吳振葦,楊 波,王君召,韓業(yè)華,金仁淑
(上??臻g電源研究所,上海 200245)
微納衛(wèi)星具有質(zhì)量輕、功率小等特點(diǎn),且采取的發(fā)射方式多為一箭多星。但在火箭的設(shè)計(jì)過程中,未預(yù)留微納衛(wèi)星蓄電池組地面充電接口,使其裝星后,無法實(shí)現(xiàn)蓄電池組補(bǔ)充充電。擱置狀態(tài)下,發(fā)射任務(wù)對(duì)蓄電池組自放電率是有苛刻要求的[1-2],在微納衛(wèi)星裝箭到火箭發(fā)射這段時(shí)間內(nèi),務(wù)必保證蓄電池組的容量不低于特定閾值。
蓄電池組可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配等環(huán)節(jié),使自放電率最低。蓄電池組裝星后,需要考慮所有與蓄電池組互連單機(jī)的影響,對(duì)可能導(dǎo)致蓄電池組自放電的設(shè)備、潛回路進(jìn)行細(xì)致分析,采取措施,使其影響最小化。在15 d擱置期內(nèi),將電池組自身自放電、分系統(tǒng)中電池組外圍設(shè)備或潛回路導(dǎo)致的自放電考慮在內(nèi),應(yīng)保證蓄電池組自放電率不超過5%。若靜態(tài)擱置15 d后蓄電池組剩余容量偏低,星箭分離自啟上電后,整星無法上電或整星初次上電容量偏低,造成整星發(fā)射任務(wù)失敗[3-4]。
在(20±5)℃環(huán)境溫度下,整星系統(tǒng)正常連接狀態(tài),擱置15 d后,10 Ah額定容量的蓄電池組,其容量應(yīng)不小于擱置前容量的95%,即自放電率不大于5%。
根據(jù)蓄電池組測(cè)試記錄可知,蓄電池單體自放電率最大不超過3.6%。由于該蓄電池組由7節(jié)同類蓄電池單體串聯(lián)組成,因此蓄電池組自放電率最大不超過3.6%。同時(shí),在蓄電池組組裝前進(jìn)行同批次單體電池的開路電壓-SOC曲線測(cè)試,為后續(xù)驗(yàn)證該自放電率是否滿足指標(biāo)要求提供依據(jù)。
如圖1所示,整星連接狀態(tài)下,與蓄電池組直接互連的單機(jī)只有電源控制器。通過一次母線配電開關(guān)間接相連的單機(jī)主要為整星其余負(fù)載單機(jī),包括整星負(fù)載單機(jī)、姿軌控單機(jī)、熱控單機(jī)等[5]。在發(fā)射前,配電開關(guān)均為斷開,只有直供電單機(jī),即綜合計(jì)算機(jī)與一次母線直接相連。電源控制器中,單體采樣開關(guān)及放電開關(guān)處于斷開狀態(tài);分離使能開關(guān)處于閉合狀態(tài);行程開關(guān)處于壓緊閉合狀態(tài),將分離自啟上電所用的PMOS管IRF5M5210的柵極與源極短接,使PMOS管處于斷開,保證整星處于無電狀態(tài)。特別說明,發(fā)射后,星箭分離時(shí)將行程開關(guān)斷開,PMOS管通過電阻分壓后導(dǎo)通,完成整星自主上電[6]。
圖1 整星連接狀態(tài)下蓄電池組接口示意圖
在除分離自啟使能開關(guān)閉合,其余開關(guān)均斷開的前提下,與蓄電池組電接口互連的電路只有單體均衡電路、分離自啟電路、放電開關(guān)電路、續(xù)流充電電路。為保證互連后對(duì)蓄電池組放電率的最小化,需要對(duì)各互連接口對(duì)蓄電池組造成的靜態(tài)漏電流進(jìn)行評(píng)估。
1.3.1 單體均衡電路分析
