GEO衛(wèi)星平臺(tái)東西板外掛鋰電池構(gòu)型布局影響分析

，，

中國空間技術(shù)研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京100094

國內(nèi)外地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星電源系統(tǒng)大部分是基于太陽電池陣/蓄電池組架構(gòu)的電源系統(tǒng)，隨著技術(shù)更新?lián)Q代，蓄電池發(fā)展經(jīng)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(tǒng)航天器儲(chǔ)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(zhì)量小、充發(fā)電效率高，以及自放電率低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，應(yīng)用在空間領(lǐng)域可以大大降低航天器的質(zhì)量與發(fā)射成本、增大有效載荷比重[2-3]、延長衛(wèi)星在軌服務(wù)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(chǔ)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(tái)、泰雷茲(TAS)公司SB4000平臺(tái)等百余顆衛(wèi)星采用鋰離子蓄電池作為儲(chǔ)能電源[5]，鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)在航天器上的應(yīng)用已覆蓋低軌衛(wèi)星、GEO衛(wèi)星、深空探測等領(lǐng)域[2，4]。

目前中國GEO長壽命衛(wèi)星主要使用氫鎳電池[6]，但隨著載荷功率需求提高及平臺(tái)升級(jí)換代，采用高比能量的鋰離子電池是必然趨勢[2-3]。GEO衛(wèi)星平臺(tái)蓄電池組件通常采用服務(wù)艙南、北板內(nèi)表面安裝的構(gòu)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(zhì)量較大而造成艙內(nèi)布局空間緊張；2)蓄電池與常規(guī)電子設(shè)備工作溫度范圍不兼容，勢必造成熱設(shè)計(jì)資源耗費(fèi)。在衛(wèi)星平臺(tái)布局空間緊缺的情況下，為規(guī)避上述弊端，提出蓄電池安裝在服務(wù)艙東、西板或背地板的構(gòu)型布局方案，以此騰出更多的南、北板空間來擴(kuò)增設(shè)備布局或有效縮短服務(wù)艙高度，對(duì)降低衛(wèi)星質(zhì)心高度或擴(kuò)增設(shè)備布局大有益處。蓄電池由艙內(nèi)到艙外的構(gòu)型布局變化必將帶來設(shè)計(jì)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(duì)GEO衛(wèi)星平臺(tái)東/西板外掛安裝鋰電池構(gòu)型布局影響進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)GEO衛(wèi)星平臺(tái)東/西板外掛鋰電池構(gòu)型布局的可行性與應(yīng)用效能。

1 鋰離子蓄電池

設(shè)置一顆衛(wèi)星蓄電池組選用法國SAFT公司的VES系列鋰離子電池，平臺(tái)配置2組蓄電池組件，每個(gè)組件由2個(gè)電池模塊組成，每模塊(共4個(gè))又由30個(gè)45A·h的單體組成，通過4個(gè)3并10串的電池模塊構(gòu)成135A·h鋰離子電池組。鋰離子電池模塊體積較大，質(zhì)量大約50 kg/模塊。鋰離子蓄電池工作溫度要求與發(fā)熱特性：地影期間，溫度要求10～30℃，放電發(fā)熱量150 W/模塊，充電發(fā)熱量7 W/模塊；全日照擱置期間，溫度要求-5～15℃，發(fā)熱量133 mW/模塊(短時(shí)均衡處理時(shí)18 W/模塊)。鋰離子電池組對(duì)溫度均勻性有嚴(yán)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(duì)工作溫度范圍與均勻性有嚴(yán)格要求，需采取熱控措施將溫度控制在安全溫度范圍內(nèi)，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(wèi)星鋰離子電池?zé)峥卮胧┡c其他蓄電池相同，主要采取主動(dòng)加熱控溫、光學(xué)太陽反射鏡(Optical Solar Reflector，OSR)散熱輻射器等措施[3、8]。

2 構(gòu)型及力學(xué)分析

鋰離子蓄電池安裝在衛(wèi)星平臺(tái)服務(wù)艙東西板或背地板，同樣都能達(dá)到騰出服務(wù)艙南、北板設(shè)備布局空間的目的，但二者布局方案本質(zhì)區(qū)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(nèi)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(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)板采用蒙皮+鋁蜂窩芯夾層的復(fù)合材料，該結(jié)構(gòu)面板承受面內(nèi)力的能力強(qiáng)于面外力，再加上蓄電池模塊質(zhì)量大，因此蓄電池安裝于東/西板的力學(xué)條件要優(yōu)于背地板安裝。除考慮力學(xué)條件外，蓄電池構(gòu)型布局還應(yīng)兼顧以下幾方面需求：

