習成獻 孔陳杰 李銳

(中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203)

能源系統(tǒng)作為衛(wèi)星的重要組成部分，承擔著整星的供配電任務(wù)，能源系統(tǒng)的安全可靠運行是衛(wèi)星正常運行的重要保障，對提高衛(wèi)星性能、增強衛(wèi)星在軌運行壽命起著決定作用[1-2]。鋰離子蓄電池是能源系統(tǒng)的重要組成部分，為衛(wèi)星的儲能電源，擔負著在衛(wèi)星發(fā)射主動段、地影期間以及光照期太陽電池陣供電不足時為星上負載供電的任務(wù)。鎳鈷鋁酸鋰(NCA)體系鋰離子蓄電池為新一代高比能量鋰電，采用高容量石墨材料，儲存特性和循環(huán)壽命相比于第一代鈷酸鋰(LCO)體系鋰離子蓄電池更加優(yōu)異，因此對NCA體系鋰離子蓄電池的在軌管理以及在軌特性進行分析就顯得尤為重要[3-7]。

本文針對中高軌道衛(wèi)星所處空間電磁環(huán)境較復雜[8]，地影季持續(xù)時間長，并且不可測控弧段時間較長的特點，提出了NCA鋰離子蓄電池組在軌自主管理技術(shù)[9-10]，并在北斗導航衛(wèi)星上進行了驗證，通過詳細的在軌數(shù)據(jù)特性分析，驗證了所設(shè)計系統(tǒng)的正確性和有效性，為NCA體系鋰離子蓄電池進一步改進設(shè)計以及后續(xù)其它型號鋰離子蓄電池的在軌自主運行提供經(jīng)驗[11]。

1 NCA蓄電池組在軌自主管理設(shè)計

衛(wèi)星采用兩組蓄電池組并聯(lián)供電，單體電池采用25 Ah的NCA鋰離子蓄電池，采用3并9串的結(jié)構(gòu)形式，形成75 Ah鋰離子蓄電池組。蓄電池組設(shè)計主備兩路加熱回路，每個蓄電池組內(nèi)設(shè)置3個溫度測量點，根據(jù)測量溫度對電池組實施主動控溫，以保證蓄電池組溫度滿足熱設(shè)計要求。

1.1 充電控制

蓄電池組的充電調(diào)節(jié)電路具備恒流/恒壓充電能力，充電電流以0.5 A為步長在0～8 A之間由指令進行16檔調(diào)節(jié)選擇，充電電壓以0.5 V為步長在30～38 V之間由指令進行16檔調(diào)節(jié)選擇，可同時滿足壽命初期、末期及蓄電池組單體失效模式下的不同充電需求。

1.2 均衡策略

均衡方式分為下位機軟件均衡、硬件均衡，軟件、硬件均衡均可實現(xiàn)在軌自主均衡，默認軟件自主均衡使能。采用定電壓差均衡方式，通過均衡算法找出最大最小單體電壓并標記，若兩者壓差大于60 mV，判讀其余單體電壓與最小電壓的壓差，當差值大于20 mV時，開啟對應(yīng)單體電池的分流開關(guān)，若最大單體電壓與最小單體電池電壓的壓差小于10 mV則停止均衡，再次開啟均衡需重新開始循環(huán)判斷，從而實現(xiàn)自主均衡管理功能。

1.3 蓄電池進出影管理

依據(jù)軌道太陽角自主判斷衛(wèi)星進出影時間，整星設(shè)置進出影標志，進出影標志決定蓄電池組在軌工作方式。蓄電池組進出影自主管理運行設(shè)置使能/禁止指令。

當進出影標志由“0”變?yōu)椤?”時，衛(wèi)星將在3天內(nèi)進影，星務(wù)能源管理按照進影前模式對蓄電池組進行操作，以使蓄電池組在較高溫度工作并進行滿充和均衡管理設(shè)置，充電終止電壓為36.45 V(初期)，根據(jù)衛(wèi)星運行時間可通過地面管理調(diào)整充電終止電壓延長蓄電池組的壽命。

當進出影標志由“1”變?yōu)椤?”時，衛(wèi)星出影。星務(wù)能源管理按照出影后模式對蓄電池組進行操作，蓄電池組進行擱置和電壓電流檔位設(shè)置，進入長光照擱置期管理。