如圖2所示,每個(gè)單體的均衡電路通過電纜與蓄電池組各單體進(jìn)行直接相連[7],此時(shí)為發(fā)射前擱置,整星處于無電狀態(tài),均衡指令為高阻狀態(tài),蓄電池單體N的電壓通過三極管Q1與電阻RE25與電阻R26上拉至三極管Q17集電極,選用低漏電流的三極管有助于降低Ic+I漏的值。
選用的三極管Q17型號(hào)為2N2222AUB,在最大N=7時(shí),最大電壓不超過30 V,即Q17的VCE最大為30 V,其I漏最大不超過0.05 mA;而此時(shí)若Ib有電流通過,則必然導(dǎo)致Q1的基極與發(fā)射極之間的壓降為0.7 V,導(dǎo)致IN=0.7 V/200 kΩ=3.5 μA>>0.05 μA;因此靜態(tài)擱置狀態(tài)下流經(jīng)Q17的漏電流I漏均由單體N通過電阻RE25和RE26提供。
圖2 單體N均衡電路示意圖
根據(jù)各單體N的電壓均不超過4.2 V,因此Q1的VCE最大不超過4.2 V。根據(jù)2N3637的手冊(cè)可知,Q1的最大電流ICEO不超過10 μA,故圖2中Ic最大為10 μA。因此單體N經(jīng)均衡電路造成的放電電流最大不超過:I均衡=I漏+Ic=0.05 μA+10 μA=10.05 μA。
特別地,如圖3所示,對(duì)于單體1,其余各單體的I漏均流經(jīng)單體1,因此各單體I均衡的最大電流為單體1的I均衡,即:I均衡=N×I漏+Ic=7×0.05 μA+10 μA=10.35 μA。
1.3.2 分離自啟電路分析
如圖4所示,發(fā)射前擱置期間行程開關(guān)處于壓緊狀態(tài);分離使能開關(guān)處于接通狀態(tài),蓄電池組電壓按照最大不超過30 V計(jì)算,可知I行程=30 V/510 kΩ=58.8 μA;而衛(wèi)星各用電單機(jī)均處于連接狀態(tài),通過PMOS管漏電流最大不超過100 μA,可知I母線=100 μA×2=200 μA。因此,蓄電池組靜態(tài)放電電流最大為I自啟=I母線+I行程=258.8 μA。
圖3 各單體因單體均衡電路引起靜態(tài)電流的流向示意圖
圖4 蓄電池組因分離自啟電路引起靜態(tài)電流的流向圖
1.3.3 放電電路分析
由于發(fā)射前,放電開關(guān)始終處于斷開狀態(tài),因此該電路對(duì)蓄電池組無靜態(tài)放電電流。
1.3.4 續(xù)流充電電路分析
如圖5所示,續(xù)流充電電路只有兩只并聯(lián)的二極管35CGQ100SCV,該二極管在最大反向電壓不超過30 V時(shí),反向漏電流最大不超過70 μA,因此I續(xù)流=140 μA。
圖5 蓄電池組因續(xù)流充電電流引起的靜態(tài)電流流向圖
綜上,發(fā)射前擱置狀態(tài)下,由于互連造成的蓄電池組靜態(tài)放電電流最大不超過I總=I均衡+I自啟+I續(xù)流=10.35 μA+258.8 μA+140 μA=409.15 μA。在靜態(tài)擱置 15 d后,造成蓄電池組容量損失為409.15 μA×24 h/d×15 d=0.147 Ah。所選用蓄電池組額定容量為10 Ah,該互連電路造成蓄電池組的放電率為0.147 Ah/10 Ah×100%=1.47%。
依據(jù)1.2節(jié)和1.3節(jié),發(fā)射前擱置15 d后,蓄電池組總自放電率最大不超過3.6%+1.47%=5.07%,設(shè)計(jì)的自放電率與不大于5%的指標(biāo)存在偏差;而與蓄電池互連單機(jī)的各功能電路的器件選型已為最優(yōu),無法繼續(xù)優(yōu)化,需要后續(xù)實(shí)測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)校核。
此外,該蓄電池組的額定容量為10 Ah,15 d后因互連電路引起蓄電池組的放電率為1.47%,后續(xù)衛(wèi)星因整星功率增加及在軌工作模式變化,相應(yīng)的蓄電池組額定容量為15 Ah或更高。在其他條件不變時(shí),擱置15 d后,自放電率滿足要求,發(fā)射飛行時(shí)電池組電能充裕,保障發(fā)射任務(wù)成功。具體計(jì)算如下:若蓄電池組額定容量為15 Ah,則該互連電路引起的蓄電池組的放電率最大不超過0.147 Ah/15 Ah=0.98%,則蓄電池組自放電率最大為0.98%+3.6%=4.58%,滿足5%的指標(biāo)要求。
對(duì)組成蓄電池組的同批次單體進(jìn)行容量測(cè)試和開路電壓測(cè)試,測(cè)試溫度為10℃,容量約為11 Ah。對(duì)充滿電單體進(jìn)行0.2C放電,每放電10%容量進(jìn)行開路1 h,測(cè)量其電壓,測(cè)試結(jié)果見表1所示,測(cè)試結(jié)果擬合曲線如圖6所示。
表1 10 Ah單體自放電率測(cè)試結(jié)果
圖6 10 Ah單體自放電率測(cè)試結(jié)果擬合曲線
根據(jù)前述,整星按照?qǐng)D1的示意圖進(jìn)行連接。
2018年10月26日至2018年11月15日XX-1衛(wèi)星進(jìn)行了整星的自放電率測(cè)試,將整星斷電后對(duì)蓄電池開路電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),衛(wèi)星放置于總裝廠房?jī)?nèi),環(huán)境溫度約為20℃。具體測(cè)試描述如下:
(1)在蓄電池組恒壓充電狀態(tài)下,充電電流小于0.5 A時(shí),靜置2 h后進(jìn)行擱置前測(cè)試,記錄蓄電池組整組電壓。重復(fù)測(cè)試,記錄3次,取中間值。
(2)靜置15 d后,進(jìn)行蓄電池組電壓再次測(cè)量,記錄整組電壓。重復(fù)測(cè)試,記錄3次,取中間值。此外按照總體要求,加測(cè)5 d擱置實(shí)驗(yàn),使累計(jì)擱置時(shí)間達(dá)20 d。
(3)通過靜置前后的蓄電池組電壓,計(jì)算蓄電池組的實(shí)際自放電率,判讀是否滿足分系統(tǒng)下5%自放電率的指標(biāo)。
測(cè)試結(jié)果見表2,20 d內(nèi)蓄電池組電壓共下降23 mV,單體電壓下降3.3 mV。
從圖6中可以看到,前10%容量范圍內(nèi)容量與壓降為線性關(guān)系。從表2測(cè)試數(shù)據(jù)可知,滿電態(tài)放電10%(即1.11 Ah),電壓下降約73 mV,根據(jù)線性關(guān)系推算3.3 mV壓降對(duì)應(yīng)容量損失約為51 mAh,即總?cè)萘康?.46%??紤]測(cè)試溫度及其他因素影響,本次靜置實(shí)驗(yàn),室溫下20 d后,自放電率實(shí)際不超過0.8%。具體各測(cè)試時(shí)間點(diǎn),對(duì)應(yīng)的當(dāng)前容量相對(duì)于靜置前的容量百分比及自放電率如表3所示。
綜上,20 d靜置環(huán)境下蓄電池組自放電率為0.8%,滿足整星連接狀態(tài)下,15 d后蓄電池組自放電率不大于5%的指標(biāo)。
單體生產(chǎn)階段對(duì)單體進(jìn)行了15 d自放電率測(cè)試,即15 d自放電率約為3.5%,測(cè)試結(jié)果見表4,該值遠(yuǎn)大于蓄電池組自放電率為0.8%。
由于單體測(cè)試自放電在2018年3月進(jìn)行,時(shí)間較早,在單體生產(chǎn)結(jié)束后進(jìn)行,此時(shí)單體內(nèi)部SEI膜尚未完全穩(wěn)定,自放電測(cè)試過程中包含了單體的老化過程,因此其自放電率也較高。通過老化后,單體內(nèi)部SEI膜逐漸趨于穩(wěn)定[8],后續(xù)單體自放電率會(huì)明顯降低,即蓄電池組本身的自放電率在后續(xù)老化完成后自放電率會(huì)低于表4的初期實(shí)測(cè)值,滿足20 d自放電率不大于5%的要求。
根據(jù)1.3節(jié)分析可知,影響蓄電池組自放電率的只有均衡電路、分離自啟電路及續(xù)流充電電路三部分。
均衡電路三極管2N3637在發(fā)射極與集電極之間外加4.5 V電壓,通過10只2N3637并聯(lián)實(shí)測(cè),如圖7所示。實(shí)測(cè)總電流不超過0.01 mA,實(shí)際每只三極管ICEO=1 μA。
圖7 2N3637的發(fā)射極與集電極之間漏電流的實(shí)物測(cè)試框圖
分離自啟電路所用的PMOS管IRF5M5210在常溫,VDS=-100 V時(shí),漏電流最大為25 μA。復(fù)核復(fù)算時(shí),漏電流按100 μA,整星擱置實(shí)驗(yàn)條件為常溫常壓,且D、S兩端壓差最大不超過30 V。實(shí)際兩只PMOS管并聯(lián)遠(yuǎn)小于前期設(shè)計(jì)所用的200 μA。
續(xù)流充電電路用二極管35CGQ100實(shí)際反向電壓最大不超過30 V,依據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的反向電壓-漏電流曲線圖可知,室溫時(shí)漏電流為50 μA,小于設(shè)計(jì)的最大值70 μA。
上述分析整理后如表5所示。
表5 實(shí)際自放電率與復(fù)核復(fù)算自放電率
綜上,復(fù)核復(fù)算時(shí)考慮裕量較大,靜置15 d自放電率為1.47%;實(shí)際按照器件手冊(cè),常溫靜置15 d自放電率不超過0.32%。
根據(jù)前期復(fù)核復(fù)算,靜置15 d后蓄電池組自放電率超過5.07%;而整星連接狀態(tài)實(shí)測(cè)蓄電池組自放電率為0.8%。其中:
(1)互連的其他單機(jī):考慮裕量較大,包括關(guān)鍵器件的參數(shù)選擇均按照手冊(cè)給出的最大值進(jìn)行復(fù)核,計(jì)算出電源控制器對(duì)蓄電池組自放電率的影響為1.47%,而實(shí)際蓄電池組容量大于10 Ah,造成此部分自放電率進(jìn)一步偏大;
(2)蓄電池組:由于單體測(cè)試自放電時(shí)機(jī)較早,通常在單體生產(chǎn)結(jié)束后進(jìn)行,此時(shí)單體內(nèi)部SEI膜尚未建立穩(wěn)定,自放電測(cè)試過程中包含了單體老化過程,其自放電率也較高,故前期測(cè)試數(shù)據(jù)表征蓄電池組自放電率為3.6%。單體老化后內(nèi)部SEI膜趨于穩(wěn)定,后續(xù)自放電率會(huì)明顯降低,因此實(shí)際靜置實(shí)驗(yàn)(20 d),計(jì)算蓄電池組自放電率為0.8%。
綜上在整星狀態(tài)下,蓄電池組靜置15 d(實(shí)測(cè)20 d)后容量不小于擱置前容量的95%,滿足擱置要求。以及后續(xù)復(fù)核復(fù)算時(shí),按真實(shí)狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算,對(duì)于偏差比較大的參數(shù)通過典型數(shù)據(jù)測(cè)試,進(jìn)行校核,避免過設(shè)計(jì),造成不必要的成本浪費(fèi)。