小卫星技术介绍系列文章

卫星供血“心脏”电源分系统（三）

小卫星已经具备较为成熟的技术体系，以其研制成本低、发射成本低等特点，成为各类有效载荷快速入轨的优先选择。小卫星类型广泛，包括光学遥感卫星、合成孔径雷达（SAR）卫星、通信卫星、空间环境探测卫星以及其他科学探测卫星等，小卫星技术在国计民生、国防安全等领域正逐渐发挥更大作用。

“小卫星技术介绍”系列文章将系统介绍卫星各分系统及相关技术，涵盖电源分系统、综合电子学分系统、有效载荷分系统、姿态和轨道控制分系统、结构分系统、热控分系统、测控和数传分系统、AIT等，多期连载发布，力求从功能组成、技术原理以及发展趋势等方面进行介绍，同时结合航天技术资讯，加深读者对文章的理解。系列文章旨在通过对小卫星各分系统及相关技术专项介绍，帮助读者快速了解小卫星系统组成、基本工作原理和AIT技术环节等，掌握小卫星研制相关的技术通识。

在前面文章中，我们讲到了卫星电源系统的结构和卫星电源系统中能量产生设备太阳电池阵的相关内容，在本篇中我们着重介绍卫星电源系统中电能储存设备——蓄电池组。

卫星绕地球运动，当卫星运行到地球与太阳之间时，太阳光可以照射到卫星表面，此时太阳能帆板产生电能。当卫星运行一段时间后，卫星在地球背面。此时卫星帆板被地球遮蔽，无法接收太阳光照射，不能产生电能，需要在光照区接收到并保存在蓄电池中的电能为整星供电。另外，即使在光照区内，卫星载荷开机时会需要巨量的电能，如果仅仅靠太阳电池阵产生的电能无法满足卫星的供电要求，则需要蓄电池和太阳电池阵联合为整星供电。

蓄电池的设计要考虑的因素很多，比如说蓄电池在充满后，能够让卫星熬过最长的地影区而不会过度放电；蓄电池的输出电压和输入电压要与母线电压相匹配；蓄电池在充电和放电过程中，会有吸热和放热的过程，此过程需要专门做热控分析与设计，值得一提的是蓄电池一直是消耗热控功率的主要选手之一，着实让设计者头疼。

蓄电池是由单体电池经过串并联连接组成的。常用的电池单体包括锂离子蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍电池。锂离子蓄电池单体电压最高，比容量最高，能量密度最大，自放电最少，寿命也最长，是目前航天电源最常用的单体电池。但是锂离子电池对热、振动和过充电都比较敏感，这让它容易发生爆炸。另外，锂离子电池在温度低于0℃时充电，可能造成电池内部锂单体析出造成内部短路；锂离子电池过放电会造成对电池不可逆的损坏。

所以，一般锂离子电池在使用的过程中需要针对锂离子电池的温度特性专门设计热控材料，针对锂离子电池的充电放电特性设计专门的控制器进行控制，针对锂离子电池的特殊结构特别设计。

锂离子电池主要依靠锂离子在正负极之间的往返嵌入或脱嵌来工作，实现能量的存储和释放。

以钴酸锂正极、石墨负极系列的锂离子电池为例：在充电时，在外加电场的作用下，正极材料LiCoO2分子中的锂元素脱离出来，成为带正电荷的锂离子Li+，从正极移动到负极，与负极的碳原子发生化学反应，生产LiC6，从而“稳定”的嵌入到层状石墨负极中。放电时与此相反，内部电场方向翻转，Li+从负极脱嵌，顺电场方向，回到负极，重新成为钴酸锂分子LiCoO2,这样的工作原理被形象的称为“摇椅电池”。参与往返嵌入和脱嵌的锂离子越来，电池可存储能量就越大。

锂离子电池有很多种类型，有圆柱型的，有矩形的，有纽扣式的，也有薄膜型的。它们无论结构如何变化，都是主要由正极、负极、电解液和隔膜构成的。

为了实现能量的存储和释放，正极材料需要有稳定的化学特性，不易分解的结构、较高的氧化还原电位和越高越好的比容量。目前主要的正极材料是磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂和三元材料，正极材料直接影响锂离子电池的密度和性能。

负极材料要求有比较高的比容量和比较好的充放电可逆性。目前商用负极活性物质为石墨类材料。主要包括天然石墨、人造石墨、MCMB、硬碳和软碳等。

电解液在正负极间起到运输电荷作用，它影响着锂离子电池的能量密度、功率密度、宽温应用、循环寿命、安全性能等。理想的电解液要有较高的离子电导率和好的热稳定性以实现更大的工作温度范围，且要求安全、无毒、无污染。

为了让电池在单位体积上储存能量尽可能多，需要让正负极之间的距离尽量近。同时为了防止正负极材料短路，就需要一种材料将负极“隔离”出来，这就是隔膜的由来。隔膜孔径需要满足良好的离子通过性，吸液保湿能力强，保持离子导电性，同时具有电子绝缘性，和足够的力学性能等。

本篇主要介绍了卫星能量存储设备——蓄电池组的功能、类型和锂离子电池的基本结构，后面我们将介绍电源控制器及卫星电源系统后续的发展方向。