蔡曉東 劉治鋼 葉培建

（1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）（2 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

嫦娥一號(hào)和嫦娥二號(hào)衛(wèi)星作為我國(guó)的月球衛(wèi)星先后飛抵月球并成功繞月飛行，拍攝了我國(guó)的第一幅月球全息影像圖，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)工程目標(biāo)和科學(xué)探測(cè)任務(wù)。月球衛(wèi)星與地球衛(wèi)星任務(wù)不同，它們雖面臨著比近地軌道衛(wèi)星更復(fù)雜的空間環(huán)境，但這兩顆月球衛(wèi)星的可展開(kāi)的太陽(yáng)電池陣和可再充電的氫鎳電池工作良好、性能可靠。該氫鎳電池除了在環(huán)月階段陰影期支持整星工作外，還須按要求在最初的發(fā)射階段提供功率，允許對(duì)飛往月球巡航期間衛(wèi)星姿態(tài)出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行調(diào)整，并支持近月制動(dòng)、環(huán)月、月食階段的供電，同時(shí)還須要考慮長(zhǎng)光照期間電池荷電保持。由于電池的性能衰降關(guān)系到衛(wèi)星的壽命，而充電控制方法對(duì)蓄電池的性能有著十分重要的影響［1］，因此必須制定行之有效的電池在軌管理策略。

本文針對(duì)月球衛(wèi)星氫鎳蓄電池應(yīng)用的特點(diǎn)，提出了電子電量計(jì)控制與硬件壓力控制相結(jié)合的氫鎳蓄電池在軌自主管理技術(shù)，包括充電控制模式、多模式多速率充電管理、全光照期充電管理和月食充電管理等，并給出了我國(guó)月球衛(wèi)星氫鎳蓄電池在軌測(cè)試情況，證實(shí)了在軌管理技術(shù)合理、有效。

2 月球衛(wèi)星電池工作特點(diǎn)

地球同步軌道衛(wèi)星每年分別在春分和秋分前后有兩個(gè)地影季，每個(gè)地影季約45d，最長(zhǎng)地影時(shí)間一般為72min，光照時(shí)間在22h以上，可供蓄電池充電的時(shí)間長(zhǎng)，充電倍率一般為C／10［2］，電池放電深度大，一般為70%～80%，充放電循環(huán)次數(shù)少，設(shè)計(jì)壽命為8～15a，除地影季外，衛(wèi)星長(zhǎng)期處于光照期，須要考慮電池光照期的管理，長(zhǎng)光照期涓流電流一般選擇為C／80～C／100［3］。太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星大部分的軌道運(yùn)行周期僅有90～95min，最大陰影時(shí)間則超過(guò)運(yùn)行周期的1／3，衛(wèi)星頻繁地進(jìn)出地影，電池1年充放電循環(huán)次數(shù)約為5 500次，放電深度淺，充電時(shí)間短，充電倍率大，無(wú)長(zhǎng)光照期［4］。

月球衛(wèi)星從起飛到環(huán)月的過(guò)程中，衛(wèi)星一般要經(jīng)歷調(diào)相、月地轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月等多個(gè)飛行階段，在環(huán)月軌道衛(wèi)星每年都要經(jīng)歷兩個(gè)長(zhǎng)光照季和兩次月食，其它時(shí)間則處于光照、月影循環(huán)中。因此，月球衛(wèi)星既有地球同步軌道衛(wèi)星特點(diǎn)：地影時(shí)間短、光照時(shí)間長(zhǎng)（且有長(zhǎng)光照期）；又具有太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星特點(diǎn)：循環(huán)周期短、充電電流大和充放電循環(huán)次數(shù)多；此外，特有的月食期間超長(zhǎng)的月影期也嚴(yán)重威脅到月球衛(wèi)星的安全。以嫦娥一號(hào)衛(wèi)星為例，其環(huán)月軌道高度為200km，軌道傾角90°，隨著太陽(yáng)與軌道面夾角的變化，太陽(yáng)電池陣入射角也不斷變化，其軌道的主要特點(diǎn)有：①軌道周期為127min，最長(zhǎng)月影時(shí)間為48 min；②每年兩個(gè)全光照季，光照季持續(xù)時(shí)間約45d；③每年2次月食，月食全過(guò)程的總時(shí)間均在5h以上，有效陰影時(shí)間一般在3h左右。

