陳世杰　劉　震　朱立穎　崔　波（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

GEO衛(wèi)星氫鎳蓄電池壓力在軌特性研究

陳世杰劉震朱立穎崔波
（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

針對(duì)多顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星氫鎳蓄電池組壓力數(shù)據(jù)在軌正向漂移的現(xiàn)象，文章分析了測(cè)量方式及溫度對(duì)壓力遙測(cè)的影響，提出基于小波分析和平穩(wěn)時(shí)間序列分析的數(shù)據(jù)趨勢(shì)項(xiàng)提取方法，并在數(shù)據(jù)趨勢(shì)項(xiàng)的基礎(chǔ)上建立壓力遙測(cè)的修正模型。以該模型為依據(jù)，預(yù)測(cè)下一個(gè)地影季充電壓力終止點(diǎn)。研究結(jié)果：可以在地影季到來前，及時(shí)調(diào)整氫鎳蓄電池組在軌充電終止閾值和報(bào)警閾值，防止過充電，確保蓄電池組在軌管理的準(zhǔn)確性和安全性，并有效提高蓄電池組壽命。

氫鎳蓄電池；地球靜止軌道衛(wèi)星；壓力；修正模型

1　引言

地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星在過去的20年間都廣泛使用了氫鎳電池。國際上，已有近100顆衛(wèi)星攜帶10000多個(gè)氫鎳電池作為電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能部件，累計(jì)安全飛行近10億小時(shí)［1］。在國內(nèi)，除早期采用東方紅三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)的通信衛(wèi)星使用鎘鎳電池外，后續(xù)采用東方紅三號(hào)、東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)研制的十余顆GEO衛(wèi)星均采用氫鎳蓄電池組，一般為獨(dú)立壓力容器結(jié)構(gòu)。由于直接決定整星地影期的供配電任務(wù)完成情況，氫鎳蓄電池組的設(shè)計(jì)及在軌管理方法是供配電分系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目。常用的氫鎳蓄電池組充電控制方法有溫度-電壓（T-V）曲線控制、充放電比率控制等［2］。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)氫鎳蓄電池組充電控制方法已經(jīng)有了比較深入的研究。文獻(xiàn)［3］對(duì)衛(wèi)星氫鎳蓄電池組的充電控制技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了氫鎳電池壓力控制充電方案，以恒流源方式為氫鎳電池壓力傳感器供電，消除了系統(tǒng)的非線性誤差，提高壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)［4］對(duì)壓力-溫度曲線充電控制方法進(jìn)行了研究，引入溫度信號(hào)對(duì)壓力進(jìn)行補(bǔ)償，更為精準(zhǔn)地控制蓄電池的容量。文獻(xiàn)［5］提出了地影季的溫度-電壓控制與電量計(jì)結(jié)合的充電管理方法，以及長(zhǎng)光照期的壓力控制涓流充電方法。

由于直接決定整星地影期的供電情況，甚至影響衛(wèi)星壽命，氫鎳蓄電池組的充放電設(shè)計(jì)及在軌管理方法是整星的關(guān)鍵技術(shù)。作為壓力容器，氫鎳蓄電池組單體壓力是在軌判斷氫鎳蓄電池組荷電狀態(tài)和控制充電終止的重要指標(biāo)。而國內(nèi)的研究重點(diǎn)，均關(guān)注以氫鎳蓄電池的壓力為判據(jù)的充電控制方法，但對(duì)在軌實(shí)際壓力變化關(guān)注較少。用非壓力控制方法的多顆在軌GEO衛(wèi)星的氫鎳蓄電池充電壓力終止點(diǎn)數(shù)據(jù)，在多個(gè)地影季內(nèi)均表現(xiàn)出了不同程度的正向漂移，這很大程度影響了壓力作為充電終止判據(jù)的準(zhǔn)確性，甚至存在蓄電池組過充的風(fēng)險(xiǎn)。部分東方紅四號(hào)平臺(tái)及國外衛(wèi)星的星務(wù)計(jì)算機(jī)將壓力作為判據(jù)之一，且判據(jù)值可以上行注入，并輔助溫度控制等多種方法［6］。這種綜合判斷的方法更準(zhǔn)確，但壓力遙測(cè)的變化可能導(dǎo)致頻繁的上行注入閾值，帶來不必要的麻煩。同時(shí)，壓力遙測(cè)值的變大可能帶來誤報(bào)警的現(xiàn)象，對(duì)在軌管理產(chǎn)生干擾。一些國外的衛(wèi)星在軌管理過程中，同樣發(fā)現(xiàn)了充電壓力終止點(diǎn)正向漂移的現(xiàn)象，部分國外學(xué)者也對(duì)該現(xiàn)象開展了研究。Verbrugge等人從電化學(xué)和熱特性角度，認(rèn)為過量的氫氣來源于熱效應(yīng)下基體與氧化物的反應(yīng)，反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系符合阿倫尼烏斯模型［7］。但國內(nèi)外文獻(xiàn)并未對(duì)在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，也未對(duì)在軌管理方式提出意見，而該問題涉及蓄電池充電管理的安全性，因此采用結(jié)合在軌數(shù)據(jù)研究的方法十分重要。

