DE69901325T2 - Batteriesystem für Raumfahrzeuge - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Batteriesysteme für Raumfahrzeuge und insbesondere eine Technik, die zu einer kompakteren Anordnung von Batteriezellen in einem Raumfahrzeug führt.
• Herkömmliche zweidimensionale Batteriepackmethoden benötigen mehr Raumfahrzeugbetriebsmittel (Montageraum, Masse und Wärmerohre) um die für höhere Leistung erforderliche erhöhte Anzahl von Batteriezellen zu handhaben. Doppelstapelzellen (die dreidimensional angeordnet sind, wie es in dieser Offenbarung empfohlen wird) reduziert diesen Betriebsmittelbedarf in großem Maß. Derzeitige Raumfahrzeuge platzieren alle Batteriezellen in eine Ebene (eine zweidimensionale Anordnung) auf einer Platte, die direkt an einem Wärmestrahler mit eingebetteten Wärmerohren angebracht sind. Bedarf an höherer Dunkelzeitleistung erhöht die Anzahl der Zellen, so dass sich auch die Batterien zugeordnete zweidimensionale Fläche erhöhen muss.
• Derzeitige Raumfahrzeuge nutzen schon alle Nord/Südplattenmontagefläche, die für Nutzlast reserviert ist, aber herkömmliche zweidimensionale Batterien erfordern einiges dieser Fläche, wenn die Nutzlastleistung zunimmt. Die durch dreidimensional angeordnete Batterien eingesparte Montagefläche kann nun zusätzlicher Nutzlast zugeordnet werden.
• Moderne Batterien für geosynchrone Satelliten umfassen einen Reihenanschluss von Zellen (derzeit überwiegend Nickel-Wasserstoffzellen) und umfassen eine geeignete Konstruktion zur Wärmeverteilung in der Batterie und zur Ableitung überschüssiger Wärme. Die Reihenanschlüsse und thermischen Subsysteme werden typischerweise durch Verteilen der einzelnen Zellen über eine zweidimensionale ebene Fläche ausgeführt.
• Fig. 1 stellt eine typische Stellung einer Batterieanordnung 20 dar, die benachbart ist zu einer Busanordnung 22 für ein Raumfahrzeug 24 (wie einem geosynchronen Raumfahrzeug), wo ein Paar gegenüberliegender Seiten im allgemeinen von direktem Auftreffen von Sonnenenergie fern gehalten werden. In einem geosynchronen Kommunikationssatelliten werden diese Seiten Nord- bzw. Südseiten 26, 28 genannt, und sind die primären Plattenmontageflächen und Wärmestrahler für Busausrüstung, Batterien und Kommunikationsnutzlastgeräte. Die Fläche zum Montieren aller Geräte direkt auf diese Wärmestrahlerplatten ist begrenzt, wenn also die Batterien mehr Montagefläche erfordern, dann muss die Montagefläche für Kommunikationsnutzlastgeräte oder die Montagefläche für Busausrüstung zum Ausgleich reduziert werden.
• Fig. 2 stellt eine herkömmliche Batterietechnik dar, eine zweidimensionale Anordnung, in der eine Vielzahl von Batteriezellen 34 für eine Batterie 36 auf einer Platte 38 montiert in einer einzigen Ebene über die primäre Batterieplattenmontagefläche verteilt sind. Es können in dieser Batteriestrahlerplatte eingebettete Wärmerohre vorhanden sein (nicht gezeigt), die zum Temperaturausgleich (Isothermalisieren) aller Batteriezellen verwendet werden, um eine effizientere Batterie zu erzeugen. In diesem Fall teilt sich die Batterieanordnung ein Gebiet mit der Busausrüstungsplatte. Zukünftige leistungsstärkere Raumfahrzeuge werden jedoch größere Batterien erfordern, was dazu führt, dass mehr primäre Plattenmontagefläche Batterien zugeordnet wird und weniger der Ausrüstung, die der Kunde tatsächlich wünscht, wie Busausrüstung.
• Fig. 3 stellt eine repräsentative Anwendung der Technologie mit einer Ebene (zweidimensional) an einem modernen Raumfahrzeug mit höherem Energiebedarf für die Dunkelzeit dar, wobei eine modifizierte vergrößerte Batterieanordnung 20A und eine kleinere Busausrüstungsanordnung 22A als Beispiel abgebildet sind. Fig. 4 stellt eine Perspektivansicht einer herkömmlichen Batterieaufbauanordnung dar. Die Fig. 3 und 4 stellen dar, dass, wenn die Anzahl der Batteriezellen 34 zunimmt, dann nimmt die den Batterien zugeordnete primäre Plattenmontagefläche proportional zu, so dass die Batterieanordnung 20 in Gebiete vorstößt, die zuvor für die Bauausrüstungsanordnung 22 reserviert war, die dann auf die Plattenmontagefläche 40 für Kommunikationsnutzlastausrüstung übertragen werden muss, wie es in Fig. 5 zu sehen ist. Das Problem ist, dass mehr Energie gewünscht ist, um die Nutzlastkapazität des Raumfahrzeugs 41 zu erhöhen, aber das negative Ergebnis ist eine Abnahme der primären Fläche, die für einen Nutzlastaufbau verfügbar ist, unter das derzeit vorgesehene.