3 氫鎳蓄電池在軌管理及性能分析

充電終止控制對(duì)于保持蓄電池的性能十分重要，充電太少，將引起相當(dāng)快速的電池容量衰減，不能滿足衛(wèi)星可靠供電的要求，充電太多，將導(dǎo)致蓄電池性能衰降甚至提前終止其壽命。空間蓄電池常用的充電終止控制方法有［1］：第三電極控制、溫度補(bǔ)償電壓限制（T-V 曲線控制）、電子電量計(jì)控制、壓力控制、多倍率充電電流控制、地面遙控指令控制等，目前地球軌道衛(wèi)星多采用單一充電終止控制方法；而由于月球衛(wèi)星飛行程序復(fù)雜、工作模式較多，采用單一充電終止控制方法具有局限性。

3．1 月球衛(wèi)星電池在軌管理策略

3．1．1 充電控制模式

根據(jù)月球衛(wèi)星的工作特點(diǎn)，其配置的氫鎳電池的充電終止控制，采用了電子電量計(jì)控制作為主要控制手段，此外，依據(jù)月球衛(wèi)星地面測(cè)控弧段短的特點(diǎn)，為防止在電子電量計(jì)控制失效的故障情況下，由于過(guò)充電造成蓄電池的性能衰降，利用氫鎳電池壓力信號(hào)作為輔助控制手段，以電池的壓力保護(hù)信號(hào)作為正常壓力控制電路的自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)［5］，通過(guò)設(shè)置過(guò)充電保護(hù)功能，完成主動(dòng)和輔助控制的自主切換。因此，月球衛(wèi)星電池充電終止控制方式以電子電量計(jì)控制為主、壓力控制為輔。

3．1．2 多模式多速率充電策略

月球衛(wèi)星在調(diào)相、月地轉(zhuǎn)移和近月制動(dòng)飛行階段，長(zhǎng)期處于對(duì)日定向姿態(tài)，陰影期短、光照期長(zhǎng)，衛(wèi)星在經(jīng)歷短暫放電后，具有充足的充電時(shí)間；在環(huán)月飛行階段，月球衛(wèi)星處于對(duì)月定向姿態(tài)，衛(wèi)星頻繁地進(jìn)出月影，且月影時(shí)間隨著太陽(yáng)與衛(wèi)星軌道面的夾角的變化而變化，充電時(shí)間短，此外，由于衛(wèi)星載荷開(kāi)機(jī)不確定，衛(wèi)星的放電量范圍較大。因此，將衛(wèi)星的電子電量計(jì)控制方式分為調(diào)相充電模式、環(huán)月充電模式。根據(jù)衛(wèi)星所運(yùn)行的軌道不同（即運(yùn)行軌道期間的充、放電時(shí)間的不同），采用不同的充電模式，大大提高了充電效率，改善蓄電池性能、增加蓄電池壽命。電子電量計(jì)的工作原理［6-7］為：在放電時(shí)通過(guò)對(duì)放電電流積分獲得累計(jì)放電量Q放，在充電時(shí)通過(guò)對(duì)充電電流積分獲得累計(jì)充電量Q充，當(dāng)Q充與Q放滿足Q充≥K·Q放關(guān)系時(shí)，即停止對(duì)蓄電池充電或?qū)⑥D(zhuǎn)為涓流充電模式，其中K為充放電比值（C／D），為可調(diào)整參數(shù)。下文中K1～K4都為不同的充放電比參數(shù)，可通過(guò)遙控指令進(jìn)行設(shè)置。

“國(guó)際空間站”氫鎳電池的充電控制就是采用多速率充電策略模式的一個(gè)范例。一般情況下，其充電速率選擇3種或3種以上［8］數(shù)值。表1為“國(guó)際空間站”氫鎳電池多速率充電的充電電流值，在電池充電過(guò)程中采用了6種不同充電電流。