1)蓄電池布局應(yīng)遵循艙內(nèi)設(shè)備布局空間容積率最大化原則，蓄電池組安裝在衛(wèi)星東/西板外表面比安裝在內(nèi)表面更利于艙內(nèi)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(yù)留更多空間，蓄電池組件應(yīng)盡可能靠近背地板(-Z向)布局；

3)蓄電池組質(zhì)量大，其布局應(yīng)盡可能靠近背地板(-Z向)以降低整星質(zhì)心高度；

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

5)兼顧蓄電池散熱與結(jié)構(gòu)減重，蓄電池安裝板采用鋁蒙皮鋁蜂窩芯夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(yīng)采用單獨(dú)結(jié)構(gòu)板設(shè)計(jì)，且與衛(wèi)星平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)隔熱安裝。

綜合上述設(shè)計(jì)需求，鋰離子蓄電池組的4個(gè)模塊分別布局安裝在衛(wèi)星東下板、西下板外表面的+Y與-Y兩側(cè)，并在衛(wèi)星南、北板的+X和-X兩端外擴(kuò)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(cè)的電池模塊構(gòu)成東蓄電池組件，位于西下板+Y和-Y兩側(cè)的電池模塊構(gòu)成西蓄電池組件。

與南北板相比，東西板內(nèi)表面設(shè)備布局較少，增大了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)形式、南北內(nèi)掛一般采用1塊隔板承力結(jié)構(gòu)形式，具體安裝狀態(tài)示意如圖2所示，建立兩種構(gòu)型的力學(xué)模型，為準(zhǔn)確模擬蓄電池安裝板的力學(xué)邊界，力學(xué)建模時(shí)創(chuàng)建與蓄電池安裝板相連接的結(jié)構(gòu)板模型，并在結(jié)構(gòu)板遠(yuǎn)離蓄電池安裝板的邊界施加固定約束，模擬衛(wèi)星飛行載荷縱向極限、橫向極限條件下安裝板結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)分析，對(duì)比蓄電池組件兩種安裝狀態(tài)對(duì)其安裝板的力學(xué)性能影響。兩種構(gòu)型在最大應(yīng)力發(fā)生工況下的鋁蒙皮應(yīng)力分布如圖3所示，最大應(yīng)力值如表1所示。由表1可知，東西外掛構(gòu)型中電池板鋁蒙皮最大應(yīng)力約30.4 MPa，而南北內(nèi)掛構(gòu)型中電池板鋁蒙皮最大應(yīng)力約70.8 MPa，2組結(jié)果均小于鋁合金材料屈服極限(260 MPa)，因此兩種構(gòu)型均能滿足整星結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求。如若東西板結(jié)構(gòu)構(gòu)型受到艙內(nèi)布局限制，迫使蓄電池組件東西外掛采用1塊隔板承力結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能則與南北內(nèi)掛相當(dāng)。綜合各工況分析結(jié)果，對(duì)電池板而言，東西外掛構(gòu)型的力學(xué)性能優(yōu)于或等同于南北內(nèi)掛構(gòu)型。

與蓄電池艙內(nèi)布局不同，東西外掛構(gòu)型將對(duì)星外其他設(shè)備布局帶來約束。因而整星布局時(shí)，應(yīng)考慮相互影響和兼容設(shè)計(jì)，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(yīng)考慮電池單體耐輻照等空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)問題。

表1 蓄電池安裝板鋁蒙皮最大應(yīng)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(jié)構(gòu)熱控一體化設(shè)計(jì)

與蓄電池安裝在服務(wù)艙南、北板內(nèi)表面相比，鋰離子蓄電池安裝在服務(wù)艙東/西板外表面可與艙內(nèi)設(shè)備熱解耦，有利于蓄電池組件結(jié)構(gòu)熱控一體化結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)：采用U型熱管將蓄電池組件安裝的結(jié)構(gòu)板、南(+Y)輻射器和北(-Y)輻射器三者實(shí)現(xiàn)熱耦合，即U型熱管的平行段(Y向)預(yù)埋在蓄電池模塊安裝結(jié)構(gòu)板內(nèi)，兩端垂直段(X向)分別外貼在南、北輻射器內(nèi)表面(背向冷黑空間)，與輻射器預(yù)埋熱管(Z向)構(gòu)成正交熱管網(wǎng)絡(luò)。以東蓄電池組件為例，其結(jié)構(gòu)熱控一體化結(jié)構(gòu)如圖4所示。

如圖4所示，鋰離子蓄電池組件結(jié)構(gòu)熱控一體化設(shè)計(jì)具有顯著優(yōu)勢：1)組成蓄電池組件的2個(gè)電池模塊安裝在同一塊結(jié)構(gòu)板上，蓄電池單體下方的結(jié)構(gòu)板內(nèi)預(yù)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(fā)熱量及外熱流及時(shí)傳輸?shù)侥?、北輻射器向冷黑空間散熱；2)能夠?qū)崿F(xiàn)熱管網(wǎng)絡(luò)南北熱耦合，由于GEO衛(wèi)星南、北輻射器不同時(shí)照射太陽輻射熱流，因此可提高輻射器單位散熱能力，節(jié)省散熱面積約50%。