針對(duì)該問題以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文首先介紹了氫鎳蓄電池組壓力在軌變化的具體現(xiàn)象，并結(jié)合地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析其具體原因。進(jìn)而以某衛(wèi)星數(shù)據(jù)為例，提取壓力遙測(cè)在其壽命周期內(nèi)變化的趨勢(shì)，并建立壓力變化的模型。最終，以該模型為依據(jù)，預(yù)測(cè)下一個(gè)地影季內(nèi)充電壓力的終止點(diǎn)。在軌管理中，可以根據(jù)該預(yù)測(cè)值及時(shí)調(diào)整充電壓力終止點(diǎn)閾值和遙測(cè)報(bào)警閾值，以提高蓄電池在軌充放電管理的安全性和準(zhǔn)確性。

2　氫鎳蓄電池組充電壓力終止點(diǎn)變化及其原因分析

采用非壓力控制方法的某衛(wèi)星蓄電池壓力遙測(cè)數(shù)據(jù)在一個(gè)地影周期內(nèi)和多個(gè)地影期內(nèi)的變化如圖1和圖2所示。多顆GEO衛(wèi)星表現(xiàn)出了相似的變化趨勢(shì)?？梢园l(fā)現(xiàn)，充電壓力終止點(diǎn)，即蓄電池在一個(gè)充放電周期內(nèi)壓力的最大值總體呈變大的趨勢(shì)。電壓、溫度等遙測(cè)值并未出現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，蓄電池壓力遙測(cè)值的變化并非是容量、溫度等因素引起。

圖1　蓄電池一個(gè)地影季內(nèi)地影季壓力遙測(cè)值變化曲線（2013）Fig.1　Telemetry data of pressure of battery in the shadow（2013）

圖2　蓄電池壓力遙測(cè)值變化曲線（2012—2014）Fig.2　Telemetry data of pressure of battery （2012—2014）

氫鎳蓄電池壓力在軌遙測(cè)值變化可能有多種原因。①測(cè)量誤差，國內(nèi)航天器蓄電池壓力測(cè)量方式一般采用單體電池表面貼壓力片的測(cè)量方式。該測(cè)量方法是一種間接測(cè)量方式，并不是蓄電池壓力遙測(cè)值的真實(shí)反映。而部分國外航天器的設(shè)計(jì)是將壓力傳感器插入壓力容器內(nèi)。該方法如果在保證焊接安全性和壓力安全系數(shù)的前提下，測(cè)量的準(zhǔn)確度優(yōu)于表貼測(cè)量方式［2］。同時(shí)，測(cè)量電路精度也會(huì)受到空間環(huán)境的影響。②蓄電池隔膜隨著時(shí)間的變化可能會(huì)有微小膨脹，這樣會(huì)導(dǎo)致壓力容器內(nèi)可容納氣體的體積變小，壓力升高。隨著在軌充放電循環(huán)的不斷進(jìn)行，鎳正極基體和活性物質(zhì)被氧化為更高價(jià)態(tài)，產(chǎn)生氫氣，導(dǎo)致壓力升高。

針對(duì)該問題，在地面開展了氫鎳蓄電池組高溫（25℃±3℃，即電池組在軌工作上限）壽命試驗(yàn)。選用3只80Ah電池共進(jìn)行80%放電深度循環(huán)900次，最終1只電池放電終壓低于1V，壽命試驗(yàn)結(jié)束。壽命試驗(yàn)各階段，循環(huán)中電池充電終止時(shí)壓力隨循環(huán)次數(shù)的變化如圖3所示。可以看出，充電終止壓力在整個(gè)壽命試驗(yàn)的過程中明顯增大，相對(duì)初期最大工作壓力，壽命試驗(yàn)即將結(jié)束時(shí)，電池最大工作壓力上升0.9MPa。

圖3　壽命試驗(yàn)中電池充電終止壓力變化曲線Fig.3　Curve of finial charging pressure in the life test

溫度是影響氫鎳電池循環(huán)壽命的重要因素。高溫循環(huán)（放電結(jié)束溫度超出30℃），充電效率低，正極微孔中有過量氧氣析出，將破壞骨架與基體的緊密結(jié)合，腐蝕電極，加速電極膨脹，縮短電池的循環(huán)壽命。同時(shí)，正極基體和活性物質(zhì)加速被氧化為更高價(jià)態(tài)，產(chǎn)生氫氣，壓力加速升高。