1.4 長光照管理

衛(wèi)星進入長光照期，蓄電池組一般無功率輸出，為保證蓄電池組壽命，蓄電池以近半荷電態(tài)的擱置狀態(tài)進行管理。在確保衛(wèi)星功率需求前提下，結(jié)合衛(wèi)星用電安全和壽命要求，初期時擱置荷電態(tài)為72.5%～80%，對應(yīng)蓄電池組電壓范圍為34.2～35.1 V。衛(wèi)星在長光照期蓄電池擱置狀態(tài)下，如果檢測到蓄電池組電壓低于34.2 V(單體電壓3.80 V)時，就需要對蓄電池進行補充電操作(充電電流1 A)，當蓄電池組電壓到35.1 V(單體電壓3.90 V)時停止充電。

1.5 熱控管理

為確保蓄電池組的在軌壽命和最佳工作性能，需對蓄電池組進行熱控管理，以保證蓄電池組溫度滿足熱設(shè)計要求。衛(wèi)星進地影前3天，按照地影溫度閾值對蓄電池組進行加熱，6 h后蓄電池組溫度范圍控制在15～25 ℃內(nèi)，以便蓄電池組地影期的充放電操作；衛(wèi)星進入長光照擱置期的前3天，按照長光照擱置溫度閾值對蓄電池組進行設(shè)置，將蓄電池溫度控制在0～15 ℃內(nèi)，以便蓄電池組進行擱置期管理。

1.6 蓄電池組自主安全管理

中高軌衛(wèi)星地影時間較長，此外受地面測控站的地域限制，多數(shù)情況下地面站不可能對衛(wèi)星全程實時跟蹤，如果能源系統(tǒng)在不可測弧段內(nèi)發(fā)生故障，可能危及整星安全。因此，在衛(wèi)星整個壽命周期內(nèi)對蓄電池的自主健康狀態(tài)和自主運行能力進行提升，有助于提高衛(wèi)星的可靠性和安全性。

電池過放電管理是電池管理的重要內(nèi)容，主要分蓄電池組報警和單體電壓過放報警，由星務(wù)電源管理模塊判讀判斷，也可通過地面進行相關(guān)處理。地面可以向星載計算機注入電壓閥值，隨著壽命的進行，過放電報警閾值可進行調(diào)整，初期報警信號設(shè)置見表1。

表1 蓄電池過放電壓閥值Table 1 Batteries voltage threshold settings of over-discharge

蓄電池組電壓來自電源控制器(總線數(shù)據(jù))Vbat1、星務(wù)計算機(直接測量)Vbat2以及單體電壓(均衡器總線數(shù)據(jù))的加值Vbat3。如果連續(xù)3次檢測到蓄電池電壓Vbat1、Vbat2和Vbat3中有2個超閾值，則產(chǎn)生過放電報警信號，并依下述條件執(zhí)行操作。

(1)Vbati(i=1 to 3)小于VBOD1時，發(fā)出“整組過放電1”報警信號。此時星務(wù)計算機依照一定的順序?qū)d荷單機進行關(guān)機操作。

(2)Vbati(i=1 to 3)小于VBOD2時，發(fā)出“整組過放電2”報警信號。此時整星進入安全模式；蓄電池組按地影期進行設(shè)置，星務(wù)計算機按照安全模式關(guān)閉相關(guān)單機以降低負載電流。

(3)Vbati(i=1 to 3)小于VBOD3時，發(fā)出“整組過放電3”報警信號。此時由地面進行判斷發(fā)送指令斷開蓄電池組，但太陽電池陣可以對蓄電池組進行充電。

(4)任一蓄電池單體電壓(均衡器總線數(shù)據(jù))連續(xù)3次小于VCOD1時，產(chǎn)生“單體過放電”報警信號，由地面作相關(guān)判斷。

2 NCA鋰離子蓄電池在軌特性分析

2.1 長光照充放電分析

北斗導航某顆MEO衛(wèi)星在軌運行已滿2年，截取其中最近半年(存在光照期和地影期)的遙測數(shù)據(jù)進行分析。當衛(wèi)星進入長光照期時，蓄電池組為擱置狀態(tài)，如果檢測到蓄電池組電壓低于34.2 V(單體電壓3.80 V)時，就需要對蓄電池進行補充電操作，充電方式為小電流1 A充電，當蓄電池組電壓到35.1 V(單體電壓3.90 V)時停止充電。蓄電池組電壓及充電電流遙測數(shù)據(jù)如圖1和圖2所示。

圖1 A/B蓄電池組長光照期電壓曲線Fig.1 Diagram of A/B battery voltage curve during photoperiodic seasons

圖2 A/B蓄電池組長光照期充電電流曲線Fig.2 Diagram of A/B battery charge current curve during photoperiodic seasons

由圖1和圖2可知，當蓄電池組電壓降至34.2 V時，對蓄電池組進行1 A的小電流充電；當電壓充至35.1 V時，蓄電池組停止充電。充電起始荷電態(tài)為72.5%，充電結(jié)束荷電態(tài)為80%，補充充電周期約為26.5天，蓄電池組充電情況符合長光照期充電管理設(shè)計，NCA體系電池荷電保持能力較LCO體系大幅提升。

