衛(wèi)星用鋰離子蓄電池性能分析與在軌管理方法

羅廣求，段艷麗，羅 萍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384）

鋰離子電池具有比能量大、充放電效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，非常適合作為衛(wèi)星的儲(chǔ)能電源。國(guó)際上，鋰離子電池作為衛(wèi)星電源的應(yīng)用研究，基本保持著與商品市場(chǎng)技術(shù)同步的狀態(tài)[1]。作為第三代衛(wèi)星儲(chǔ)能電源，鋰離子電池的在軌管理方法還不完善[2-3]，需要根據(jù)鋰離子電池的特性進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，以保證電池在軌穩(wěn)定工作，達(dá)到使用的壽命要求。本文通過對(duì)典型20 Ah 衛(wèi)星鋰離子電池的性能測(cè)試，總結(jié)了鋰離子電池在衛(wèi)星上應(yīng)用的管理方法，為鋰離子電池的在軌管理提供了技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)電池為典型空間鋰離子電池，主材料體系為L(zhǎng)iCo-O2/MCMB，電池額定容量為20 Ah。

1.1 電池循環(huán)容量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1：電池在不同充電電壓下的容量測(cè)試。

采用Arbin 充放電設(shè)備，以0.1C分別充電至3.9、3.95、4.0、4.05、4.10、4.15 V 和4.2 V，再恒壓充電至電流小于0.01C，然后電池以0.7C放電至2.75 V，計(jì)算不同充電電壓下的放電容量。

實(shí)驗(yàn)2：不同充電電壓下的循環(huán)性能測(cè)試

采用Arbin 充放電設(shè)備，電池以0.1C分別充電至4.0、4.1、4.2 V 和4.3 V，恒壓充電至電流小于0.01C，然后電池以0.7 C 放電至2.75 V，循環(huán)進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)3：充電截至電壓（VEOC）與循環(huán)容量關(guān)系測(cè)試

20 Ah 電池以0.1C分別充電至4.0 V、再恒壓充電至電流小于0.01C，然后以0.7C放電72 min（典型在軌工況），當(dāng)電池循環(huán)容量小于20 Ah，提高充電電壓至4.05 V，繼續(xù)循環(huán)測(cè)試，當(dāng)循環(huán)容量再次小于20 Ah 時(shí)，再提高充電電壓至4.1 V，如此循環(huán)，電池充電電壓提高至4.15 V，且循環(huán)容量小于20 Ah 時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。

1.2 電池存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)

電池進(jìn)行貯存容量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)因素包含：存儲(chǔ)溫度和電池荷電態(tài)。實(shí)驗(yàn)采取5 個(gè)20 Ah 單體電池一組取平均值的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)試周期間隔為3 個(gè)月。

實(shí)驗(yàn)樣本表格如表1所示。

表1 電池存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)表格 電池/個(gè)

1.3 溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)

在－30～60 ℃范圍內(nèi)，每隔10 ℃進(jìn)行一次電池容量測(cè)試，測(cè)試方法為：0.1C充電至4.1 V，恒壓4.1 V 充電至電流小于0.01C，然后以0.7C放電至2.75 V，完成10 個(gè)溫度點(diǎn)的容量測(cè)試。

電池分別在常溫和－10 ℃條件下，以0.1C充電至4.1 V，再恒壓4.1 V 充電至電流小于0.01C，然后以0.7C放電至2.75 V，循環(huán)測(cè)試。

2 結(jié)果和討論

2.1 充電截止電壓(VEOC)對(duì)電池容量和循環(huán)性能的影響

不同充電截止電壓下，20 Ah 鋰離子電池的容量如圖1所示，從圖1中可以看出，額定容量相同的同型號(hào)電池，充電截止電壓從3.9 V 提高到4.2 V 過程中，電池容量隨充電電壓的提高明顯增長(zhǎng)，滿足近似線性規(guī)律。

不同的充電截止電壓條件下，鋰離子電池的循環(huán)容量保持率如圖2所示。從圖2中可以看出，壽命初期，充電截止電壓高則電池容量高，同時(shí)容量的衰降速度也快；充電截止電壓低，電池的初期截止電壓低，電池容量衰降速度慢。1 000 次壽命循環(huán)后，高VEOC電池的循環(huán)容量小于低VEOC電池。由分析可知，鋰離子電池VEOC越低則容量衰降越慢，有利于延長(zhǎng)電池的循環(huán)壽命。