• Ein Weg, um den Verlust an Plattenmontagefläche zu mindern ist, Batteriezellen mit höherer Kapazität aber derselben Montagestandfläche pro Zelle zu entwickeln. Diese größeren Zellen können dann die erforderliche höhere Gesamtwattstundenkapazität erbringen, während dieselbe Batterieplattenmontagefläche wie bei einem Raumfahrzeug mit niedrigerer Leistung beibehalten ist. Entwicklungen größerer Batteriezellen sind jedoch kostenintensiv und zeitaufwändig und ziehen Risiken des Programmablaufs nach sich. Die einfachste Implementierung höherer Leistung ist eine Erhöhung der Anzahl der Batteriezellen.
• Ein anderer Weg, um Nutzlastmontagefläche einzuhalten ist, die einzige Ebene (zweidimensional) der Batteriezellen 34 innen im Raumfahrzeug 42 zu verschieben, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Das Problem bei dieser Implementierung ist, dass sie ein wesentliches Volumen einnimmt. Es ist sehr schwierig, bei einer Batterie, die über diese große Fläche verteilt ist, einen Temperaturausgleich zu erreichen (d. h. isotherme Bedingungen darin einzuhalten) und es gibt viele mögliche Strömungswege für Wärme, die die von den Batterien bevorzugten niedrigen Temperaturbedingungen abbauen. Da die Batterien auch ihre eigene separate und einzigartige Temperaturumgebung haben müssen, müssen sie von einer Begegnung mit der sehr heißen Kommunikationsnutzlastausrüstung stark abgedeckt und abgeschirmt werden. Wird diese thermische Isolierung effektiv erreicht, werden aber auch die thermischen Strahlungswege blockiert, die zum Kühlen des Treibstoffs sowie der Elektronik des Raumfahrzeugs benötigt werden.
• US 5,634,612 zeigt ein Raumfahrzeug mit Batteriezellen auf einer Montageebene angebracht, wobei die Längsachsen der Zellen parallel zur Ebene verlaufen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Batteriesystem für ein Raumfahrzeug:
• eine ebene Montageplatte (54) mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Montageflächen,
• eine Vielzahl von Batteriezellen (34) in elektrischer Kontinuität umfassend eine erste Batterieanordnung (50), die über die erste Montagefläche der ebenen Montageplatte auf einer einzigen Ebene montiert und verteilt ist, und
• eine Vielzahl von Batteriezellen (34) in elektrischer Kontinuität umfassend eine zweite Batterieanordnung (52), die über die zweite Montagefläche der ebenen Montageplatte auf einer einzigen Ebene montiert und verteilt ist, wobei die Ebene der zweiten Batterieanordnung in einem Abstand von der Ebene der ersten Batterieanordnung angeordnet ist,
• dadurch gekennzeichnet, dass jede der Vielzahl von Batteriezellen (34) auf der entsprechenden Montagefläche der ebenen Montageplatte montiert ist und daraus hervorsteht.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Raumfahrzeug, bei dem Batteriezellen in zwei Ebenen angeordnet sind, wobei eine gemeinsame Montageplatte zwischen ihnen ein kompaktere Anordnung ermöglicht. Dadurch kann die Batterieanordnung aus einer begrenzten Montageflächenverfügbarkeit des Raumfahrzeugs wie den Nord/Südseiten entnommen und an entfernterer Stelle platziert werden.
• Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Satelliten bekannter Konstruktion darstellt, der eine Batterieanordnung und eine Busausrüstungsanordnung auf einer Nord- oder Südseite trägt;
• Fig. 2 stellt eine Draufsicht der Batterieanordnung und der Busausrüstungsanordnung auf der Nord- oder Südseite des in Fig. 1 dargestellten Satelliten dar;
• Fig. 3 stellt eine Draufsicht der Batterieanordnung und der Busausrüstungsanordnung auf der Nord- oder Südseite eines bekannten modernen Satelliten mit höherem Energiebedarf für die Dunkelzeit dar;
• Fig. 4 stellt eine Perspektivansicht des modernen Satelliten von Fig. 3 dar;
• Fig. 5 stellt eine Draufsicht einer Montageplatte eines bekannten Satelliten dar, die das Eindringen der Batterianordnung und der Busausrüstungsanordnung in Nutzlastmontagebereiche darstellt, um höhere Leistungsanforderungen zu unterstützen;
• Fig. 6 stellt eine Draufsicht einer Montageplatte eines bekannten Satelliten dar, die die für eine große Batterie erforderliche Montagefläche zeigt, wenn die Zellen in eine Konfiguration in einer Ebene verteilt werden;