表1 “國(guó)際空間站”氫鎳電池充電速率Table 1 Nickel-hydrogen battery charging rate of ISS

針對(duì)月球衛(wèi)星調(diào)相充電模式、環(huán)月充電模式，分別設(shè)計(jì)了充電管理制度，規(guī)定適應(yīng)各種模式下的充電電流、充放電比值K。根據(jù)電池放電量的不同（即電池荷電態(tài)）選擇最佳的充電電流，以保證電池在可充電時(shí)間內(nèi)即滿足充放電平衡，又能最大限度地降低充電電流，減小充電應(yīng)力，通過(guò)采用分段多速率充電方法，先恒流充電到一定荷電態(tài)，再分多個(gè)階段逐步減小充電電流，直至達(dá)到設(shè)定的充放電比值，這種充電模式可以有效地降低電池的工作應(yīng)力，延長(zhǎng)電池壽命。

調(diào)相充電模式是針對(duì)調(diào)相軌道、地月轉(zhuǎn)移軌道段設(shè)計(jì)的，主要充電流程如下：當(dāng)放電電流大于1A時(shí)，接通所有的充電陣回路，并用電量計(jì)開(kāi)始累計(jì)放電量Q放；當(dāng)充電電流大于1A 時(shí)，用電量計(jì)開(kāi)始累計(jì)充電量Q充，同時(shí)將充電電流設(shè)置在11～16A 范圍內(nèi)，當(dāng)C／D 比值達(dá)到設(shè)定值K1時(shí)，充電電流將轉(zhuǎn)為8～13A，當(dāng)C／D 比值達(dá)到設(shè)定值K4時(shí)，斷開(kāi)所有的充電陣回路，并將充放電量清零。

環(huán)月充電模式是針對(duì)環(huán)月軌道段設(shè)計(jì)的，主要流程如下：當(dāng)放電電流大于1A 時(shí)，接通所有的充電陣回路，并用電量計(jì)開(kāi)始累計(jì)放電量Q放；當(dāng)充電電流大于1A 時(shí)，用電量計(jì)開(kāi)始累計(jì)充電量Q充，若放電量Q放＞25Ah時(shí)，采用9～14A 充電電流至充電量Q充≥6Ah，充電電流轉(zhuǎn)為20～25A，當(dāng)C／D 比值達(dá)到設(shè)定值K4時(shí)，斷開(kāi)所有的充電陣回路，并將充放電量清零；若放電量10Ah＜Q放≤25Ah，首先采用20～25A 至C／D 比值達(dá)到設(shè)定值K1時(shí)，充電電流轉(zhuǎn)為16～21 A，當(dāng)C／D 比值達(dá)到設(shè)定值K2時(shí)，充電電流轉(zhuǎn)為12～17A，當(dāng)C／D 比值達(dá)到設(shè)定值K3時(shí)，充電電流轉(zhuǎn)為10～15A，當(dāng)C／D 比值達(dá)到設(shè)定值K4時(shí)，斷開(kāi)所有的充電陣回路，并將充放電量清零；若Q放≤10 Ah，采用12～17 A 充電至C／D比值達(dá)到設(shè)定值K2時(shí)，充電電流轉(zhuǎn)為7～12A，當(dāng)C／D比值達(dá)到設(shè)定值K4時(shí)，斷開(kāi)所有的充電陣回路，并將充放電量清零。

壓力控制方式是為電量計(jì)控制出現(xiàn)故障時(shí)設(shè)計(jì)的，當(dāng)充電結(jié)束后，如果電量計(jì)控制失效，就會(huì)造成電池過(guò)充，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，充電控制方式將自動(dòng)切換為壓力控制方式，當(dāng)電池壓力到達(dá)設(shè)定閾值后自動(dòng)斷開(kāi)所有的充電陣回路。

3．1．3 全光照期充電策略

在地月轉(zhuǎn)移軌道，由于衛(wèi)星處于對(duì)日巡航姿態(tài)，在飛往月球的4～5天內(nèi)衛(wèi)星都處于全光照期。在環(huán)月軌道，衛(wèi)星1年內(nèi)一般有100多天的全光照期。為了減少長(zhǎng)光照期對(duì)蓄電池壽命的影響，一般將蓄電池調(diào)整到較低荷電態(tài)，由于氫鎳電池自放電較大，為了保證氫鎳電池在全光照期維持一定的荷電量，在長(zhǎng)光照期需要對(duì)電池進(jìn)行涓流充電，涓流電流值大小的選取與電池的溫度有關(guān)，若電池溫度較低，涓流充電電流值過(guò)大，就會(huì)造成電池過(guò)充電；若電池溫度較高，涓流充電值過(guò)小，就會(huì)造成電池欠充電。因此在全光照期，需要依據(jù)電池的壓力值判斷電池荷電態(tài)，通過(guò)接通或斷開(kāi)涓流充電將電池調(diào)整到理想狀態(tài)。

嫦娥一號(hào)和嫦娥二號(hào)衛(wèi)星在全光照期所選取的涓流充電電流為C／200，當(dāng)單體電池電壓低于1．35V時(shí)，采用小電流對(duì)電池進(jìn)行涓流充電。當(dāng)檢測(cè)到電池容量為滿荷電態(tài)的80%時(shí)，停止充電。當(dāng)單體電池電壓高于1．5V 時(shí)，對(duì)電池進(jìn)行放電調(diào)整，當(dāng)電池容量為滿荷電態(tài)的80%時(shí)，停止放電。

3．1．4 月食期充電策略

由于在軌飛行過(guò)程中月球衛(wèi)星將會(huì)經(jīng)歷地球衛(wèi)星不曾出現(xiàn)過(guò)的月食過(guò)程，連續(xù)無(wú)光照時(shí)間將達(dá)到3h，加上月食前后軌道已有的陰影過(guò)程，月食全過(guò)程的總時(shí)間均大于5h。月食階段對(duì)衛(wèi)星最主要的影響是星上能源維持的能力，此外，受到多種因素的制約，長(zhǎng)時(shí)間的陰影期將影響到蓄電池溫度的維持。針對(duì)月食期間長(zhǎng)達(dá)3h的月影時(shí)間對(duì)電池的影響，制定了月食期衛(wèi)星充電策略。

在月食期間，一方面所有的星上負(fù)載要由蓄電池放電提供，另一方面由于月食期間整星能源受到嚴(yán)重限制，星上熱控系統(tǒng)無(wú)法為蓄電池提供理想的放電溫度環(huán)境；因此，要求蓄電池在月食期間相對(duì)低溫的環(huán)境下，具有良好的放電性能。

該充電策略是根據(jù)氫鎳電池的充放電特點(diǎn)，在進(jìn)入月食前，將電池的充電管理模式切換到月食模式，在特定的階段對(duì)電池的容量和充放電比值進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)整星功率平衡分析，適當(dāng)調(diào)整月食前后整星負(fù)載，以確保整星在月食期間的能源平衡。首先，在衛(wèi)星進(jìn)入月食前，將衛(wèi)星充電模式調(diào)整為月食工作模式，即通過(guò)調(diào)整充放電比參數(shù)，在進(jìn)入月食前一個(gè)光照期對(duì)蓄電池適當(dāng)進(jìn)行過(guò)充電，確保星上蓄電池處于滿充狀態(tài)，為了使蓄電池在壽命周期內(nèi)仍保證良好的充放電性能，避免大電流充電、放電，根據(jù)光照期、陰影期將整星的功耗限制在一定范圍內(nèi)，在此期間通過(guò)不同時(shí)段增減加熱功率為衛(wèi)星加熱升溫，使衛(wèi)星能保持較高的溫度水平進(jìn)入月食。其次，根據(jù)在軌測(cè)試期間的整星負(fù)載情況，在月食期間，衛(wèi)星各分系統(tǒng)設(shè)置為最小功耗模式。最后，在衛(wèi)星出月食后，由于電池從深放電到充電不能立刻以大電流進(jìn)行充電，必須及時(shí)調(diào)整電池充電電流和充放電比，以小電流對(duì)蓄電池進(jìn)行淺充電，以確保蓄電池的壽命。

3．2 氫鎳電池在軌性能

3．2．1 衛(wèi)星發(fā)射至環(huán)月軌道段氫鎳蓄電池組數(shù)據(jù)分析

月球衛(wèi)星從發(fā)射到正式進(jìn)入環(huán)月飛行之前，氫鎳蓄電池采用調(diào)相軌道充電模式進(jìn)行充電，例如：嫦娥一號(hào)衛(wèi)星從2007年10月24日發(fā)射到2007年11月7日進(jìn)入環(huán)月軌道，衛(wèi)星在調(diào)相軌道經(jīng)歷了10次充放電循環(huán)，在地月轉(zhuǎn)移軌道經(jīng)歷2次充放電循環(huán)，在近月制動(dòng)段經(jīng)歷了10次充放電循環(huán)。對(duì)衛(wèi)星調(diào)相模式充電期間的在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，包括蓄電池組放電電流、蓄電池組電壓等參數(shù)，如圖1～2所示。