3.2 熱設(shè)計(jì)分析預(yù)算

如前文所述蓄電池?zé)峥卮胧?，下文?duì)輻射器散熱面積、加熱功率等熱設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析預(yù)算：

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

蓄電池安裝在星外，所受東(+X)、西(-X)、對(duì)地(+Z)與背地(-Z)外熱流交替變化，冬至和夏至?xí)r南、北輻射器受照太陽輻射熱流分別達(dá)到最大。經(jīng)分析計(jì)算，15年壽命末期，經(jīng)多層隔熱組件傳遞給蓄電池的瞬時(shí)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(jié)構(gòu)板之間涂抹導(dǎo)熱填料減小熱阻，單體至結(jié)構(gòu)板的熱阻約0.73 ℃/W(試驗(yàn)實(shí)測)，熱管傳熱溫差不大于1℃(實(shí)測)。

按照上述熱設(shè)計(jì)參數(shù)與邊界條件，結(jié)合GEO衛(wèi)星全壽命期在軌極端高、低溫工況進(jìn)行熱分析預(yù)算。

3.2.1 加熱功率預(yù)算

壽命初期分點(diǎn)地影放電前，忽略全部外熱流且蓄電池不發(fā)熱，在此極端低溫工況，控制輻射器溫度達(dá)到10℃所需最小加熱功率是蓄電池模塊加熱器功率設(shè)計(jì)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(shí)蓄電池模塊加熱功率；Qr，10為輻射器溫度控制10℃時(shí)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(fā)射率；σ為玻爾茲曼常數(shù)；Tr為輻射器溫度。

當(dāng)蓄電池模塊(單體數(shù)量：30個(gè))加熱功率為21.6 W時(shí)，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(jié)構(gòu)板之間熱阻；Qh為蓄電池模塊加熱功率。

根據(jù)上述極端低溫工況時(shí)蓄電池模塊加熱功率預(yù)算結(jié)果，當(dāng)蓄電池加熱功率30 W/模塊時(shí)，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(shè)計(jì)余量。

3.2.2 散熱面積預(yù)算

輻射器散熱面積針對(duì)2種極端高溫工況進(jìn)行預(yù)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(jīng)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?cái)R置發(fā)熱133 mW/模塊，電池出現(xiàn)高溫；2)壽命末期分點(diǎn)72 min最長地影期，蓄電池以最大電流放電，發(fā)熱量150 W/模塊，電池溫度驟升，放電結(jié)束溫度達(dá)到瞬時(shí)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(fā)熱量；Qu，m為經(jīng)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(jìn)而，推導(dǎo)計(jì)算求得輻射器溫度：

-4°C

當(dāng)蓄電池模塊(單體數(shù)量：30個(gè))發(fā)熱量為133 mW，自控加熱器禁止時(shí)，單體溫度：

上述計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)南、北輻射器散熱面積各為0.075 m2時(shí)，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(jìn)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(jié)束時(shí)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(zhì)量；CP，u為蓄電池模塊比熱容；ΔTdis，72為72 min地影放電結(jié)束蓄電池模塊平均溫升；Qu，dis為蓄電池模塊放電發(fā)熱流量；t為放電時(shí)間。

進(jìn)而，推導(dǎo)計(jì)算求得72 min地影放電結(jié)束時(shí)刻蓄電池模塊平均溫升：

因上述計(jì)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(jì)算得出放電結(jié)束時(shí)刻的蓄電池模塊平均溫升要高于實(shí)際溫升，由此推算，末期分點(diǎn)地影期72 min最長放電結(jié)束時(shí)，蓄電池單體瞬時(shí)最高溫度不會(huì)超過23.4℃(放電前初始溫度約11.5℃)，遠(yuǎn)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(duì)全壽命期內(nèi)鋰電池所經(jīng)歷極端高、低溫工況的熱分析預(yù)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(yīng)溫控指標(biāo)要求，且有適度的設(shè)計(jì)余量。

3.3 熱控影響比較

基于設(shè)置的衛(wèi)星平臺(tái)135 A·h鋰離子蓄電池組(共4個(gè)模塊)，對(duì)采用東/西板外掛安裝與服務(wù)艙南/北板內(nèi)掛安裝兩種構(gòu)型布局方案的熱控設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，熱設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比情況詳見表2。

表2 135 A·h鋰離子蓄電池組構(gòu)型布局對(duì)熱控設(shè)計(jì)影響Table 2 Impact of the 135 A·h Lithium-ion battery configuration on thermal control design

