空间锂电池是什么？空间用锂离子蓄电池设计、标准与选型指南

空间锂电池是什么？空间用锂离子蓄电池设计、标准与选型指南

空间锂电池，是应用于卫星、空间探测器、航天器以及其他空间任务中的锂电池系统。

与普通工业锂电池相比，空间锂电池需要面对完全不同的工作环境，包括：

真空、高低温循环、太阳辐照、空间辐射、发射振动、机械冲击以及长期无人维护。

因此，空间锂电池并不是简单地把普通锂电池做成一个密封PACK。

它需要从：

电芯 + 电池组 + 电气安全 + 热设计 + 结构 + 环境适应性 + 可靠性验证

等多个方面进行系统设计。

目前国内已经建立了针对空间锂离子电池的国家标准体系。其中：

GB/T 42635-2023《空间用锂离子蓄电池通用规范》

目前为现行推荐性国家标准，于2023年9月1日起实施。

同时：

GB/T 43927-2024《航天器用锂离子蓄电池组安全设计与控制要求》

于2024年8月1日起实施，重点覆盖航天器锂离子蓄电池组安全设计和控制要求。

因此，空间锂电池已经形成了区别于普通地面动力电池的专门技术体系。

一、什么是空间锂电池？

空间锂电池，通常是指：

用于航天器、卫星、空间探测器以及其他空间任务的锂电池系统。

其中既包括：

可充电锂离子蓄电池

也包括部分：

一次性锂电池。

可充电电池主要用于：

储能

以及：

太阳能不可用时期的供电。

一次锂电池则可能用于某些：

长期待机

或：

特殊任务阶段的一次性供电。

ESA公开资料显示，大多数卫星依靠太阳能阵列获得主要电能，同时配置电池，在进入地影、出现峰值功率需求、进行机动或者发生应急情况时提供电能；部分特殊任务则可能直接使用一次电池作为任务电源。

所以：

空间锂电池不等于卫星电池。

它的应用范围实际上更广。

二、空间锂电池主要应用在哪些设备？

空间锂电池可以用于：

通信卫星

遥感卫星

导航卫星

科学探测器

空间实验平台

小型卫星

以及：

其他航天器。

还可以根据任务需要用于：

发射段设备

空间站相关设备

以及其他特殊航天电源。

典型电源结构可以理解为：

太阳能阵列

↓

电源管理系统

↓

空间锂电池

↓

航天器负载

当太阳能阵列无法提供足够功率时：

空间锂电池放电

↓

卫星负载继续运行。

ESA公开资料也指出，卫星电池除了支持地影运行，还可以满足峰值负载、机动以及应急情况下的供电需求。

三、卫星为什么需要空间锂电池？

卫星虽然可以使用太阳能，但：

太阳能并不是任何时候都可以直接获得。

当卫星进入：

地球阴影区

后，太阳能电池阵列无法继续按照正常状态发电。

此时电池就需要：

放电供电。

另外，某些载荷在工作过程中可能产生：

瞬时高功率需求。

如果太阳能阵列的实时输出不足，电池可以提供额外功率。

因此卫星电池通常有几个基本作用：

地影供电

峰值功率补偿

应急供电

以及：

电源系统能量调节。

ESA的Proba-2卫星就是一个典型案例，其16.5Ah锂离子电池用于地影期间供电，同时也用于部分实验载荷需要超过太阳能发电能力的峰值功率阶段。

四、为什么现代航天器越来越多采用锂离子电池？

锂离子电池的重要优势之一，是：

较高的能量密度。

对于航天器而言，质量是非常敏感的参数。

电池越重，会增加：

发射质量

和：

整星重量。

因此在满足安全、寿命和可靠性要求的情况下，提高：

Wh/kg

具有重要意义。

ESA公开资料指出，锂离子电池因高能量密度、寿命和可充电能力等特点，对空间应用产生了重要影响，并自2001年ESA的Proba-1任务起进入空间应用。

NASA同样指出，锂离子电池因其：

高能量密度

高比能

倍率能力

和：

循环潜力

正在成为航空航天可充电电源的重要技术路线，但同时需要更加严格的安全、处理和鉴定措施。

五、空间锂电池和普通工业锂电池有什么区别？

两者最大的区别不是：

“容量大小不同”。

而是：

使用环境和可靠性要求完全不同。

因此：

普通工业锂电池即使参数优秀，也不能仅凭容量、能量密度和IP等级认定为合格空间电池。

六、空间锂电池主要采用什么电芯？

空间锂电池的电芯体系需要根据：

任务寿命

工作温度

循环次数

DOD

倍率

以及：

空间环境

进行选择。

JAXA公开的JMG050空间用锂离子电芯就是一个具有代表性的公开案例。

其规格包括：

50Ah容量

约3.7V平均放电电压

1.51kg重量

以及：

123Wh/kg能量密度

；资料显示其采用LiCoO₂正极和石墨负极，用于卫星或探测器在没有太阳光时的供电。

需要注意：

空间用电芯并不能简单等同于消费类三元电芯或者工业动力电芯。

即便化学体系名称相同，也可能在：

材料配方

结构

制造一致性

寿命

以及：

筛选等级

方面存在明显区别。

七、空间锂电池容量怎么确定？

空间锂电池容量主要取决于任务功率和轨道环境。

基础能量计算公式仍然是：

E = U × Ah

但空间电池不能只通过：

平均功率 × 时间

直接确定最终容量。

还需要考虑：

地影时间

负载功率

DOD

充放电效率

温度

以及：

寿命末期容量衰减。

例如卫星在地影期间：

平均负载：

2kW

地影时间：

40分钟

理论能量需求：

2 × 40 ÷ 60 ≈ 1.33kWh

这只是基本能量需求。

实际电池还需要预留：

寿命衰减裕量

转换损耗

以及：

任务安全余量。

因此，空间锂电池容量设计本质上属于：

任务级能量预算。

八、空间锂电池需要循环多少次？

循环次数取决于：

轨道

任务寿命

以及：

电池DOD。

例如低轨卫星可能每天经历多次：

太阳照射 → 地影 → 太阳照射

循环。

这样长期运行以后，电池会经历大量充放电循环。

NASA公开资料指出，不同空间任务对于锂离子电池循环寿命的需求差异很大，低轨卫星可能需要面向数万次循环进行设计，而其他任务的循环要求可能不同。

因此空间电池寿命评价不能只写：

“循环3000次”。

需要明确：

DOD

温度

充放电倍率

截止条件

以及：

容量保持率。

九、为什么空间锂电池通常不能把DOD做到100%？

这是空间电池设计的重要思想。

如果每次都把电池：

完全充满

再：

完全放空

可能加速电池老化。

因此空间任务通常会根据：

寿命

和：

可靠性

控制电池工作窗口。

ESA早期公开的Proba卫星资料就显示，其锂离子电池为了降低寿命损耗和避免仪器侧电压过低，对最大放电深度进行了限制。

因此空间电池容量不能简单理解成：

标称容量 = 每次全部可用容量。

实际任务会根据：

SOC窗口

和：

DOD

进行能量管理。

十、空间锂电池为什么需要真空环境设计？

空间环境最大的特点之一是：

高真空。

普通地面电池可以利用空气对流帮助散热。

而在真空中：

没有正常的大气对流散热。

因此空间锂电池的热量主要需要通过：

固体导热

以及：

热辐射

进行管理。

所以空间电池需要与卫星热控系统共同设计。

例如：

电芯 → 导热结构 → 电池安装板 → 航天器结构

形成导热路径。

同时外部结构通过：

辐射面

将热量释放到空间。

因此：

空间锂电池不能简单照搬地面风冷电池PACK。

NASA当前SmallSat技术资料也指出，航天任务中的锂离子电池需要承受极端温度变化和高充电电压条件，同时必须处理锂电池热失控带来的安全风险。

十一、空间锂电池为什么需要进行热设计？

空间电池的温度会直接影响：

容量

内阻

功率

充电效率

以及：

寿命。

因此需要分析：

最大温度

最低温度

温度梯度

以及：

热循环。

尤其在：

太阳照射

和：

地影

交替过程中，航天器可能出现较明显的热环境变化。

如果电芯之间的温度差过大，就可能导致：

容量差异

SOC估算误差

以及：

电流分配不一致。

所以空间PACK需要重视：

电芯温度一致性

和：

结构导热路径。

十二、空间锂电池为什么需要考虑辐射？

空间环境中的高能粒子和辐射可能影响：

电子器件

控制电路

以及：

部分材料和器件性能。

特别是电池管理和控制电子系统，需要根据轨道和任务进行：

辐射环境评估。

中国现行：

GB/T 43927-2024

明确将：

抗辐照设计

纳入航天器锂离子蓄电池组安全设计与控制要求，同时还涉及：

故障容限

绝缘

接地

结构

防静电

充电控制

均衡

以及：

安全验证

等内容。

因此空间锂电池不能只关注电芯本身，还需要考虑：

BMS及相关电子器件的空间环境可靠性。

十三、空间锂电池BMS需要具备哪些功能？

空间锂电池同样需要进行：

电压监测

电流监测

温度监测

以及：

SOC管理。

主要功能可以包括：

单体电压监测

电池组电压监测

电流检测

温度检测

SOC估算

均衡

以及：

故障保护。

根据任务需求，还可能需要：

冗余监测

故障隔离

充电控制

放电控制

以及：

异常状态管理。

与普通工业BMS相比，空间系统更加重视：

故障容限

和：

单点故障影响控制。

GB/T 43927-2024明确将故障容限设计、监测参数设计、充电控制安全、均衡设计、放电安全管理、工作温度安全管理和安全验证等纳入航天器用锂离子蓄电池组安全设计范围。

