GBT 43927-2024 航天器用锂离子蓄电池组安全设计与控制要求标准立项发展报告

航天器用锂离子蓄电池组安全设计与控制要求StandardizationDevelopmentReport:SafetyDesignandControlRequirementsforLithium-ionBatteryPacksforSpacecraft摘要随着我国载人航天、深空探测及商业航天工程的持续推进，航天器用储能电源系统面临能量密度、循环寿命与安全性协同优化的重大技术挑战。锂离子蓄电池因具有比能量高、自放电率低、无记忆效应等突出优势，已成为新一代航天器储能电源的主流选择。然而，空间环境中的高真空、强辐射、剧烈温差等极端条件对锂离子蓄电池组的安全设计与控制提出了远超地面应用的特殊要求。在此背景下，国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）于2024年4月25日批准发布了GB/T43927-2024《航天器用锂离子蓄电池组安全设计与控制要求》，并于2024年8月1日正式实施。该标准是我国首部针对航天器用锂离子蓄电池组安全设计领域的国家标准，系统规定了蓄电池组在材料选型、电芯设计、结构设计、热管理与控制策略等方面的安全要求，填补了我国航天储能电源安全标准的空白，为各类航天器锂离子蓄电池组的安全研制与在轨运行提供了统一的技术依据。本报告对该标准的编制背景、主要内容与技术要点进行系统阐述，并对其行业影响与应用前景作出分析。关键词：航天器；锂离子蓄电池组；安全设计；控制要求；国家标准；储能电源Keywordsspacecraft;lithium-ionbatterypack;safetydesign;controlrequirements;nationalstandard;energystoragepowersupply一、引言1.1研究背景航天器电源系统是整个航天器的“心脏”，为星上各分系统提供持续、稳定的电能供给。随着航天器功能的不断丰富和对地观测、通信传输、深空探测等任务功率需求的持续增长，储能电源系统在航天器中的地位日益突出。传统的镉镍蓄电池、氢镍蓄电池已逐渐难以满足新一代航天器对高比能量、长寿命储能电源的需求，而锂离子蓄电池凭借其比能量高（可达传统蓄电池的2~3倍）、自放电率低、工作电压高、无记忆效应、循环寿命长等显著优势，已在国内外各类航天器上获得广泛应用。自2001年发射的PROBA-1卫星率先采用锂离子蓄电池作为储能电源以来，锂离子蓄电池已成为国际航天器储能电源的主流选择。然而，锂离子蓄电池在带来性能跃升的同时，也引入了严峻的安全挑战。锂离子蓄电池电解液多为易燃有机溶剂，电极材料在过充、过热、短路等异常状态下可能发生热失控，继而引发放热连锁反应，导致电池起火甚至爆炸。在航天应用场景下，蓄电池组还面临高真空环境下的散热困难、微重力条件下的热对流缺失、空间辐射环境对材料性能的劣化等特殊问题，安全风险更为突出。因此，从系统层面建立针对航天器用锂离子蓄电池组安全设计与控制的统一技术要求，已成为保障我国航天任务成功的迫切需求。1.2标准立项意义在GB/T43927-2024发布之前，我国航天器用锂离子蓄电池组的设计与研制主要参照一般工业用锂离子电池标准（如GB/T31485《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》等）或各研制单位的内部企业标准。但航天器用锂离子蓄电池组在可靠性要求、环境适应性、寿命指标、质量控制等方面与地面应用存在本质差异，直接套用地面标准难以满足航天任务的高可靠性与高安全性要求。部分研制单位虽建立了内部规范，但设计理念、验证方法、安全判据各不相同，跨单位协作与产品互通存在障碍。二、标准概况2.1标准基本信息GB/T43927-2024《航天器用锂离子蓄电池组安全设计与控制要求》是由国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）于2024年4月25日批准发布的国家标准，分类号归口于“航空航天制造用零部件”领域，发布日期为2024年4月25日，自2024年8月1日起正式实施。标准采用中文编写，现行有效。2.2标准定位与适用范围该标准定位于航天器用锂离子蓄电池组的安全设计准则与控制技术要求，属于产品设计与验证类的专用标准。其适用范围涵盖各类航天器平台（包括人造地球卫星、载人航天器、深空探测器等）所采用的锂离子蓄电池组，涉及蓄电池组从方案设计、详细设计、研制生产到地面试验验证的全过程安全管理。标准直接面向航天器储能电源系统的承制单位、总装集成单位及用户方，为各方在产品安全设计、验收与使用维护等环节提供统一依据。2.3编制原则与引用依据标准的编制遵循了以下主要原则：一是安全性优先原则，将保障航天器及其乘员安全作为最高准则；二是系统性原则，从电芯、电池组、系统控制三个层面统筹考虑安全设计；三是工程可操作性原则，所有技术要求均以工程可实现、可验证为前提；四是协调一致性原则，注重与我国航天行业现有标准体系的衔接配套。标准编制过程中主要参考引用了以下政策法规和标准文件：《中华人民共和国标准化法》、《中华人民共和国航天法（草案）》关于航天产品质量安全的规定条款，以及GB/T31485《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》、GB/T38031《电动汽车用动力蓄电池安全要求》、GJB9163《航天器用锂离子蓄电池通用规范》等国内标准，同时参考了ISO17546:2016《Spacesystems—Lithiumionbatteryforspacevehicles—Designandtestrequirements》等国际标准的技术框架。三、标准主要内容GB/T43927-2024《航天器用锂离子蓄电池组安全设计与控制要求》的内容架构围绕“安全设计”和“安全控制”两大主线展开，主体内容包括以下几个技术层面。3.1电芯安全设计要求电芯是蓄电池组的基本组成单元，其固有安全性决定了蓄电池组整体安全水平的上限（即“本征安全”）。标准从材料选择、电极设计、隔膜选型、电解液配方、壳体结构等方面提出了系统性的安全设计要求。在材料选择方面，标准明确要求正极材料应具备良好的热稳定性和结构稳定性。针对不同正极材料体系，标准给出了差异化的安全设计导向：如采用钴酸锂（LiCoO₂）体系时，应考虑其在过充状态下的结构坍塌和释氧风险；采用磷酸铁锂（LiFePO₄）体系时，虽热稳定性较好，但应关注其能量密度相对较低的不足。负极材料方面，标准对石墨类负极的表面处理和析锂防护提出了要求，在低温充电或大倍率充电工况下，应通过容量限制或策略设计抑制负极表面析锂。隔膜应选用机械强度高、热收缩率低的材料，并具备可靠的闭孔特性（ShutdownFunction），即当电池内部温度升至设定阈值时，隔膜微孔关闭，阻断离子传输，防止热失控进一步蔓延。电解液方面，标准要求选用电化学窗口宽、热稳定性好、闪点高的溶剂体系，鼓励采用阻燃添加剂或固态电解质技术路线以提升本征安全性。此外，标准还规定了电芯应设置安全泄压装置（防爆阀），在内部压力超过安全阈值时定向泄压，防止壳体爆裂。电芯壳体应具备足够的机械强度和耐腐蚀能力，以适应航天发射段的振动冲击环境和空间轨道的腐蚀环境。3.2蓄电池组结构设计要求（系统级安全设计）在电芯本征安全的基础上，标准对蓄电池组的结构设计提出了更为系统的安全要求。蓄电池组通常由多只电芯经串并联构成，其结构设计直接关系到机械完整性、热传递路径、电气连接可靠性等安全要素。在机械结构设计方面，标准要求蓄电池组的结构应能承受发射段的振动、冲击、加速度等力学环境而不发生永久变形、松动或断裂。结构件材料应选用比刚度高、热膨胀系数适中的宇航级铝合金、钛合金或复合材料，并进行相应的静力分析和疲劳分析。电池组的安装方式应考虑热胀冷缩的影响，避免因温度交变导致的结构应力和电芯受力不均。在电气安全设计方面，标准提出了多重防护的设计要求：蓄电池组应具备过充保护、过放保护、过流保护和短路保护功能。保护策略应包含硬件保护和软件保护两级架构，硬件保护作为最后一道防线应独立于软件控制回路，确保即使软件失效，硬件保护仍能可靠动作。对于串联电芯数量较多的蓄电池组，标准要求配置电芯均衡管理功能，防止因单体电芯电压不平衡导致的过充/过放风险。连接导体的截面设计应留有足够的电流裕度，连接点应采用可靠的焊接或紧固方式，防止接触电阻过大引起局部过热。3.3热安全设计与热管理控制热安全是航天器锂离子蓄电池组安全设计中的核心环节。空间环境中，蓄电池组工作于高真空条件，散热方式仅限于热辐射和传导，不存在地面自然对流散热条件，因此热设计的好坏直接决定了蓄电池组的工作温度和温度均匀性，是保障安全性、性能与寿命的关键。标准对热安全设计提出了三个层面的要求：第一，被动热设计层面，蓄电池组应通过合理的传热路径设计，将电芯产生的热量有效地传导至散热面。导热填料、导热绝缘垫、均温热管等的选用应满足导热性能和绝缘性能的双重要求。第二，主动热管理层面，标准要求蓄电池组应配备加热装置以应对轨道阴影期的低温环境，加热功率和控温策略应保证蓄电池组在允许的温度范围内工作。测温传感器的布点应具有代表性，能够有效监测电芯本体、极柱、母线等关键部位的温度。第三，热失控防控层面，标准明确要求蓄电池组设计应考虑单电芯热失控后的“热蔓延”抑制措施，通过隔热设计、阻隔结构等手段，将热失控限制在最小单元内，防止连锁反应导致整组失效。这一要求在技术思路上与电动汽车动力电池领域不断强化的“热扩散阻隔”理念保持一致，但针对空间真空环境进行了适应性调整。3.4控制策略与安全管理要求（BMS）蓄电池管理系统（BatteryManagementSystem,BMS）是蓄电池组安全控制的“大脑”。