圖1 衛(wèi)星發(fā)射段蓄電池組放電電流、電壓曲線Fig．1 Curve of battery discharging current，voltage，during launching phase

圖2 衛(wèi)星調(diào)相軌道蓄電池組放電電流、電壓Fig．2 Curve of battery discharging current，voltage during phasing orbit

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星入軌段實(shí)際放電時(shí)間為75min，蓄電池放電深度為19．5%。在衛(wèi)星進(jìn)入調(diào)相軌道、地月轉(zhuǎn)移軌道和近月制動(dòng)軌道段時(shí)，蓄電池最大充電電流為22．4A、最大放電電流為26．3A，蓄電池最大放電深度為22．5%，蓄電池電壓在22．5～27．1V 之間，滿足此軌段放電深度小于40%的要求，蓄電池組各項(xiàng)工作參數(shù)正常。

3．2．2 環(huán)月軌道段氫鎳蓄電池組數(shù)據(jù)分析

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星從2007年11月7日開(kāi)始進(jìn)入127min的環(huán)月軌道，到2008年6月3日衛(wèi)星環(huán)月2 375圈，考慮52天的全光照期，蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)約2 000次。對(duì)衛(wèi)星環(huán)月初期和環(huán)月2 375圈后蓄電池組充放電在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，包括蓄電池組的放電電流、電池電壓、工作溫度及壓力，如圖3～6所示。 由圖3、圖5可以看出，蓄電池組最大工作壓力不超過(guò)5．5 MPa，最大充電電流為19．7A、最大放電電流為21．6A，平均放電深度為20%～32%，蓄電池組電壓在22～25V 之間，月食期間蓄電池組最大放電深度為66．5%；由圖4、圖6可以看出，蓄電池工作溫度環(huán)境在0～12℃；經(jīng)以上分析，蓄電池組各項(xiàng)工作參數(shù)正常。

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星從發(fā)射至成功撞月，在軌運(yùn)行時(shí)間為16個(gè)月，其中環(huán)月飛行約5 560圈，安全渡過(guò)三次月食，最長(zhǎng)月食時(shí)間168min。嫦娥二號(hào)衛(wèi)星從發(fā)射至今，在軌運(yùn)行時(shí)間已有2年，其中環(huán)月飛行約2 480圈，安全渡過(guò)長(zhǎng)達(dá)181min的月食。在月球衛(wèi)星在軌期間，蓄電池組還為多次變軌和軌道維持提供服務(wù)。

圖3 蓄電池組放電曲線（壽命初期）Fig．3 Curve of battery charging（BOL）

圖4 蓄電池組放電溫度曲線（壽命初期）Fig．4 Curve of battery temperature during discharging period（BOL）

圖5 蓄電池組放電曲線（2 000次循環(huán)后）Fig．5 Curve of battery discharging（after 2 000circles）

圖6 蓄電池組放電曲線（2000次循環(huán)后）Fig．6 Curve of battery temperature during discharging period（after 2 000circles）

4 結(jié)束語(yǔ)

月球衛(wèi)星針對(duì)大容量氫鎳蓄電池組快速充電的需求，通過(guò)提高充放電自主管理能力及適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了多模式、多速率、大電流快速充電。在月球衛(wèi)星氫鎳電池在軌管理中采用電子電量計(jì)為主，壓力控制為輔的充電管理策略，并實(shí)現(xiàn)了自主切換與管理，在整個(gè)任務(wù)飛行過(guò)程中，氫鎳電池以優(yōu)異的性能在軌運(yùn)行，圓滿完成了月球工程前期任務(wù)目標(biāo)，實(shí)踐證明氫鎳電池在軌管理技術(shù)合理有效。此電池在軌管理技術(shù)還可為月球工程及其它地球軌道衛(wèi)星的研制提供借鑒。

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