十四、空间锂电池为什么需要高可靠性设计？

这是空间电池与普通工业电池最大的区别之一。

卫星进入轨道以后：

无法像地面设备一样拆下来维修。

如果电池出现严重故障，可能影响：

整个卫星任务。

因此空间电池需要进行：

故障模式分析

冗余设计

失效隔离

以及：

可靠性验证。

GB/T 43927-2024的技术内容中就包括：

故障容限设计

和：

最小风险设计

等原则。(std.samr.gov.cn)

这也是为什么空间电池不能只通过一次：

容量测试

就判断产品是否可以用于航天任务。

十五、空间锂电池需要做哪些测试？

空间锂电池通常需要根据具体任务开展分层验证。

主要测试方向包括：

电性能

容量

内阻

充放电

倍率

循环寿命

环境

高温

低温

热循环

热真空

机械

振动

冲击

发射载荷相关试验

电气安全

绝缘

耐压

短路

以及：

故障保护。

系统级

BMS

充电控制

放电控制

均衡

以及：

航天器电源系统联调。

欧洲空间标准体系目前保留：

ECSS-E-HB-20-02A《Li-ion battery testing handbook》

作为空间锂离子电池测试手册，涉及电芯和电池测试条件、测试信息及报告等内容。

十六、中国空间锂电池有哪些相关标准？

目前国内已经形成比较明确的空间锂离子蓄电池标准体系。

GB/T 42635-2023

名称：

《空间用锂离子蓄电池通用规范》

目前为现行推荐性国家标准，2023年9月1日起实施。

GB/T 38314-2019

名称：

《宇航用锂离子蓄电池组设计与验证要求》

于2020年7月1日起实施，规定航天器锂离子蓄电池组相关设计和验证要求，并修改采用ISO 17546:2016。

GB/T 43927-2024

名称：

《航天器用锂离子蓄电池组安全设计与控制要求》

2024年8月1日起实施，重点覆盖安全设计和控制。

因此：

空间锂电池并不是没有标准。

目前已经有：

通用规范 + 设计验证 + 安全设计与控制

多个层面的标准体系。

十七、ECSS空间锂电池标准体系是什么？

欧洲空间项目中，可以关注：

ECSS

即：

European Cooperation for Space Standardization

欧洲空间标准化体系。

目前ECSS公开的工程手册中包括：

ECSS-E-HB-20-02A《Li-ion battery testing handbook》

以及：

ECSS-E-HB-20-05A《High voltage engineering and design handbook》

等文件。

其中锂离子电池测试手册主要用于：

空间电芯和电池系统测试

并强调通过完整测试数据理解电池在：

循环寿命

过程中的性能变化。

因此，对于出口欧洲的空间电池项目，不能只研究普通民用CE或IEC电池标准，而需要根据：

航天器任务

以及：

客户项目标准体系

进行匹配。

十八、空间锂电池与普通卫星电池有什么关系？

可以理解为：

卫星电池属于空间锂电池的重要应用方向。

但：

空间锂电池范围更广。

例如：

因此：

空间锂电池是一个应用领域，而不是单一容量或固定电压型号。

十九、空间锂电池采购需要提供哪些参数？

如果企业准备开发空间锂电池，建议不要只提供：

电压 + 容量。

而应该尽量提供完整任务参数。

其中最重要的几项通常是：

轨道 + 任务寿命 + 地影时间 + 平均功率 + 峰值功率 + DOD + 温度。

只有这些参数明确，才能合理计算电池的：

容量

串并联结构

以及：

寿命和热管理方案。

二十、浩博电池可以定制空间锂电池吗？

空间锂电池属于高可靠特殊环境电池，产品开发要求明显高于普通工业动力PACK。

浩博电池可以围绕：

特殊环境锂电池

高可靠电源

无人系统电池

以及：

定制化锂电池PACK

开展方案设计。

从工程开发角度，可根据项目要求进行：

电芯选型

串并联设计

PACK结构设计

BMS设计

电气接口设计

温度管理

以及：

结构和环境适应性方案设计。

如果项目面向：

卫星

空间探测器

或者：

其他航天器

则需要进一步按照具体任务要求核对：

GB/T 42635-2023

GB/T 38314-2019

GB/T 43927-2024

以及项目采用的：

ECSS