• Fig. 7 stellt eine Seitenrissansicht einer Batteriemontagekonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
• Fig. 8 stellt eine Seitenansicht der in Fig. 7 dargestellten Batteriemontagekonfiguration dar;
• Fig. 9 stellt eine Draufsicht einer dreidimensionalen Batteriemontagekonfiguration in zwei Ebenen mit zwei separaten Packs, die als vier Module konstruiert sind, dar;
• Fig. 10 stellt eine Draufsicht einer anderen dreidimensionalen Konfiguration dar, die in vier Packs und achte Module konstruiert ist;
• Fig. 11 stellt eine Perspektivansicht einer dreidimensionalen Batterie in zwei Ebenen dar, die in vier Packs konstruiert ist, wobei Wärmerohre mit den Nord- und Südbatteriewärmestrahlern verbunden sind; und
• Fig. 12 stellt eine Perspektivansicht einer dreidimensionalen Batterie in zwei Ebenen dar, die für eine Implementierung als Ost- und Westbatterie ausgebildet ist.
• Mit Bezug zu den Zeichnungen und zunächst zu Fig. 7, die allgemein die Anordnung von zwei Zellebenen darstellt, spezifisch erste und zweite Batterieanordnungen 50, 52 mit einer gemeinsamen Batteriemontagplatte dazwischen. Diese Montageplatte 54 für beide Ebenen von Zellen 34 ist dieselbe und weist eingebettete Wärmerohre 56 auf, die gleichzeitig beide Ebenen isothermalisieren und verwendet werden, um in der Batterie erzeugte Wärme zu einem separaten entfernten Wärmestrahler 58 zu transportieren, wie es in einer Seitenansicht in Fig. 8 gezeigt ist. Die erhaltene Batteriestruktur ist nicht nur kompakter, sondern kann auch von ihrem Wärmestrahler 58 fern angeordnet sein, um mehr Auswahl für effektive Integration und mehr Raum für die Montage von Kommunikationsnutzlast zu ermöglichen. Außerdem erfordern die Batterieanordnungen 50, 52 weniger teure Wärmerohre 56, um die gewünschte isotherme Bedingung zu erreichen.
• Die oben diskutierte Fig. 6 stellt die Größe der Montagefläche dar, die für ein Paar großer Batterieanordnungen 44, 46 erforderlich ist, die jeweils aus 72 Zellen bestehen, wenn sie in einer einzigen zweidimensionalen Ebene verteilt sind. Im Gegensatz dazu stellt Fig. 9 ein Paar 59, 60 von Batterieanordnungen und Zellen 34 derselben Größe dar, wobei eine Batteriemontageimplementierung im Dreidimensionalen oder in zwei Ebenen zwei separate Packs aufweist und als vier Module gebaut ist, die sich in die Papierebene erstrecken. Dieser erhaltene dreidimensionale Batteriepack in zwei Ebenen weist in jedem Fall den offensichtlichen Vorteil auf, dass er kompakter ist, so dass er leichter zu handhaben und zu integrieren ist. Fig. 10 stellt eine andere dreidimensionale Implementierung dar, die als vier Packs oder Anordnungen 62, 64, 66, 68 und acht Module gebaut ist (wobei vier nicht zu sehen sind und in der Papierebene liegen), die auch Flexibilität bei der Integration und Platzierung einer großen Batterie in einem Raumfahrzeug 70 bringt.
• Fig. 11 stellt ein Raumfahrzeug 72 mit einer in 4 Packs gebauten dreidimensionalen Batterieanordnung 74 in zwei Ebenen dar, wobei Wärmerohre 56 (siehe Fig. 7 und 8) in der Montageplatte 54 mit Nord- und Südbatteriewärmestrahlern 58 verbunden sind. Diese Implementierung ermöglicht, dass die Buselektronikausrüstung 80 dieselbe Montagefläche verfügbar hat wie in den Anwendungen mit niedrigerer Leistung. Es kann in diesem Beispiel etwas Verlust der Batteriekapazität auftreten, weil die Batteriewärmestrahlungsfläche kleiner ausgebildet sein kann als die äquivalente primäre Plattenmontagefläche, aber dieser Verlust kann mit dem Zusatz einiger weiterer Batteriezellen ausgeglichen werden.
• Fig. 12 stellt eine dreidimensionale Batterieanordnung 82 in zwei Ebenen für ein Raumfahrzeug 84 dar, das für Ost- und Westbatterieimplementierung konstruiert ist, von der Art wie es offenbart ist in der Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 07/985,452 angemeldet von den Anmeldern dieser Erfindung am 5. Dezember 1997 und mit dem Titel "Satellite With East and West Battery Radiators". Diese Figur stellt die kompakte Natur einer großen Batterie dar, wenn sie in drei Dimensionen verpackt ist und keine Betriebsmittel von den primären Nord- und Südmontage- und -wärmestrahlerplatten erfordert.