注：質(zhì)量僅為熱管、散熱面與多層隔熱組件的統(tǒng)計(jì)質(zhì)量(不含加熱器和測溫元件)。

由表2比對(duì)可知，與服務(wù)艙內(nèi)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(nèi)大量設(shè)備布局空間，而且所耗費(fèi)的熱控設(shè)計(jì)資源更加節(jié)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(jié)省280 W，輻射器散熱面積節(jié)省0.64 m2，熱控質(zhì)量降低約1 kg。由此可見，東/西板外掛安裝鋰電池的構(gòu)型布局方案更具優(yōu)勢，是提升衛(wèi)星平臺(tái)總體設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)蓄電池組件結(jié)構(gòu)熱控一體化集成設(shè)計(jì)。其優(yōu)勢在于，該部分抽屜式的蓄電池多功能結(jié)構(gòu)模塊構(gòu)型布局，在衛(wèi)星總裝過程中，其是否存在對(duì)衛(wèi)星力學(xué)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(wèi)星相關(guān)的電氣、熱控、結(jié)構(gòu)、裝配等相關(guān)設(shè)計(jì)與工程實(shí)施，均可集成于蓄電池組件單機(jī)產(chǎn)品研制過程中或在衛(wèi)星研制的輔線流程進(jìn)行。完成全部工程實(shí)施后，打包成獨(dú)立的蓄電池艙，形成涵蓋結(jié)構(gòu)、熱控、電氣設(shè)計(jì)的蓄電池多功能結(jié)構(gòu)模塊后，再將該模塊在衛(wèi)星本體上進(jìn)行最終的機(jī)械連接和電插接。這種蓄電池多功能結(jié)構(gòu)模塊化研制模式，可大量減少上星操作環(huán)節(jié)及工作量，進(jìn)一步簡化了與整星之間的接口，縮短了衛(wèi)星研制主線時(shí)間。

另外，由于蓄電池艙外掛安裝在東/西板，位于衛(wèi)星本體外表面，這樣的構(gòu)型布局方案為衛(wèi)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(fā)射前更換電池工藝件等環(huán)節(jié)，可避免多次拆、合艙板，基本規(guī)避了艙內(nèi)安裝蓄電池組件帶來的工程實(shí)施不足。

綜上所述，與服務(wù)艙內(nèi)安裝蓄電池構(gòu)型相比，東/西板外掛安裝蓄電池構(gòu)型易于實(shí)現(xiàn)模塊化高度集成設(shè)計(jì)，簡化與衛(wèi)星平臺(tái)接口關(guān)系，不占衛(wèi)星總裝流程主線，工程實(shí)施條件更加便利，有助提高衛(wèi)星研制工程實(shí)施效能。

5 結(jié)束語

隨用戶對(duì)衛(wèi)星有效載荷使用數(shù)量與日俱增，要求衛(wèi)星平臺(tái)提供更多的設(shè)備布局容納空間。通過優(yōu)化衛(wèi)星平臺(tái)蓄電池組外掛東/西板構(gòu)型布局設(shè)計(jì)，騰退艙內(nèi)設(shè)備布局空間，是解決有效載荷布局空間擴(kuò)增需求所付出代價(jià)最小的技術(shù)手段之一，該技術(shù)手段已在Alphabus平臺(tái)[9]、E3000平臺(tái)的NIMIQ-4衛(wèi)星上成功實(shí)施。本文針對(duì)GEO衛(wèi)星平臺(tái)蓄電池普遍采用服務(wù)艙南/北板內(nèi)掛安裝的構(gòu)型布局現(xiàn)狀，以135 A·h鋰離子電池組為例，分析了GEO衛(wèi)星平臺(tái)東/西板外掛安裝鋰電池構(gòu)型布局的可行性及其影響，分析預(yù)算表明：東/西板外掛安裝鋰電池構(gòu)型布局合理可行且更具優(yōu)勢，可有效騰退艙內(nèi)設(shè)備布局空間，力、熱設(shè)計(jì)得到明顯改善，熱設(shè)計(jì)資源節(jié)省尤為突出，加熱功率和散熱面積僅是南/北板內(nèi)掛安裝熱設(shè)計(jì)所耗資源的30%。東/西板外掛安裝鋰電池構(gòu)型布局方案，不僅能顯著降低平臺(tái)能耗，而且益于實(shí)現(xiàn)集結(jié)構(gòu)、熱控、電氣一體的高度集成的蓄電池多功能結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，簡化與衛(wèi)星平臺(tái)接口關(guān)聯(lián)，優(yōu)化衛(wèi)星研制總裝流程，使衛(wèi)星研制工程實(shí)施效能得到切實(shí)提高。

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