MEO衛(wèi)星氫鎳蓄電池組自主充電管理方法

曾毅 崔波 張曉峰

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

MEO 衛(wèi)星是軌道高度介于數(shù)千千米至地球同步軌道之間的衛(wèi)星。目前，世界上已發(fā)射的MEO衛(wèi)星主要運(yùn) 行 于20 000km 至25 000km 之 間 的 高度。由于其特有的軌道高度，MEO 衛(wèi)星既同地球同步軌道衛(wèi)星一樣有固定的地影季及長(zhǎng)光照期，又同低軌衛(wèi)星一樣有測(cè)控不可見弧段，因此MEO 衛(wèi)星的蓄電池管理技術(shù)有其自身的特點(diǎn)。

本文針對(duì)MEO 衛(wèi)星氫鎳蓄電池組應(yīng)用的特點(diǎn)，提出了新的將數(shù)字化控制與傳統(tǒng)硬件電壓-溫度（V-T）［1-2］控制相結(jié)合的氫鎳蓄電池組在軌自主管理策略，包括充電管理技術(shù)、防欠充過充保護(hù)技術(shù)、長(zhǎng)光照期涓流充電管理技術(shù)等內(nèi)容，并給出了在我國(guó)MEO 衛(wèi)星上在軌應(yīng)用的效果。

2 氫鎳蓄電池在MEO 軌道使用的技術(shù)特點(diǎn)

空間應(yīng)用的氫鎳蓄電池結(jié)合了燃料電池與鎘鎳蓄電池的優(yōu)點(diǎn)［3］，其充電特性與衛(wèi)星上廣泛應(yīng)用的鎘鎳電池有所不同。特別是充電終止的電壓-溫度（V-T）特性不像鎘鎳電池那樣是線性的［4］，若仍然沿用鎘鎳電池常用的模擬電路硬件V-T 控制方式，則難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的充電終止控制；另一方面，氫鎳蓄電池的自放電率隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，因此傳統(tǒng)的靠太陽電池陣限流的涓流充電方式在壽命初期有可能導(dǎo)致蓄電池組過充。但是，氫鎳蓄電池的單體壓力參數(shù)可以很好地反映蓄電池的荷電狀態(tài)，這是氫鎳蓄電池在軌充放電管理可以利用的一個(gè)重要特性，也是鎘鎳蓄電池所不具有的新特性。

運(yùn)行于20 000km 至25 000km 高度的MEO 衛(wèi)星，每年將經(jīng)歷兩次地影季，其他時(shí)間則處于長(zhǎng)光照期中，這一點(diǎn)與GEO 衛(wèi)星類似。然而由于軌道高度較低，MEO 衛(wèi)星最長(zhǎng)地影時(shí)間在60min左右，略短于GEO 軌道的72min，而軌道周期幾乎僅有GEO 軌道的一半，使得可用于充電的時(shí)間較GEO大大縮短。另外，MEO 衛(wèi)星有大量時(shí)間處于可測(cè)控范圍［5］之外，對(duì)星上自主管理提出了較高的要求。

以某MEO 衛(wèi)星為例，其軌道高度約22 000km，軌道傾角55°，其軌道與衛(wèi)星電源系統(tǒng)有關(guān)的主要特點(diǎn)有：

（1）每年兩個(gè)地影季，地影季時(shí)間由軌道升交點(diǎn)赤經(jīng)決定；

（2）最長(zhǎng)地影時(shí)間為60min左右；

（3）最大不可監(jiān)測(cè)時(shí)間為18h左右。

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，該衛(wèi)星采用42V 母線，整星功率2 000W，采用兩組40Ah的氫鎳蓄電池組作為儲(chǔ)能裝置。電源控制裝置在地影季采用C／10［6］的充電電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，長(zhǎng)光照期涓流電流由太陽電池陣的涓流陣限定為固定的C／200。

3 常用的蓄電池地影季充電管理技術(shù)

3.1 硬件V-T充電控制

與鎘鎳蓄電池類似，在一定的溫度范圍內(nèi)，氫鎳蓄電池在同一荷電狀態(tài)下，電池電壓隨溫度升高呈單調(diào)遞減關(guān)系。根據(jù)這一特性，氫鎳蓄電池也可采用鎘鎳蓄電池常用的電壓-溫度補(bǔ)償（即V-T曲線控制）的方式進(jìn)行充電終止控制。采集蓄電池的溫度和電壓，當(dāng)溫度與電壓滿足一定條件時(shí)，即停止充電。

采用電路實(shí)現(xiàn)的V-T 控制方式即為硬件V-T充電終止技術(shù)。由于電路特性的限制，通常只能按照線性的電壓-溫度特性進(jìn)行控制。為了適應(yīng)蓄電池的不同狀態(tài)，一般在電源控制器內(nèi)預(yù)置多條V-T曲線，覆蓋壽命初期、末期及存在一節(jié)單體失效等模式。硬件控制手段可作為軟件控制手段的備份和補(bǔ)充。以某MEO 衛(wèi)星為例，該衛(wèi)星預(yù)置了6條V-T曲線，在正常情況下都是用軟件作為主控手段，在軟件報(bào)故障或禁止的情況下，硬件V-T 仍能完成控制。6條曲線如圖1所示。

由于氫鎳蓄電池的V-T 特性并非線性，而硬件電路僅能實(shí)現(xiàn)有限的幾條線性V-T 曲線，因此硬件V-T 控制方法僅能完成基本的控制，對(duì)于溫度變化較大的情況則難以達(dá)到最佳的效果。

圖1 某MEO 衛(wèi)星硬件V-T 曲線Fig.1 Hardware V-T curve of a MEO satellite

3.2 電子電量計(jì)控制

電子電量計(jì)的工作原理為［7-8］：在放電時(shí)通過對(duì)放電電流積分獲得累積放電電量Q放，在充電時(shí)通過對(duì)充電電流積分獲得累積充電電量Q充，當(dāng)Q充與Q放滿足如下關(guān)系時(shí)即停止對(duì)蓄電池充電或?qū)⑿铍姵剞D(zhuǎn)為涓流充電模式

式中：K 為充放電比，為可調(diào)參數(shù)。在軌應(yīng)用時(shí)，可針對(duì)蓄電池的充放電特性進(jìn)行調(diào)整。該方法廣泛應(yīng)用于高低軌各類衛(wèi)星，通過調(diào)整充放電比的大小，可以對(duì)積分計(jì)算誤差進(jìn)行一定的補(bǔ)償，也可以克服蓄電池性能衰降的影響。

充放電比的大小，根據(jù)電源系統(tǒng)特點(diǎn)不同設(shè)置往往有差別，例如，低軌衛(wèi)星通常設(shè)置為1.05 至1.10左右，這是考慮到充電效率的影響。而以某MEO 衛(wèi)星為例，由于即便在最長(zhǎng)地影條件下，該軌道光照時(shí)間也是地影時(shí)間的10倍左右，因此該衛(wèi)星將充放電比設(shè)置為0.95，在滿足充放電比條件后轉(zhuǎn)入涓流充電模式，通過涓流充電補(bǔ)足蓄電池容量。

這種控制方法依賴于星上計(jì)算機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，由于電流取樣誤差的存在和積分對(duì)誤差有累積效應(yīng)，需要在地面和在軌飛行中，對(duì)電流取樣和充放比K 進(jìn)行細(xì)致的標(biāo)定。由于積分運(yùn)算的存在，當(dāng)累積誤差過大或者星上計(jì)算機(jī)出現(xiàn)復(fù)位等異常情況時(shí)，電子電量計(jì)控制可能會(huì)由于誤差過大或丟失積分?jǐn)?shù)據(jù)而失效，甚至導(dǎo)致過充或者過放等嚴(yán)重問題。

4 MEO衛(wèi)星應(yīng)用的控制策略及在軌驗(yàn)證

單一的電子電量計(jì)控制方法在電流檢測(cè)誤差過大，或者星上計(jì)算機(jī)異常情況下將無法完成正常的控制，甚至造成蓄電池組過充或者欠充，危及整星安全。本節(jié)提出在能源管理軟件中增加數(shù)字V-T 充電控制功能，并將電子電量計(jì)控制與數(shù)字V-T 控制緊密結(jié)合的方法，同時(shí)加入了必要的過充和欠充保護(hù)，以及長(zhǎng)光照期的涓流管理功能。在數(shù)字控制手段之外，還采用硬件V-T 作為輔助手段，當(dāng)數(shù)管軟件出現(xiàn)故障時(shí)，硬件V-T 控制電路仍可完成蓄電池的充電控制，從而形成了較為完善的MEO 衛(wèi)星氫鎳蓄電池組在軌管理策略。

4.1 數(shù)字V-T控制方法

數(shù)字V-T 是通過數(shù)管軟件實(shí)現(xiàn)的電壓-溫度補(bǔ)償控制。軟件通過當(dāng)前蓄電池溫度計(jì)算蓄電池充電終止電壓閾值，當(dāng)蓄電池電壓遙測(cè)值達(dá)到充電終止閾值時(shí)，即停止蓄電池倍流充電，轉(zhuǎn)入涓流充電模式。

相比硬件V-T，數(shù)字V-T 具有可根據(jù)蓄電池狀態(tài)靈活配置的優(yōu)點(diǎn)。在工廠電測(cè)、在軌運(yùn)行、蓄電池單體失效等不同情況下可以選用不同的曲線。根據(jù)蓄電池在軌充電的實(shí)際情況，還可以隨時(shí)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。同時(shí)，蓄電池的同一容量下電壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不是完全線性的，數(shù)字V-T 可以更精確地反映這一關(guān)系，達(dá)到最佳的控制效果。某MEO 衛(wèi)星數(shù)字V-T 曲線如圖2所示。

由于數(shù)字V-T 方法僅與當(dāng)前蓄電池電壓和溫度有關(guān)，即使計(jì)算機(jī)復(fù)位仍然能夠按照預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行控制。并且電壓和溫度的檢測(cè)在速度和精度方面對(duì)硬件的要求都比電流檢測(cè)大大降低，非常易于實(shí)現(xiàn)，甚至不需要專門地設(shè)置傳感器。數(shù)字V-T 技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)，正好克服了電子電量計(jì)控制的缺點(diǎn)，可以作為電子電量計(jì)控制功能的補(bǔ)充。其充電終止以蓄電池溫度和電壓作為標(biāo)志，在充放電比控制功能異常中斷的情況下，可以自主切換到數(shù)字V-T 控制完成蓄電池充電。而如果在電子電量計(jì)控制結(jié)束的狀態(tài)下，通過蓄電池壓力判定欠充，也可以切換至數(shù)字V-T 充電，補(bǔ)充所缺的容量。

圖2 某MEO 衛(wèi)星數(shù)字V-T 曲線Fig.2 Digital V-T curve of a MEO satellite

由于采用了電子電量計(jì)與數(shù)字V-T 結(jié)合的充電管理方式，MEO 衛(wèi)星在不可測(cè)控軌道弧段的充電管理安全性大大提高，克服了電流遙測(cè)精度較低帶來的問題，確保了良好的控制效果。圖3～圖5為某MEO 衛(wèi)星采用數(shù)字V-T 作為充電控制手段時(shí)的地影期壓力、溫度、電池組電壓變化曲線。雖然每天地影時(shí)間的不同造成電池組放電深度不同，MEO 衛(wèi)星氫鎳蓄電池組每天均能充電到固定的閾值，電池溫度和電壓狀態(tài)穩(wěn)定。

圖3 某MEO 衛(wèi)星地影期蓄電池壓力變化曲線Fig.3 Pressure of the battery of a MEO satellite in eclipse period

4.2 蓄電池防欠充、防過充保護(hù)技術(shù)

由于MEO 軌道不可測(cè)控弧段較長(zhǎng)，為了確保衛(wèi)星供電安全，特別是地影季的供電安全，蓄電池管理必須要考慮電池組過充和過放的問題。

氫鎳蓄電池可以通過蓄電池壓力監(jiān)測(cè)蓄電池的荷電狀態(tài)，通過在電子電量計(jì)和數(shù)字V-T 軟件中加入對(duì)蓄電池壓力的判斷，即可實(shí)現(xiàn)蓄電池的防欠充、防過充保護(hù)。

圖4 某MEO 衛(wèi)星地影期蓄電池溫度變化曲線Fig.4 Temperature of the battery of a MEO satellite in eclipse period

圖5 某MEO 衛(wèi)星地影期蓄電池組電壓變化曲線Fig.5 Voltage of the battery of a MEO satellite in eclipse period

某MEO 衛(wèi)星充電軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)置了專門的欠充保護(hù)壓力閾值。在蓄電池充電結(jié)束后，需對(duì)蓄電池壓力進(jìn)行判斷，若蓄電池壓力不高于該閾值，則繼續(xù)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，軟件轉(zhuǎn)入其他的充電終止模式。這樣就可以避免由于累積誤差或者誤指令等原因造成的蓄電池容量不足，確保衛(wèi)星進(jìn)入地影前有足夠的電量。

在防過充方面，采用硬件V-T 作為充電的備份手段，將硬件V-T 的充電終止閾值設(shè)置得較高，確保正常充電情況下不作用。當(dāng)軟件發(fā)生故障時(shí)，硬件V-T 就可以在蓄電池容量達(dá)到其動(dòng)作閾值時(shí)終止充電。同時(shí)，軟件還設(shè)置了最高蓄電池壓力保護(hù)閾值，當(dāng)蓄電池壓力到達(dá)該閾值時(shí)，軟件也將停止對(duì)蓄電池充電。

這些控制策略均在某MEO 衛(wèi)星上得到在軌應(yīng)用，各種控制方法的模式切換如圖6所示，該衛(wèi)星在軌飛行4年多，未出現(xiàn)蓄電池組過充或欠充現(xiàn)象。

圖6 控制模式的轉(zhuǎn)換Fig.6 Transition of the control mode

4.3 蓄電池長(zhǎng)光照期涓流充電管理技術(shù)

氫鎳蓄電池自放電速率較大，在長(zhǎng)光照期需對(duì)蓄電池進(jìn)行涓流充電，保持蓄電池的荷電狀態(tài)。

某MEO 衛(wèi)星采用了恒定涓流值的設(shè)計(jì)，由太陽電池陣上的充電限流陣限定涓流電流。由于太陽電池的短路電流隨壽命增長(zhǎng)而降低，而氫鎳蓄電池的自放電速率隨循環(huán)次數(shù)增長(zhǎng)而變大，為了確保壽命末期涓流能夠滿足蓄電池的要求，壽命初期涓流值則往往比蓄電池實(shí)際自放電電流大。通過間歇涓流充電的方式，維持蓄電池容量的平衡。

為了將蓄電池組在長(zhǎng)光照期的荷電狀態(tài)保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，既不過充又能保持足夠能量以應(yīng)對(duì)姿態(tài)失控等緊急情況，在某MEO 衛(wèi)星上應(yīng)用了通過星上軟件控制涓流充電的方法。軟件涓流管理也通過軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，采用蓄電池組壓力作為管理判據(jù)，當(dāng)蓄電池壓力由于自放電低于下限閾值時(shí)，則接通涓流充電開關(guān)。由于涓流電流大于自放電，蓄電池組壓力將緩慢升高，當(dāng)壓力到達(dá)上限閾值時(shí)，軟件則自動(dòng)斷開涓流充電開關(guān)。涓流電流和自放電電流都較小，通常一次控制周期在7～10 天左右。如圖7所示。

圖7 長(zhǎng)光照期涓流控制策略Fig.7 Trickle charge strategy in solstice period

這種控制方式在某MEO衛(wèi)星上得到了應(yīng)用，并推廣到了后續(xù)的高軌道衛(wèi)星，在長(zhǎng)光照期取得了非常理想的控制效果。如圖8、9所示，蓄電池組的壓力、電壓測(cè)量遙測(cè)參數(shù)隨著涓流管理的控制而呈現(xiàn)周期性的上升和下降，但始終維持在一個(gè)預(yù)定的范圍內(nèi)。

圖8 某MEO 衛(wèi)星長(zhǎng)光照期蓄電池組壓力變化曲線Fig.8 Pressure of the battery of an MEO satellite in solstice period

圖9 某MEO 衛(wèi)星長(zhǎng)光照期蓄電池組電壓變化曲線Fig.9 Voltage of the battery of an MEO satellite in solstice period

5 結(jié)論

MEO 衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，具有較長(zhǎng)時(shí)間的不可測(cè)控弧段，對(duì)星上蓄電池組充電管理的自主能力提出了較高要求。為了確保氫鎳蓄電池組在軌長(zhǎng)壽命高可靠運(yùn)行，某MEO 衛(wèi)星應(yīng)用了數(shù)字V-T、電子電量計(jì)兩種軟件管理方法與硬件V-T 電路相結(jié)合的充電控制方法，并通過軟件方式實(shí)現(xiàn)防過充和防欠充保護(hù)，確保了地影期氫鎳蓄電池組的高可靠自主充電管理。在長(zhǎng)光照期，某MEO 衛(wèi)星通過軟件監(jiān)測(cè)蓄電池組壓力，根據(jù)壓力自主控制涓流充電，將氫鎳蓄電池組保持在滿荷電態(tài)，消除了涓流電流不可調(diào)帶來的過充隱患。

某MEO 衛(wèi)星應(yīng)用的上述氫鎳蓄電池自主充電管理方法，經(jīng)過了4年實(shí)際的飛行驗(yàn)證，取得的主要經(jīng)驗(yàn)有：①將氫鎳蓄電池壓力參數(shù)應(yīng)用至蓄電池管理軟件能夠有效防止過充和欠充；②采用多樣的充電終止策略，明確不同策略間的優(yōu)先級(jí)關(guān)系，能夠大大提升充電管理的可靠性；③對(duì)于MEO 衛(wèi)星，必須采用有效的星上自主管理方式，提升衛(wèi)星平臺(tái)的自主運(yùn)行能力。

作為我國(guó)第一個(gè)MEO 航天器，某MEO 衛(wèi)星在氫鎳蓄電池管理方面做出了積極的探索，可供后續(xù)的航天器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。

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