12]，并嘗試建立COTS電池的空間標(biāo)準(zhǔn)[11]。

COTS單體，特別是18650單體，通過多年的在軌運(yùn)行，已經(jīng)在空間應(yīng)用方面表現(xiàn)出了與傳統(tǒng)的空間專用電池同樣的優(yōu)良性能，并且可以看到更多種類的COTS單體應(yīng)用在更多類型的空間任務(wù)中，越來越多地優(yōu)先考慮使用基于COTS單體的鋰離子蓄電池組，這些都跟基于COTS單體電池組靈活、便捷和高可靠性特點(diǎn)息息相關(guān)。以下章節(jié)將對(duì)基于COTS單體電池組的應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)和對(duì)整星的影響分析進(jìn)行全面的介紹。

3 基于COTS單體的鋰離子電池組應(yīng)用特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的空間專用電池相比，基于COTS單體的鋰離子電池組有著很多不同，包括電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防開路設(shè)計(jì)、防短路設(shè)計(jì)、均衡管理策略、熱控設(shè)計(jì)、可靠性安全性等多個(gè)方面。本節(jié)將重點(diǎn)圍繞基于COTS單體的鋰離子電池組與傳統(tǒng)的空間專用電池組[9]的不同點(diǎn)展開分析，全面介紹基于COTS單體的鋰離子電池組的應(yīng)用特點(diǎn)。

3.1 電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的空間專用電池組采用串聯(lián)或先并后串的電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，即先通過單體之間的并聯(lián)形成所需要電池容量的單元模塊，在通過單元模塊之間的串聯(lián)得到所需要的工作電壓，每一個(gè)單元模塊中所有電池的端電壓是一致的。由于傳統(tǒng)的空間專用電池單體的容量較大，標(biāo)稱容量從10～50 Ah不等，經(jīng)過先串后并之后的電池組規(guī)模一般在數(shù)十到上百只單體。

基于COTS單體的電池組采用了先串后并的電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，即先通過單體之間的串聯(lián)形成所需要的工作電壓，然后通過電池串之間的大規(guī)模并聯(lián)，形成所需要的電池組容量，所有電池串的容量是一致的。形成的這種“電池陣列”結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)電池陣的結(jié)構(gòu)非常類似。由于目前使用的COTS電池標(biāo)稱容量?jī)H為1.5 Ah，因此這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的電池組規(guī)模往往需要數(shù)百、甚至上千只單體。

圖1 傳統(tǒng)空間專用鋰離子電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of a typical space special Li-ion battery

圖2 基于COTS單體的鋰離子電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of a COTS-cell Li-ion battery

3.2 防短路設(shè)計(jì)

短路是電池的故障模式之一，會(huì)引起電池容量的損失和電池組電壓的變化，鎘鎳、氫鎳電池會(huì)通過并聯(lián)二極管防止電池短路帶來的電壓變化。而對(duì)于鋰離子電池，短路除了引起上述變化，還會(huì)帶來很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。電池發(fā)生短路，會(huì)導(dǎo)致電池短時(shí)間大量放電，伴隨大量的熱和電池的過放電，極易引發(fā)燃燒甚至爆炸。

短路可以分為外短路和內(nèi)短路兩種。其中外短路是指在電池外部電路出現(xiàn)短路，防止外短路的發(fā)生，需要通過電池組件設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中的安全間距、多余物控制以及絕緣措施進(jìn)行防護(hù)，并在設(shè)備端設(shè)置過流保護(hù)電路，防止電池內(nèi)部能量濫用泄放而引發(fā)故障甚至事故。外短路相對(duì)于內(nèi)短路，尚屬可控風(fēng)險(xiǎn)，內(nèi)短路作為一種鋰離子電池特殊的失效模式，發(fā)生在電池內(nèi)部，由極片的缺陷導(dǎo)致金屬刺穿隔膜形成內(nèi)部短路通道而形成，其發(fā)生具有一定的隨機(jī)性，很難在研制和使用階段進(jìn)行控制，成為當(dāng)前鋰離子電池應(yīng)用中最大的安全性隱患之一。

對(duì)于短路風(fēng)險(xiǎn)，空間專用電池組和COTS單體電池組都采用了嚴(yán)格的絕緣措施，用于防止外短路的發(fā)生。在COTS單體電池組中，由于COTS單體中內(nèi)部特別增加了熔斷設(shè)計(jì)，當(dāng)單體發(fā)生短路，內(nèi)部電流或溫度達(dá)到限定范圍時(shí)，熔斷絲熔斷，故障單體斷開形成開路，能夠防止故障向其他單體和整個(gè)電池組擴(kuò)散。

3.3 防開路設(shè)計(jì)

空間電池因?yàn)榇嬖陔娊庖盒孤兜娘L(fēng)險(xiǎn)，而可能出現(xiàn)開路失效的故障模式。對(duì)于傳統(tǒng)的先并后串結(jié)構(gòu)的鋰離子電池組，某一單體的開路不會(huì)引起電池組的失效，但會(huì)引起所在并聯(lián)模塊中其他單體放電電流增大、放電深度加深等情況。因此在并聯(lián)模塊上配置了一個(gè)旁路(Bypass)裝置，在出現(xiàn)單體開路或單體性能異常衰減時(shí)，將出現(xiàn)異常的并聯(lián)模塊整體旁路。對(duì)于電池組而言，旁路裝置的動(dòng)作會(huì)帶來電池組工作電壓的下降，以及相應(yīng)的管理控制策略的調(diào)整。

水下混凝土配合比需要結(jié)合理論計(jì)算以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)前混凝土實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度要高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，實(shí)際坍落度需要控制在18～20cm之間，水灰比控制在0.5～0.6m，粗骨料可以選用礫石。目前水下混凝土輸送方式較多，比如混凝土輸送泵進(jìn)行灌注，此類技術(shù)措施在目前高速公路以及橋梁工程中應(yīng)用范圍較廣。導(dǎo)管實(shí)際分節(jié)長(zhǎng)度需要進(jìn)行控制，這樣便于后續(xù)拆卸與運(yùn)輸，對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行控制。導(dǎo)管在吊裝之前需要進(jìn)行試拼，確保接口位置連接具有良好的牢固性。

對(duì)于使用COTS單體的鋰離子電池組，單體開路會(huì)導(dǎo)致所在串聯(lián)模塊的斷路，不會(huì)引起電池組的失效，但會(huì)導(dǎo)致蓄電池組中其它電池串放電電流增加、放電深度加深。通過采取一定冗余的設(shè)計(jì)，可以保證某一串單體的開路失效的情況下，不會(huì)引發(fā)其他電池串放電深度超過設(shè)計(jì)的最大值，因此COTS單體的鋰離子電池組未專門進(jìn)行防開路設(shè)計(jì)，而是通過冗余設(shè)計(jì)保證整組電池的可靠性。如NASA研制的SDO航天器，采用了8串104并的150 Ah的蓄電池組，其中4串為冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)不超過4串電池串發(fā)生開路失效的情況下，蓄電池組仍可滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 均衡管理策略

鋰離子蓄電池組在使用過程中，單體間會(huì)逐漸發(fā)生性能的歧化，直觀表現(xiàn)為充放電過程中單體電壓差加大，整組電池的性能受到最差單體性能的限制。對(duì)于傳統(tǒng)的先并后串結(jié)構(gòu)的空間鋰離子電池組，在模塊上設(shè)置了專門的均衡電路，當(dāng)串聯(lián)的模塊間電壓出現(xiàn)電壓差時(shí)，對(duì)充電電流進(jìn)行分流，或者對(duì)電壓高的模塊進(jìn)行放電，使得串聯(lián)的各模塊間電壓保持一致。

對(duì)于使用COTS單體的鋰離子電池組，由于采用了先串后并的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如果對(duì)每一串電池都采取均衡，需要增加大量的采樣和均衡電路，并且初期這種電池組的設(shè)計(jì)壽命短，不足以產(chǎn)生明顯的歧化現(xiàn)象，因此這種電池組沒有設(shè)置均衡裝置。

另外，量產(chǎn)的COTS具有高度的一致性，在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)對(duì)COTS電池特性的研究成果，建立了串并聯(lián)仿真模型，模型計(jì)算結(jié)果認(rèn)為COTS電池也會(huì)出現(xiàn)性能的歧化，但是在單體電池的“自均衡”特性作用下，電池間性能的歧化會(huì)逐漸減慢，形成電池組單體不完全一致但相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。實(shí)際壽命試驗(yàn)和在軌運(yùn)行結(jié)果也驗(yàn)證了這種觀點(diǎn)，因此在后續(xù)使用COTS單體的鋰離子電池組設(shè)計(jì)中，也不再考慮設(shè)置均衡裝置或電路。

3.5 充電/放電控制

鋰離子蓄電池組的特性決定了電池不能過充電和過放電，在過充電和過放電這兩種濫用的情況下，電池的性能會(huì)發(fā)生不可逆的損傷甚至出現(xiàn)安全性事故。因此在蓄電池組的充放電管理方面，會(huì)控制防止過充過放。鋰離子蓄電池組的充電一般采用“恒流-恒壓”充電模式，這種充電模式可以控制蓄電池組的過充；放電會(huì)設(shè)置最低放電電壓，用于控制蓄電池組的過放。

對(duì)于傳統(tǒng)的空間鋰離子電池組和使用COTS單體的鋰離子電池組，在充電和放電的管理策略上沒有不同，但是實(shí)現(xiàn)管理的層次有差別。傳統(tǒng)的使用先并后串模式的空間蓄電池組，由于可以采集到單體的電壓，在充電和放電時(shí)，都會(huì)以單體電壓作為控制點(diǎn)。充電過程中，當(dāng)某一單體的電壓達(dá)到充電截止電壓時(shí)，整組蓄電池組轉(zhuǎn)為恒壓充電；當(dāng)放電過程中有單體電壓下降至最低放電電壓時(shí)，會(huì)發(fā)出過放電信號(hào)。

而使用COTS單體的鋰離子蓄電池組，因?yàn)椴捎孟却蟛⒌耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，不能夠采集所有單體的電壓值，因此充放電過程中，會(huì)以整組電池的電壓作為控制點(diǎn)。充電過程中，當(dāng)整組電池的電壓達(dá)到電池組充電截止電壓(單體充電截止電壓×N，N為串聯(lián)數(shù))時(shí)，整組蓄電池組轉(zhuǎn)為恒壓充電；當(dāng)放電過程中，整組電壓下降至最低放電電壓時(shí)(單體最低放電電壓×N)，發(fā)出過放電信號(hào)。考慮到COTS單體的高度一致性和“自均衡”特性，設(shè)置合適的電池組充放電電壓，可以起到限制電池單體的過充電和過放電的作用。

3.6 熱設(shè)計(jì)

溫度是影響鋰離子蓄電池組性能的重要因素，空間鋰離子蓄電池組的最佳工作溫度為10～30 ℃，過高或過低的溫度都會(huì)影響電池的壽命、可靠性及安全性。同時(shí)，溫度對(duì)電池的內(nèi)阻和自放電特性都會(huì)有較大影響，因此保持單體間溫度梯度盡量小，以及單體內(nèi)部極片電堆溫度梯度盡量小，可以很大程度上控制電池性能的歧化和電池組性能的衰減。

對(duì)于傳統(tǒng)的空間鋰離子電池組，對(duì)每一個(gè)單體或電池模塊單獨(dú)采取熱控措施，可保證蓄電池組處于要求溫度的范圍內(nèi)；對(duì)每個(gè)蓄電池模塊上安裝控溫和測(cè)溫的熱敏電阻；對(duì)電池模塊增加多層隔熱組件，以減少電池組本身與外界的熱量交換。

使用COTS單體的鋰離子蓄電池組，在溫度方面采取的措施則顯得更為簡(jiǎn)單和靈活，為了盡可能利用電池的“自均衡”特性，熱控除了控制溫度范圍外，主要需要保證串聯(lián)電池串間溫度的一致性，因此在設(shè)計(jì)中增加了對(duì)熱量沿并聯(lián)方向的定向傳導(dǎo)，如圖3所示[8]。

圖3 基于COTS單體的鋰離子蓄電池組典型熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)Fig.3 Typical thermal design of a COTS-cell Li-ion battery

由于18650小單體和空間專用電池大單體相比，比表面積(此處比表面積指單位質(zhì)量電池所具有的外表面積)更大，而電池模塊和電池組內(nèi)部的單體溫度一致性需要依賴單體間的熱量傳遞來實(shí)現(xiàn)，較小的體積和比表面積使得熱量的傳遞更快，單體間的溫度分布也更均勻。

3.7 機(jī)械設(shè)計(jì)

在機(jī)械尺寸設(shè)計(jì)方面，采用18650小單體的電池組的設(shè)計(jì)非常靈活和簡(jiǎn)單，可以根據(jù)整星結(jié)構(gòu)需要，采用單層、雙層、多層的多種設(shè)計(jì)，并且可以根據(jù)需要對(duì)電池組的并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解和組合，圖4中給出了幾種已經(jīng)應(yīng)用于空間的電池組機(jī)械設(shè)計(jì)[3]。

圖4 空間COTS單體電池組的機(jī)械設(shè)計(jì)Fig.4 Several kinds of mechanical design of COTS-cell batteries

4 空間應(yīng)用分析

在空間中應(yīng)用基于COTS單體的鋰離子蓄電池組，會(huì)引起供配電分系統(tǒng)和其他多個(gè)分系統(tǒng)接口的變化，而且因其應(yīng)用特點(diǎn)和使用范圍，也會(huì)對(duì)整星的綜合性能產(chǎn)生影響。本節(jié)結(jié)合基于COTS單體的鋰離子蓄電池組的空間應(yīng)用，與傳統(tǒng)的空間專用電池進(jìn)行比較分析，對(duì)接口和性能變化的影響進(jìn)行梳理，為采用基于COTS單體的鋰離子蓄電池組的可行性提供支撐。

4.1 機(jī)械接口分析

采用基于COTS單體的鋰離子蓄電池組后，安裝尺寸更靈活，在提供相同容量的情況下，鋰離子蓄電池組占用的投影面積可以根據(jù)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，更有利于布局設(shè)計(jì)和總裝工作。

4.2 電接口分析

遙測(cè)：空間專用鋰離子蓄電池組需要采集所有單體的電壓及溫度量；基于COTS單體的鋰離子蓄電池組則需要采集整組電池電壓及溫度量，對(duì)遙測(cè)容量需求減小。

指令：空間專用鋰離子蓄電池組需要進(jìn)行均衡、旁路(By-pass)和充放電管理，因此需要對(duì)相應(yīng)的管理措施設(shè)置指令，指令通過電源控制器和均衡管理器實(shí)現(xiàn)；基于COTS單體的鋰離子蓄電池組僅需要對(duì)充放電進(jìn)行管理，通過電源控制器實(shí)現(xiàn)，對(duì)指令數(shù)量需求減小。

4.3 熱接口分析

由于鋰離子電池的工作溫度范圍是一致的，空間專用鋰離子蓄電池組和基于COTS單體的鋰離子蓄電池組都需要對(duì)電池組本身進(jìn)行熱控，并采取與外界的隔熱；對(duì)溫度梯度的控制也均是依賴電池組內(nèi)部的熱量傳遞和交換實(shí)現(xiàn)。兩種電池組熱接口可以一致。

4.4 對(duì)整星可靠性及安全性的影響

國(guó)外基于COTS單體的鋰離子蓄電池組已經(jīng)積累了近億小時(shí)的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)(至2011年統(tǒng)計(jì))[5]，其中最大規(guī)模的電池組，設(shè)計(jì)容量達(dá)到336 Ah(COSMO-Skymed)，衛(wèi)星5年壽命的可靠性指標(biāo)超過0.999。COTS單體當(dāng)前成熟產(chǎn)品的失效率在千萬分之一量級(jí)，并且由于單體容量小，采用先串后并的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與太陽(yáng)電池陣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和可靠性計(jì)算方法類似，采用大量單體從而降低了單體故障的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)整星可靠性更加有利。

安全性方面，通過對(duì)充電、放電、溫度的控制，可以避免濫用導(dǎo)致的安全性隱患；并且COTS電池都會(huì)開展批次抽檢的過充、過放、短路、反極、爆破、穿刺、擠壓等安全性試驗(yàn)，符合安全性使用要求的電池才能夠進(jìn)入市場(chǎng)；電池設(shè)計(jì)過程中對(duì)電池進(jìn)行分區(qū)隔離，能夠有效控制安全性故障的擴(kuò)散。此外，在運(yùn)輸和使用過程中嚴(yán)格按照規(guī)范要求操作，也是對(duì)安全性的有效保障。

4.5 對(duì)航天經(jīng)濟(jì)效益的影響

典型的空間專用電池的生產(chǎn)周期需要9至12個(gè)月，價(jià)格約合500美元/Ah，國(guó)產(chǎn)空間電池使用的是鈷酸鋰的二元體系，能量密度不超過150 Wh/kg。而目前，在COTS鋰離子單體電池中，以最常見的18650電池為例，單條全自動(dòng)生產(chǎn)線產(chǎn)量可達(dá)到10只/s，價(jià)格經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)節(jié)已經(jīng)降至約1美元/Ah，先進(jìn)產(chǎn)品采用三元體系能量密度可以達(dá)到200 Wh/kg以上。