氫鎳蓄電池在軌管理中，溫控閾值為—6～—4℃，將溫度引起的退化失效控制在最小。因此，在軌實(shí)際壓力雖然仍有持續(xù)增大的趨勢(shì)，但并未出現(xiàn)壽命試驗(yàn)中過快上升直至電池失效的現(xiàn)象。

3　基于小波分析和平穩(wěn)時(shí)間序列分析的數(shù)據(jù)趨勢(shì)提取方法

3.1數(shù)據(jù)趨勢(shì)提取方法

遙測(cè)數(shù)據(jù)由于野值和精度問題，并不適合直接用來建模和預(yù)測(cè)。本文采用基于小波分析和平穩(wěn)時(shí)間序列分析的數(shù)據(jù)趨勢(shì)提取方法，獲得數(shù)據(jù)趨勢(shì)項(xiàng)，采用數(shù)據(jù)趨勢(shì)項(xiàng)建立的模型更加準(zhǔn)確。

小波分析在時(shí)域和頻域均具有較好的多分辨特性和局部特性，因此被作為一種時(shí)頻分析工具，廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的各個(gè)方面。本文利用一族時(shí)頻域特性較好的局域化基函數(shù)，將遙測(cè)數(shù)據(jù)在多層次正交空間上分解。通過小波分析后的退化數(shù)據(jù)具有噪聲小、特征明顯等優(yōu)點(diǎn)［8］。

根據(jù)傳統(tǒng)多分辨理論，將氫鎳蓄電池組壓力遙測(cè)數(shù)據(jù)依次進(jìn)行高通濾波和低通濾波，進(jìn)而得到退化數(shù)據(jù)的低頻信號(hào)和高頻信號(hào)。對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)一步分解，原始數(shù)據(jù)為P，設(shè)低頻信號(hào)分解層數(shù)為m，對(duì)分解的信號(hào)依次進(jìn)行小波重構(gòu)，可以表示為

式中:Gi為第i層高頻信號(hào)重構(gòu)的結(jié)果；Xm為第m層低頻信號(hào)結(jié)果。

分解的結(jié)果中，｛G1，G2…Gm｝為高頻信號(hào)，反映了遙測(cè)變化量的噪聲信息，作為隨機(jī)項(xiàng)。Xm為低頻信號(hào)，反映了遙測(cè)數(shù)據(jù)變化量的總體趨勢(shì)。設(shè)Y為壓力遙測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)項(xiàng)，而Z為隨機(jī)項(xiàng)［9］。因此，重構(gòu)結(jié)果可以表示為

時(shí)間序列分析廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域中，本身來源于統(tǒng)計(jì)學(xué)。時(shí)間序列的平穩(wěn)性分析是時(shí)間序列分析的基礎(chǔ)［10］。本文利用零均值平穩(wěn)時(shí)間序列對(duì)隨機(jī)項(xiàng)進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證其是否包含趨勢(shì)信息。

綜合以上方法，對(duì)氫鎳蓄電池組在軌壓力遙測(cè)數(shù)據(jù)提取的步驟如下:

（1）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行野值剔除；

（2）將野值剔除后的退化數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解，得到高頻數(shù)據(jù)和低頻數(shù)據(jù)；

（3）對(duì)高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)時(shí)間序列的丹尼爾檢驗(yàn)［10］，如果檢驗(yàn)結(jié)果滿足平穩(wěn)性假設(shè)，則對(duì)低頻數(shù)據(jù)再進(jìn)行一次小波分析。直到高頻信號(hào)序列檢驗(yàn)結(jié)果為非平穩(wěn)。

高頻信號(hào)的非平穩(wěn)證明退化數(shù)據(jù)的高頻分量中已經(jīng)存在一定趨勢(shì)。因此，該步驟之前的低頻信號(hào)為最終結(jié)果，其他數(shù)據(jù)之和為噪聲信號(hào)，整個(gè)過程如圖4所示。此方法可以有效地去除由于測(cè)量、信號(hào)變換等因素帶來的隨機(jī)內(nèi)容，結(jié)果可以反映出遙測(cè)值在該時(shí)間內(nèi)的趨勢(shì)信息。

圖6　蓄電池地影季壓力遙測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)項(xiàng)（2012—2014）Fig.6　Trending data of pressure in the shadow（2012—2014）

圖4　趨勢(shì)項(xiàng)提取程序流程圖Fig.4　Flow chart of data trend extraction

圖5　蓄電池地影季壓力遙測(cè)數(shù)據(jù)（2012—2014）Fig.5　Telemetry data of pressure in the shadow（2012—2014）