Claims (6)

1. Batteriesystem für ein Raumfahrzeug umfassend:

eine ebene Montageplatte (54) mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Montageflächen,

eine Vielzahl von Batteriezellen (34) in elektrischer Kontinuität umfassend eine erste Batterieanordnung (50), die über die erste Montagefläche der ebenen Montageplatte auf einer einzigen Ebene montiert und verteilt ist, und

eine Vielzahl von Batteriezellen (34) in elektrischer Kontinuität umfassend eine zweite Batterieanordnung (52), die über die zweite Montagefläche der ebenen Montageplatte auf einer einzigen Ebene montiert und verteilt ist,

wobei die Ebene der zweiten Batterieanordnung in einem Abstand von der Ebene der ersten Batterieanordnung angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass jede der Vielzahl von Batteriezellen (34) auf der entsprechenden Montagefläche der ebenen Montageplatte montiert ist und daraus hervorsteht.

2. Batteriesystem für ein Raumfahrzeug nach Anspruch 1, umfassend Temperaturausgleichsmittel (56) zum gleichmässigen Verteilen von Wärme von den Batteriezellen in jeder der ersten und zweiten Batterieanordnungen über die ebene Montageplatte (54).

3. Batteriesystem für ein Raumfahrzeug nach Anspruch 2, in dem das Temperaturausgleichsmittel eine Vielzahl von in der ebenen Montageplatte (54) eingebetteten und mit den Batteriezellen thermisch verbundenen Wärmerohren (56) aufweist.

4. Batteriesystem für ein Raumfahrzeug nach Anspruch 1, umfassend:

Wärmestrahlermittel (58) zum Abstrahlen von Wärme in den Weltraum, und Wärmeleitmittel (56), die die ebene Montageplatte (54) mit den Wärmestrahlermitteln (58) thermisch verbinden, um Wärme von der ebenen Montageplatte weg und zum Wärmestrahlermittel zu ziehen.

5. Batteriesystem für ein Raumfahrzeug umfassend:

eine erste Batterieanordnung mit Batteriezellen (34), die in zwei Ebenen mit einer gemeinsamen Montageplatte (54) dazwischen angeordnet sind, und

eine zweite Batterieanordnung mit Batteriezellen (34), die in zwei Ebenen mit einer gemeinsamen Montageplatte (54) dazwischen angeordnet sind,

worin die Montageplatten (54) der ersten und zweiten Batterieanordnung in parallelen Ebenen in einem Abstand angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass jede der Vielzahl von Batteriezellen (34) auf der entsprechenden Montagefläche der ebenen Montageplatte montiert ist und daraus hervorsteht.

6. Raumfahrzeug mit einem Batteriesystem für ein Raumfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche.