0 引 言
随着技术成熟度的提高，锂离子蓄电池组作为储能电源已经在卫星、飞船、火箭等航天器上取得了大规模应用[1]。此外，锂离子蓄电池组作为动力电池，在电动汽车、储能电站等领域也取得了非常广泛的应用[2]。随着汽车续航里程的需求增加、飞行器的减重需求、飞行器的长寿命需求，锂离子蓄电池产品的比能量和寿命大幅度提高。同时，新材料开发的加速推进，使得锂离子蓄电池在材料选型上也趋于多样化。其正极材料已从飞行器应用初期的钴酸锂（LiCoO2），逐渐向低镍三元正极材料、高镍三元正极材料和改性高压钴酸锂正极材料转变[3-6]，在价格不断降低的同时，比能量也持续提高。锂离子蓄电池的负极材料从飞行器应用初期的石墨体系，经过改性以提升比能量和循环寿命后，逐渐向比能量更高的硅碳体系过渡，并有望在未来向超高比能量的金属锂体系发展[7-8]。随着电动汽车领域和空间飞行器对锂离子蓄电池比能量、宽温域、高电压和安全性要求日益提高，锂离子蓄电池电解液进行了适应不同工况的改性研究，并在蓄电池产品上取得了大规模应用[9-10]。未来，随着技术的进一步发展，固态电解质有望取代液态电解质成为锂离子蓄电池电解质的新选择[11-12]，也促使了锂离子蓄电池从液态电池经过半固态电池向全固态电池转变，使蓄电池的比能量和安全性得到大幅度提高。
基于上述发展趋势，飞行器锂离子蓄电池的更新换代速度日益加快。然而，对于飞行器，尤其以空间站、载人飞船为代表的载人型号而言，其研制及发射成本较高，社会影响力较大，因此在新技术应用前必须确保其具备充分的技术成熟度，以保证可靠性、安全性和在轨使用寿命能够满足飞行器的使用需求。但是，由于地面无法真实模拟长效微重力空间环境，蓄电池内部固-液界面、体积效应及应力分布等影响离子传输和性能退化的关键因素无法在地面得到有效研究和验证。因此，蓄电池在地面验证充分，仍难以满足较高的技术成熟度要求，必须开展系统性的在轨应用验证工作。
目前，国内外尚无针对新型储能电池技术在轨应用验证的平台及标准评价机制，这导致先进的储能技术无法有效地进行空间环境适应性研究及验证，也无法高效地开展在轨性能评估，从而阻碍了其在轨应用的快速实现。
中国空间站的顺利建成，为长期支持有人参与的大规模空间科学实验和技术应用试验提供了可能，使得新型储能电池在轨应用研究成为现实。同时，随着航天技术的发展，载人飞船的下行能力将不断增强，这使得新型储能电池在轨验证完成后返回地面进行进一步性能衰减机理研究成为可能。因此，本文设计了一种新型储能电池在轨应用验证平台，用于支撑各类新型储能电池技术开展在轨应用验证及研究。
本文设计的新型储能电池在轨验证平台包括锂离子蓄电池组1、锂离子蓄电池组2、充放电控制器和放电负载。该平台采用锂离子蓄电池组1和锂离子蓄电池组2通过充放电控制器实现相互充放电功能的独特设计理念，从而实现蓄电池能量的最优利用，只需空间站平台补充充放电过程中少量的能量即可。同时，该平台采用科学的在轨加速考核验证方法，以加速对新型储能技术的在轨应用验证。
1 新型储能电池在轨验证平台设计
1.1 结构设计
新型储能电池在轨验证平台（见图1 ）作为蓄电池组1、蓄电池组2、充放电控制器和放电负载安装的载体，按照空间站舱内试验机柜Ⅱ型载荷单元的机械接口、电接口、热接口、工效学接口和信息接口进行设计。该平台为蓄电池组1、蓄电池组2、充放电控制器和放电负载等在轨维修可更换单元（Orbital Replacement Unit，ORU）提供不脱出螺钉安装接口。
1.2 功能设计
为了在轨验证及地面数据分析时蓄电池单体拥有足够的样本量，每个蓄电池组的串联单体数量应不少于5个。
为了配合锂离子蓄电池组在轨性能验证的实现，充放电控制器应具备以下功能：单体采样、温度采样、总压采样、为2组蓄电池相互充放电、从空间站舱内取电单独为某个蓄电池组充电、过充保护、过放保护、过温保护等功能。此外，放电负载应具备单独为某个蓄电池组放电的功能。
1.3 工作模式设计
新型储能电池在轨验证平台有四种工作模式：（1）在蓄电池组试验开始前，通过充放电控制器使用舱上电源为锂离子蓄电池组充至相应荷电态；（2）在稳定工作期间，模拟空间飞行器在轨使用制度，使用2个蓄电池组通过充放电控制器互相充放的模式开展循环寿命验证。由于互相充放电过程存在能量损失，因此需要舱上电源补充损失的电能。在互相充放电过程中，优先使用一组蓄电池的电能为另一组蓄电池充电，当能量不足时，使用舱上电源补充电；（3）在下行前，使用放电负载为蓄电池组放电至特定荷电状态；（4）当某个蓄电组内各并联块间压差过大时，进行蓄电池组内各并联块电压均衡。
2 锂离子蓄电池组设计方案一
作为在空间站有人舱内开展试验验证的锂离子蓄电池组，其安全性设计至关重要，而开展在轨应用验证的蓄电池组基本没有在轨飞行经验，因此锂离子蓄电池组在结构设计上必须充分考虑舱内应用的安全性。为此，蓄电池组可采用全密封型结构设计，该设计适用于成熟度较低、在单体层面缺乏密封功能的锂离子蓄电池体系，以确保蓄电池单体故障情况下不会发生电解液等有毒有害物质的泄漏，从而保证宇航员的安全。
在该设计中，蓄电池组箱体的四个侧板与底板均为铝合金材料，采用机加工一体成型的方式，壁厚不小于2 mm，以确保蓄电池组结构四周无任何泄漏风险。蓄电池组盖板同样采用铝合金结构，通过螺钉及O型圈与四个侧板连接，四个侧板的顶面留有凹槽，O型圈嵌入凹槽内，从而确保蓄电池组箱体的密封。此外，蓄电池组四个侧板与一个盖板均通过设计加强筋结构，使其能够承受发射时的力学要求。蓄电池组电连接器选用具有密封功能的Y27A系列电连接器，其漏率不大于1×10−6 Pa·m3/s，安装时在安装面上装有橡胶密封圈完成密封设计，箱体装配完成后通过氦质谱进行漏率测试，保证蓄电池组漏率不大于1×10−5 Pa·m3/s。
蓄电池组单体产生的热量通过单体壳体传导至蓄电池组结构底板上，蓄电池组底板采用2 mm厚的导热铝板，能够保证蓄电池组与安装板的良好接触与热传导。然后，舱内风扇将蓄电池组产生的热量排出。
锂离子蓄电池组电连接器安装在电池组结构的顶部，便于宇航员在轨进行插拔操作。
蓄电池组内上部的空隙处填充了阻燃隔热材料，可以缓解电池单体发生安全性故障时产生的冲击，并阻止燃烧，从而将故障影响限制在电池组内部。同时，这种设计还能保护导线束，避免烧毁导线束绝缘层造成更严重的故障。
为满足验证试验完成后的更换要求，锂离子蓄电池组1通过6个不脱出螺钉与载荷单元安装面连接。其接口形式为M10的螺纹孔，与在轨通用的不脱出螺钉接口匹配。锂离子蓄电池组1结构示意如图2 所示。
3 锂离子蓄电池组设计方案二
为了确保在轨运行的安全性，锂离子蓄电池组采用了密闭式箱体结构设计。该设计基于地面验证充分、技术成熟度高，并且从单体层面能够有效保证蓄电池组密封性的锂离子蓄电池组。蓄电池组结构由前后端板、左右侧板、底板和盖板六个部分组成，各部分均采用铝合金材料，箱体的四个侧板之间，以及侧板与底板之间均通过螺钉进行固定，并在连接面上涂覆GD414C硅橡胶以实现箱体的密闭。侧板与盖板之间通过螺钉固定，并在接触面通过安装橡胶密封圈进行密封。四个侧板的顶面设有凹槽，橡胶圈嵌入其中，以确保密封效果。此外，蓄电池组的四个侧板与一个盖板均设计了加强筋结构，以承受发射时的力学载荷要求。蓄电池组的电连接器选用具有密封功能的Y27A系列漏率不大于1×10−6 Pa·m3/s，安装时在安装面上装有橡胶密封圈，以完成蓄电池组的密闭设计。该结构设计已通过密封性试验验证，其漏率满足不大于1×10−4 Pa·m3/s的要求。
蓄电池组热设计、电连接器位置设计、阻燃设计及维修更换接口设计均与锂离子蓄电池组设计1保持一致。在该结构设计中，蓄电池组维修更换接口设计尺寸与锂离子蓄电池组设计1相同，以确保两种结构设计在轨安装时的通用性。锂离子蓄电池组结构设计2示意图如图3 所示。
4 充放电控制器设计
充放电控制器设置供电接口、通信接口，以及充电与数据采集接口。供电接口用于连接航天试验机柜的100 V电源，为电控制器提供电力；通信接口与机柜1553B总线接口相连，用于上报充放电控制器和电池的状态信息；充电及采集接口进行蓄电池组充电控制及电压温度采集。充放电控制器结构示意如图4 所示。
充放电控制器主要包括实现补电功能、电池充放电功能、控制电路功能、二次电源功能、下位机遥测控制等功能。具体功能如下：
（1）补电功能：能够从机柜100 V母线取电，为两组电池组进行充电；
（2）电池充放电功能：实现两组蓄电池之间的相互充放电；
（3）控制电路功能：负责电池信息的采集、充电过程的控制、充电保护、设备自检、电池状态的检查等；
（4）二次电源功能：为上述功能提供稳定的二次电源支持；
（5）下位机遥测控制功能：实现状态信息的遥测采集与发送，并参与控制电路的部分控制操作。
5 放电负载设计
由于锂离子蓄电池组验证完成后、下行前需进行荷电态调整，因此需要对电池进行放电。为此，新型储能电池在轨验证平台配置了放电负载，该负载使用功率电阻进行放电。
6 在轨试验规划
新型储能电池在轨验证平台设计寿命不少于5年，单个锂离子蓄电池组在轨验证周期可根据蓄电池性能设计指标确定，一般为2年。在轨验证试验完成后，由宇航员更换新的待验证锂离子蓄电池组。蓄电池组在轨可采用科学的加速考核验证方法，并与地面的寿命试验数据进行比对，以评估和预测蓄电池组在实际飞行器工况下的寿命表现。
新型储能电池在轨验证平台需要随货运飞船上行，上行产品主要包括Ⅱ型载荷单元、锂离子蓄电池组1、锂离子蓄电池组2、充放电控制器、放电负载及连接电缆。上行后，宇航员需从货运飞船中取出验证平台，并在空间站舱内机柜进行安装。该平台可验证多批次蓄电池组，后续待验证的蓄电池组也同样需要随货运飞船上行，并由宇航员进行在轨更换。
完成验证的锂离子蓄电池组可随货运飞船坠入大气层销毁。待新一代载人飞船具备下行能力后，验证完成的锂离子蓄电池组可以随其下行，供地面进一步开展空间环境下电池退化机理的研究。
7 结 语
本文设计了一种新型储能电池在轨验证平台。该平台利用两个蓄电池组相互充放电的模式，以实现能量的高效利用，降低空间站平台的能量消耗。该平台不仅可以作为验证工具，支持多批次新型储能电池的在轨应用测试，还能充分利用空间站强大的在轨科学研究能力，为新型储能技术在轨应用验证及空间飞行器上的技术升级提供有力的支持。