COTS單體研制可應(yīng)用于航天器的低成本、高可靠空間電池組，既能滿足短周期、快響應(yīng)、低成本的工程需求，還能夠使工業(yè)成熟產(chǎn)品空間應(yīng)用的研制周期縮短、測(cè)試和應(yīng)用成本降低，較少領(lǐng)域性的重復(fù)研究。COTS單體的應(yīng)用對(duì)航天器的整個(gè)研制周期的經(jīng)濟(jì)性和效率都能夠有很大貢獻(xiàn)。

5 基于COTS單體的鋰離子電池組關(guān)鍵環(huán)節(jié)和啟示

基于COTS單體的鋰離子電池組的空間應(yīng)用取得了廣泛的成功，大量地面試驗(yàn)和在軌數(shù)據(jù)，帶來了對(duì)電池單體性能的深刻理解和對(duì)電池組技術(shù)的細(xì)致研究。通過對(duì)基于COTS單體的鋰離子電池組的技術(shù)特點(diǎn)的分析，可以看出這是完全基于單體性能的電池組技術(shù)路線，因此在研制的過程中對(duì)單體生產(chǎn)過程和質(zhì)量控制需要有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。通過總結(jié)以往的成功經(jīng)驗(yàn)，小單體鋰離子電池組的關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要圍繞著單體及其試驗(yàn)，應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：

1)選擇合適的單體

單體的高度一致性至關(guān)重要，即使對(duì)性能不一致的單體進(jìn)行篩選和分級(jí)，也很難達(dá)到與使用一致性良好的單體同樣的試驗(yàn)結(jié)果。因此需要建立單體一致性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，作為COTS單體選型的重要依據(jù)。

2)與單體供應(yīng)商保持密切溝通

對(duì)單體生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，確保不同批次的單體仍然具有很好的一致性。對(duì)定型單體，對(duì)生產(chǎn)過程的微小變化也必須非常謹(jǐn)慎，因?yàn)閱误w性能的很小變化也可能導(dǎo)致地面試驗(yàn)結(jié)果的價(jià)值降低。

3)全面覆蓋的單體篩選和批次接收試驗(yàn)

所有的單體經(jīng)過至少兩次篩選，分別在接收前和使用前；對(duì)每批次產(chǎn)品需要由驗(yàn)收方進(jìn)行批次接收試驗(yàn)以確認(rèn)建造規(guī)范的落實(shí)情況。雖然這些關(guān)鍵流程會(huì)大幅度提高最終產(chǎn)品的成本，但確實(shí)能夠有效控制產(chǎn)品質(zhì)量。

4)進(jìn)行大量的地面試驗(yàn)

COTS單體電池已經(jīng)通過規(guī)?；a(chǎn)降低了成本，可以通過少量的啟動(dòng)資金支持單體和電池組的地面試驗(yàn)，特別是壽命試驗(yàn)。但即使是這樣，往往在經(jīng)過大量試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析之后，也僅能夠獲得對(duì)電池和電池組最基本的理解，例如電池的“自均衡”特性，因此地面試驗(yàn)總的來說仍然花費(fèi)不菲。

6 結(jié)束語

采用COTS單體電池組的這種模式，有助于將最新的商業(yè)技術(shù)快速地應(yīng)用到空間項(xiàng)目中。在過去，這種模式加快了鋰離子蓄電池組這項(xiàng)技術(shù)的空間應(yīng)用進(jìn)程。在未來，隨著中小衛(wèi)星數(shù)量的增加，使用基于COTS單體的鋰離子蓄電池組的簡(jiǎn)單、靈活特點(diǎn)能夠很好地適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，采用COTS單體鋰離子電池組標(biāo)準(zhǔn)組件的快速組裝，也能夠滿足一些快速響應(yīng)的特殊空間需求。

我國(guó)在鋰離子電池的產(chǎn)量、技術(shù)和品質(zhì)方面都已經(jīng)躍居世界前列，但是民用領(lǐng)域的成熟先進(jìn)技術(shù)沒能夠廣泛快速地應(yīng)用于空間領(lǐng)域。我國(guó)空間電源的設(shè)計(jì)師們可以充分借鑒國(guó)外在COTS單體電池組發(fā)展和應(yīng)用方面的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)COTS電池的評(píng)測(cè)，逐步加深對(duì)鋰離子電池性能的理解，以及改善電池組產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步開拓國(guó)產(chǎn)先進(jìn)COTS電池的空間應(yīng)用，最終摸索出一條將先進(jìn)商業(yè)技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用的有效途徑。

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(編輯：張小琳)

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

張文佳，女，碩士，工程師，從事航天器供配電設(shè)計(jì)工作。E-mail:wendyzh85@163.com。

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.018