3.2壓力遙測(cè)趨勢(shì)提取結(jié)果

采用以上方法對(duì)某GEO衛(wèi)星氫鎳蓄電池組壓力遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)項(xiàng)提取。為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，僅對(duì)地影季內(nèi)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。遙測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示，數(shù)據(jù)趨勢(shì)項(xiàng)如圖6所示，隨機(jī)項(xiàng)如圖7所示。

圖7　蓄電池地影季壓力遙測(cè)數(shù)據(jù)隨機(jī)項(xiàng)（2012—2014）Fig.7　Random data of pressure in the shadow（2012—2014）

4　氫鎳蓄電池組充電壓力終止點(diǎn)修正

對(duì)數(shù)據(jù)趨勢(shì)項(xiàng)進(jìn)行擬合。經(jīng)驗(yàn)證，在線性擬合、指數(shù)擬合、對(duì)數(shù)擬合中，指數(shù)擬合方差最小，精度最高。擬合的基函數(shù)為P=atb，其中P為壓力，t為時(shí)間，得到結(jié)果為P=4.497t0.01934，其中，a的置信區(qū)間為（4.341，4.654），b的置信區(qū)間為（0.011 80，0.027 51）。擬合結(jié)果如圖8所示。

由此模型預(yù)測(cè)2014年秋季地影期內(nèi)壓力遙測(cè)值變化。如圖9所示，地影期結(jié)束時(shí)，壓力遙測(cè)的基準(zhǔn)值預(yù)測(cè)結(jié)果約為4.986 MPa，充電終止點(diǎn)約為5.331 MPa。

實(shí)際2014年秋季地影期內(nèi)，南蓄電池最大充電壓力終止點(diǎn)為5.315 MPa，預(yù)測(cè)精度達(dá)到0.3%。后續(xù)地影季到來前，可以根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整壓力報(bào)警門限及充電終止判據(jù)。

圖8　蓄電池地影季壓力遙測(cè)值擬合結(jié)果（2012—2014）Fig.8　Result of data fitting in the shadow（2012—2014）

圖9　蓄電池地影季壓力遙測(cè)值預(yù)測(cè)結(jié)果（2014）Fig.9　Prediction of the pressure in the shadow（2014）

5　結(jié)束語

本文針對(duì)多顆GEO衛(wèi)星在軌普遍存在的氫鎳蓄電池組充電壓力終止點(diǎn)變大的問題，采用小波分析和平穩(wěn)時(shí)間序列分析的方法對(duì)數(shù)據(jù)趨勢(shì)項(xiàng)進(jìn)行提取，并采用擬合的方法預(yù)測(cè)下一個(gè)地影季充電壓力終止點(diǎn)，精度達(dá)到0.3%。綜合全文，得到如下結(jié)論:

（1）GEO衛(wèi)星氫鎳蓄電池組壓力遙測(cè)值變化主要是由測(cè)量方式、電池隔膜變化等因素引起的。

（2）對(duì)于在軌GEO衛(wèi)星，本文提出的壓力遙測(cè)值修正方法可用于充電壓力終止點(diǎn)的調(diào)整，提高在軌蓄電池組管理的安全性和準(zhǔn)確性。具體可以根據(jù)實(shí)際蓄電池壓力遙測(cè)數(shù)據(jù)，建立趨勢(shì)變化模型，預(yù)測(cè)即將到來的地影季充電壓力終止點(diǎn)的最大值，提前修改充電管理閾值和報(bào)警閾值。

（3）對(duì)于在研衛(wèi)星，須要更加關(guān)注氫鎳蓄電池組壓力測(cè)量方式，并注意確保電池組所處的環(huán)境溫度在合適的范圍內(nèi)。

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（編輯：李多）

Research of On-orbit Nickel-hydrogen Battery Pressure Characteristics of GEO Satellite

CHEN Shijie LIU Zhen ZHU Liying CUI Bo
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

For the charge finishing pressure of nickel-hydrogen battery transferring to positive of on-orbit GEO satellites，this paper analyses the effects of measurement and temperature on telemetered presure data，then put forwards data trend extraction method based on wavelet analysis and stationary time series analysis，and builds a modified model according to the date trend extraction method.The charge finishing pressure telemetry data is predicted with the model.The conclusion is that modulating the charge finishing and alarming threshold can be adjusted before shadow to prevent over charging，which can ensure the accuracy and safety of the satellites on-orbit management，improving the life of the battery effectively.

nickel-hydrogen battery；GEO satellite；pressure；modified model

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.011

2015-11-03；

2016-03-09

國家自然科學(xué)基金（51407008）

陳世杰，男，工程師，研究方向?yàn)楹教炱麟娫纯傮w設(shè)計(jì)。Email：csjsuccess@126.com。