2.2 長光照溫度分析

為保證蓄電池組長壽命高可靠性工作，蓄電池組光照擱置期的溫度范圍為0～+15 ℃，同一蓄電池組內(nèi)各單體電池溫差小于3 ℃，不同蓄電池組間的溫差小于5 ℃。蓄電池組長光照期的溫度數(shù)據(jù)見圖3所示。

圖3 A/B蓄電池組長光照期溫度曲線Fig.3 Diagram of A/B battery temperature curve during photoperiodic seasons

由圖3可知，光照擱置期蓄電池組的溫度范圍為3～10 ℃，蓄電池組溫度一致性較好，同一組蓄電池單體最大偏差小于2 ℃，兩組之間小于3 ℃，蓄電池組長光照期的溫度管理符合全光照期儲存溫度管理設(shè)計。

2.3 地影期充放電分析

地影期蓄電池組的充電采用先恒流后恒壓的滿充充電控制方式。先以4 A的電流恒流充電，充電截止電壓36.45 V時轉(zhuǎn)恒壓充電，充電電流連續(xù)20幀小于0.25 A時，停止充電。蓄電池地影期的電壓、充放電和充電規(guī)律如圖4～圖8所示。

圖8 B蓄電池組單體電壓及單體最大壓差曲線Fig.8 Diagram of B battery single cell voltage and max voltage difference

圖4 A/B蓄電池組地影期電壓曲線Fig.4 Diagram of A/B battery voltage curve during eclipse seasons

從圖中可以看出，A/B兩組蓄電池組地影期放電過程中，最低放電電壓為33.52 V與33.21 V，最大放電深度約為33%。最低單體放電電壓約為3.72 V，各單體放電一致性良好，電池組內(nèi)最大偏差均為14.65 mV。最大放電深度時恒流充電時間為5 h，恒壓充電時間為35 min。蓄電池組充電情況符合地影期充電管理設(shè)計。

圖5 A蓄電池組地影期充放電電流曲線Fig.5 Diagram of A battery charge and discharge current curve during eclipse seasons

圖6 B蓄電池組地影期充放電電流曲線Fig.6 Diagram of B battery charge and discharge current curve during eclipse seasons

2.4 地影期溫度分析

衛(wèi)星進地影前3天，按照地影溫度閾值對蓄電池組進行加熱，6 h后蓄電池組溫度范圍控制在15～25 ℃內(nèi)，以便蓄電池組地影期的充放電操作。衛(wèi)星進入地影期蓄電池組的溫度變化情況見圖9所示。

圖9 A/B蓄電池組地影期溫度曲線Fig.9 Diagram of A/B battery Temperature curve during Eclipse Seasons

由圖9可知，蓄電池組地影期的工作溫度范圍為15.5～20.5 ℃，蓄電池組溫度一致性較好，同一組蓄電池單體最大偏差小于2 ℃，兩組之間小于2 ℃，控溫周期約20～30 min。蓄電池組地影期的溫度管理符合溫度管理設(shè)計。

2.5 均衡和自主故障

由圖7和圖8可知，衛(wèi)星在軌運行2年，蓄電池組最大放電深度約為33%，遠遠低于85%的過放閾值，此外蓄電池組電壓表現(xiàn)出較高的一致性，單體電池電壓最大壓差小于15 mV，單體電池電壓一致性良好，滿足初期小于60 mV的要求，不存在均衡問題和在軌自主安全管理問題。

圖7 A蓄電池組單體電壓及單體最大壓差曲線Fig.7 Diagram of A battery single cell voltage and max voltage difference

3 結(jié)束語

蓄電池組的在軌穩(wěn)定運行是能源系統(tǒng)正常運行的重要前提。鎳鈷酸鋰體系鋰離子蓄電池作為新一代高比能量鋰電池，儲存特性和循環(huán)壽命相比于第一代鈷酸鋰體系鋰離子蓄電池更加優(yōu)異。本文針對中高軌道衛(wèi)星所處空間電磁環(huán)境較復雜，地影季持續(xù)時間長，且不可測控弧段時間較長的特點，提出的NCA鋰離子蓄電池組在軌自主管理技術(shù)，成功地應(yīng)用在北斗導航MEO衛(wèi)星中，對衛(wèi)星近半年的蓄電池在軌數(shù)據(jù)進行分析比較，可為后續(xù)大規(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)支持，也可為后續(xù)其它航天器鋰離子蓄電池的在軌自主運行提供參考。