或：

NASA相关规范和技术文件。

需要特别说明：

能够生产锂电池PACK，不等于产品已经获得空间飞行应用资格。

真正用于航天任务的电池，还需要经过项目规定的：

筛选

鉴定

环境验证

可靠性验证

以及：

验收。

因此，东莞市浩博光电科技有限公司可以根据具体项目的：

电压、容量、尺寸、重量、功率、BMS和环境条件

开展定制化锂电池PACK方案设计。

涉及实际航天器飞行应用时，最终产品是否满足任务要求，应以具体项目的技术规范、设计验证、鉴定试验和验收文件为准。

FAQ：空间锂电池常见问题

1. 什么是空间锂电池？

空间锂电池是用于卫星、探测器和其他航天器等空间任务的锂电池系统，可以包括可充电锂离子电池和特定任务使用的一次锂电池。

2. 卫星一定使用锂离子电池吗？

不是所有卫星都完全相同，但现代许多卫星采用锂离子二次电池作为储能系统。ESA和JAXA公开资料均显示，锂离子电池已经成为现代卫星重要的储能技术。

3. 空间锂电池为什么需要高能量密度？

因为航天器对发射质量非常敏感。在满足可靠性和安全要求的前提下，提高Wh/kg有助于降低电池系统质量。

4. 空间锂电池需要防水吗？

空间环境不是以防水为主要设计方向，而是更关注真空、热环境、辐射、发射振动和结构可靠性。

5. 空间锂电池需要液冷吗？

不能直接照搬地面液冷方案。真空环境下没有正常空气对流，需要结合航天器热控系统通过导热和辐射管理热量。

6. 空间锂电池需要BMS吗？

需要进行电压、电流、温度、SOC以及安全状态管理，但具体架构和冗余策略需要依据航天任务设计。

7. 空间锂电池为什么需要进行辐射设计？

空间中的高能粒子和辐射可能影响电子器件和系统可靠性，因此需要根据任务轨道和环境进行抗辐照设计。

8. 空间锂电池需要做振动测试吗？

需要结合发射环境和具体任务要求开展机械环境验证，包括振动和冲击等测试。

9. GB/T 42635-2023是什么标准？

它是现行的：

《空间用锂离子蓄电池通用规范》

，2023年9月1日起实施。

10. 空间锂电池可以直接使用普通工业电芯吗？

不能仅凭电压、容量和能量密度判断。空间应用还需要考虑电芯一致性、寿命、真空、热环境、辐射、机械载荷和任务级可靠性验证。

总结

空间锂电池，是面向航天器空间环境设计的特殊锂离子储能系统。

它与普通工业动力电池最大的区别，不在于：

“电压更高”

或者：

“容量更大”

而在于必须解决：

真空 + 热环境 + 辐射 + 发射振动 + 长寿命 + 高可靠性

等空间任务特有的问题。

现代卫星通常通过：

太阳能阵列

获取主要电能，再使用：

空间锂电池

解决：

地影供电

峰值功率

应急供电

等需求。ESA公开资料显示，锂离子电池已经成为现代空间电源的重要技术路线，并在2001年的Proba-1任务中实现了早期空间应用。

在国内，目前空间锂电池已经有较明确的标准体系，包括：

GB/T 42635-2023《空间用锂离子蓄电池通用规范》

GB/T 38314-2019《宇航用锂离子蓄电池组设计与验证要求》

以及：

GB/T 43927-2024《航天器用锂离子蓄电池组安全设计与控制要求》。

国际空间项目还可以关注：

ECSS-E-HB-20-02A《Li-ion battery testing handbook》

等空间电池测试技术文件。

空间锂电池设计时，需要重点关注：

电芯体系

容量

DOD

循环寿命

工作温度

真空热环境

辐射

振动

冲击

BMS

故障容限

以及：

结构和电气安全。

对于真正的空间飞行产品，还必须进一步完成：

电芯筛选

设计验证

鉴定试验

环境试验

系统联调

以及：

任务验收。

因此，企业采购空间锂电池时，建议首先提供：

航天器类型 + 轨道 + 任务寿命 + 地影时间 + 平均功率 + 峰值功率 + DOD + 温度环境 + 重量限制。

在此基础上，再确定：

电芯体系 + 串并联结构 + BMS + PACK结构 + 热设计 + 验证方案。

浩博电池可围绕特殊环境、高可靠和定制化锂电池PACK进行方案开发。东莞市浩博光电科技有限公司可根据具体项目的电压、容量、功率、尺寸、重量、BMS及环境条件进行定制化PACK设计。

对于卫星和其他航天器的实际飞行应用，最终产品能否用于空间任务，应以具体项目的技术规范、设计验证、鉴定试验、环境验证和验收文件为最终依据。