标准从功能安全的角度，对蓄电池管理系统的控制策略提出了明确要求。在状态监测方面，标准要求BMS应实时采集电压、电流、温度等关键参数，采样精度和采样频率应满足安全判定和故障诊断的需求。在状态估算方面，荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）的估算误差应控制在规定范围内，确保在轨能量管理决策建立在可靠的状态信息基础之上。在保护控制策略方面，标准针对不同故障类型给出了差异化的响应要求：针对过充故障，应在达到安全阈值前实施分级保护（报警→限流→切断）；针对过放故障，应防止单体电芯电压低于放电截止电压，避免因过放导致负极铜溶解等不可逆损伤；针对温度异常，应根据温度偏离程度实施加热、限功率或关机等对应策略。标准特别强调，保护动作阈值应留有合理裕度，避免在正常波动范围内误触发保护动作。在故障诊断与容错方面，标准要求BMS应具备故障检测、故障隔离和系统重构的能力。安全性关键故障应采用冗余传感器和冗余判断逻辑，防止因单一传感器故障导致错误保护动作或保护失效。在极端异常条件下，系统应具备安全降级运行模式，确保航天器关键功能仍能获得最小必要电能支持。3.5地面验证试验要求标准对安全设计有效性的地面验证提出了明确要求，验证项目涵盖电气安全、机械环境适应性、热真空环境适应性、热失控安全性等维度。其中，热真空试验是航天器蓄电池组特有的关键验证项目，模拟轨道真空和冷热交变条件，验证蓄电池组在真空环境下的散热性能、结构密封性能和功能性能。标准还引入了过充、短路、针刺等滥用试验（AbuseTest）要求，以验证蓄电池组在极端异常条件下的失效模式和失效后果是否满足安全限值。所有验证试验的测试条件、判定准则和数据记录要求均给出了明确规定。四、主要参与单位介绍GB/T43927-2024的制定汇集了我国航天储能电源领域的优势力量，由全国航天标准化技术委员会组织起草，多家航天核心科研院所和高校参与了编制工作。中国电子科技集团公司第十八研究所（天津电源研究所）是该标准编制的核心牵头单位。作为我国化学与物理电源领域唯一的国家级专业研究所，十八所自建所六十余年来始终致力于空间电源系统的研究、设计、制造与测试。该所承担了我国绝大多数卫星、飞船和探测器用锂离子蓄电池组的研制任务，积累了丰富的空间锂离子蓄电池组工程经验和大量在轨飞行数据。在标准编制过程中，十八所牵头组织了多轮技术研讨，将多年积累的工程经验和安全设计准则系统化、标准化，同时在电芯安全设计、热管理、保护控制策略等技术内容上提供了核心技术支持，为标准的科学性和工程适用性奠定了坚实基础。中国空间技术研究院（航天五院）下属的总体部和各专业研究所深度参与了标准编制工作。航天五院是我国载人航天器、卫星和深空探测器总体研制单位，在型号任务中积累了丰富的蓄电池组安全使用与管理经验，其对标准中“系统级安全设计”“在轨安全管理”等内容提供了大量工程输入和验证案例。此外，上海空间电源研究所（航天八院811所）、哈尔滨工业大学等也在标准编制中发挥了积极作用，分别围绕蓄电池组控制策略和电池安全机理分析等方向提供了专业支撑。五、结论与展望GB/T43927-2024《航天器用锂离子蓄电池组安全设计与控制要求》是我国航天储能电源领域标准化建设的一项里程碑式成果。该标准的发布实施，填补了我国航天器用锂离子蓄电池组安全设计领域国家标准层面的空白，构建了涵盖电芯本征安全、电池组结构安全、热安全控制、蓄电池管理系统功能安全以及地面验证试验全链条的标准体系。它不仅系统总结了我国航天锂离子蓄电池技术五十余年发展所积累的工程经验和安全准则，更融合了国内外相关领域的最新安全技术成果，体现了本征安全设计、多层防护架构、热失控蔓延防控等先进安全理念。标准的实施将有力规范各类航天器锂离子蓄电池组的安全设计流程，统一行业技术判据，促进航天储能电源产品的型谱化、系列化发展。展望未来，随着我国载人登月、国际月球科研站、火星采样返回等重大工程的推进，对航天器储能电源的比能量、循环寿命和安全性将提出更高要求。锂硫电池、固态电池等下一代高比能电池体系的工程化应用正在加速推进，相应地在安全设计与控制方面也将面临全新挑战。GB/T43927-2024所确立的安全设计理念和方法论，将为后续新型电池体系安全标准的制定提供重要参考框架。同时，随着商业航天蓬勃发展，小型化、标准化、批量生产的锂离子蓄电池组需求日益增长，期待在GB/T43927-2024的指导下，进一步完善我国航天储能电源标准体系，推动相关国际标准的制修订工作，提升我国在全球航天标准化领域的话语权和影响力。参考文献[1]国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会.GB/T43927-2024航天器用锂离子蓄电池组安全设