[發明專利]一種胞元式航天多功能結構鋰電池

有效

• 申請號: 202110269961.2
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN112688004B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 朱仕堯;李東旭;吳軍;范才智
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: H01M50/209
• 分類號: H01M50/209;H01M50/242;H01M50/249;H01M10/655
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 譚武藝

本發明公開了一種胞元式航天多功能結構鋰電池，包括用于提供承載能力的外部支撐結構，所述外部支撐結構包括呈夾心結構的上蓋板、格柵式框架和下蓋板，且所述格柵式框架中設有柵格式電池艙，所述柵格式電池艙中安裝有用于實現蓄電池組功能的多塊單體電池。本發明采用呈夾心結構的上蓋板、格柵式框架和下蓋板構成的外部支撐結構提供承載能力，內部以柵格式電池艙中安裝有用于實現蓄電池組功能的多塊單體電池作為基本單元實現蓄電池組功能，實現了具備承載和供/蓄電功能，有利于實現包括衛星在內的航天器電池和艙體結構的小型化、一體化和緊湊化。

技術領域

本發明涉及航天器電源技術，具體涉及一種胞元式航天多功能結構鋰電池。

背景技術

航天結構因發射資源限制，需要設計得盡量輕質且體積小。多功能結構鋰電池將結構承載、供電-蓄電等多種功能集合到統一個結構體內，可以極大地節省設備冗余重量和體積，提高整體的功能質量比和功能體積比，滿足航天器平臺設計要求。

然而，如申請號為201610307086.1的中國專利文獻公開了一種電能與力學環境管理多功能結構，其記載的傳統結構鋰電池未與艙板進行一體化設計，且單體電池需要先組裝成為具有保護殼體的電池組，再對電池組進行組裝。這種多級組裝方式不僅設計復雜度較高，且會引入冗余的電池組保護殼體質量，因此結構性能仍有提升空間。如申請號為201610303836.8 的中國專利文獻公開了一種用于微小衛星系統的多功能艙壁結構，記載了一種多功能結構艙板，直接將電池組嵌入艙板“日”字型內部空間，但沒有規范化的基本組集單元，且對被嵌入結構具有過多約束，導致其僅適用于微小衛星，不具備廣泛的拓展性，需要對結構鋰電池的結構系統、電路系統、電磁兼容、負壓防護、絕緣和接地保護等方面進行系統性的重新設計。

總體而言，傳統結構鋰電池存在下述缺點：

（1）結構系統設計方面：①傳統結構鋰電池構型采用“電池-電池組-結構電池”多層組集方式，帶來較多的冗余質量；②傳統結構鋰電池對框架結構構型要求嚴格，不具有良好的擴展能力，應用范圍有限；③傳統結構鋰電池中每個單體電池的組裝方式存在差異，無法保證每塊單體電池在組合后具有相同的力學、熱傳導環境；

（2）電路系統設計方面：①傳統結構鋰電池只具備基本的電池組功能，沒有在電路設計中實現對內部電壓和溫度變化的反饋。②航天器處于在軌衛星狀態，不能進行電池修復和替換，而傳統結構鋰電池沒有實現對單體電池的嚴格篩選，剔除不合格和不一致的單體電池，并對篩選后的電池進行匹配和分組。③傳統結構鋰電池的電池組組集和檢測系統連接過程中，沒有對電路連接方式進行合理設計，無法避免電路中的單點失效和保證電路各分支的阻抗均衡。

（3）電磁兼容設計方面：傳統結構鋰電池沒有對強電流閉合回路走線方式進行系統考慮，當所圍成的面積較大時，容易引入附加電磁力矩，從而破壞衛星整體的力矩平衡關系。

（4）負壓防護設計方面：由于電池內部仍存在少量氣體，內部存在一定氣壓，而太空環境下氣壓接近于零，因此內部氣壓大于環境壓力，會引入負壓作用，導致電池膨脹。而固態軟包單體電池外層的鋁塑膜包裝不具備抵抗膨脹能力。傳統結構鋰電池往往對單體電池外附加碳纖維保護外殼進行負壓防護，從而引入附加質量；

（5）接地保護設計方面：短路故障指結構鋰電池內部正極與負極或地線搭接而引起的電池組短時電流迅速增大，溫度升高，造成度電池功能喪失，甚至造成單體電池泄漏和爆炸。傳統結構鋰電池沒有進行電路短路故障進行保護，無法保證單體電池及其連接附件的可靠絕緣處理。

發明內容

本發明要解決的技術問題：針對現有技術的上述問題，提供一種胞元式航天多功能結構鋰電池，本發明采用呈夾心結構的上蓋板、格柵式框架和下蓋板構成的外部支撐結構提供承載能力，內部以柵格式電池艙中安裝有用于實現蓄電池組功能的多塊單體電池作為基本單元實現蓄電池組功能，實現了具備承載和供/蓄電功能，有利于實現包括衛星在內的航天器電池和艙體結構的小型化、一體化和緊湊化。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：