電池在不同充電截止電壓下的循環(huán)容量測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，電池從較低的VEOC（4.0 V）開始進(jìn)行容量循環(huán)測(cè)試，當(dāng)容量降低至衛(wèi)星需求下限（20 Ah）時(shí)，將VEOC從4.0 V 提高至4.05 V，使得電池的循環(huán)容量相應(yīng)增加約5%，繼續(xù)循環(huán)測(cè)試，在電池的安全使用范圍內(nèi)(最高不超過4.2 V)，通過逐步提高VEOC的方式，電池的循環(huán)次數(shù)可滿足衛(wèi)星在軌18年（36 個(gè)陰影季）以上的壽命要求，顯著延長(zhǎng)衛(wèi)星工作壽命，這可以作為電池在軌長(zhǎng)壽命管理的重要方法。

圖3 充電截止電壓調(diào)節(jié)方法

2.2 鋰離子電池貯存容量衰降性能分析

不同荷電狀態(tài)下電池的貯存衰降實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，數(shù)據(jù)表明鋰離子電池的容量衰降主要發(fā)生在貯存初期，特別是存儲(chǔ)周期的最初6 個(gè)月，存儲(chǔ)半年以后，電池容量衰降率大幅度減少。從對(duì)比測(cè)試可知，電池的荷電狀態(tài)對(duì)性能有重要影響，電池荷電態(tài)過低（如低于30%SOC）或過高（高于80%SOC），電池容量的衰降速率都顯著高于中等荷電態(tài)貯存（30%SOC～50%SOC）。

圖4 電池容量隨儲(chǔ)存時(shí)間的變化關(guān)系

電池在不同溫度下的貯存衰降速度比較如圖5所示，從圖5中可以看出，前6 個(gè)月電池的容量衰降速度最快，這一點(diǎn)與不同SOC條件下的貯存結(jié)果一致；另一方面，電池在10 ℃以下貯存時(shí)，其容量衰降速度差別不大，特別在－10～10 ℃范圍內(nèi)，電池容量衰降最少，當(dāng)貯存溫度達(dá)到20 ℃時(shí)，電池容量的衰降速度顯著加快。

GEO 衛(wèi)星具有如下軌道特點(diǎn)[4]：每年有兩個(gè)約135 天的長(zhǎng)光照期，在此期間蓄電池基本無功率輸出要求，處于貯存狀態(tài)。根據(jù)衛(wèi)星軌道的特點(diǎn)，結(jié)合鋰離子電池的特性，電池組在不工作時(shí)以近似半荷電態(tài)（30%～50%SOC）存儲(chǔ)在－10～10 ℃溫度下（這也是衛(wèi)星溫控較易實(shí)現(xiàn)管理的范圍），有利于保持電池循環(huán)容量，延長(zhǎng)使用壽命，非特殊情況（如衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)或變軌），不應(yīng)將電池組長(zhǎng)期存放于滿荷電態(tài)、空荷電態(tài)和相對(duì)高溫（≥20 ℃）條件下。

2.3 電池溫度特性與在軌溫控措施

電池的循環(huán)容量與環(huán)境溫度的關(guān)系如圖6所示。從圖6中可以看出，環(huán)境溫度過高，如超過40 ℃，電池的可逆容量隨著溫度升高而輕微降低；使用環(huán)境溫度過低(如低于10 ℃)，電池的可逆容量隨著溫度的降低而顯著減小。

電池在低溫－10 ℃和常溫（20±5）℃下進(jìn)行0.7C放電100%DOD循環(huán)測(cè)試，電池的可逆容量和容量衰減速度都有著顯著的區(qū)別，如圖7所示，數(shù)據(jù)表明電池在低溫（－10 ℃）循環(huán)容量的衰降速率是常溫條件下的3 倍以上，如果電池工作的溫度環(huán)境持續(xù)較低，則會(huì)顯著縮短電池的工作壽命。

從鋰離子電池容量與溫度的關(guān)系特性可以看出，作為空間儲(chǔ)能電池，在軌使用時(shí)必須采取主動(dòng)溫控措施，保持鋰離子電池的工作溫度在10～30 ℃范圍內(nèi)，由于鋰離子電池在小倍率充電時(shí)是一個(gè)吸熱過程，因此充電時(shí)電池溫度要保持不低于10 ℃。當(dāng)電池采樣溫度低于10 ℃時(shí)，開啟加熱帶加熱，當(dāng)電池溫度高于20 ℃時(shí)，停止加熱。

3 總結(jié)

通過對(duì)典型20 Ah 衛(wèi)星用鋰離子的性能測(cè)試與分析，結(jié)合衛(wèi)星應(yīng)用的特點(diǎn)和要求，可以得出如下結(jié)論：（1）通過逐步提高充電截止電壓的方法，可以顯著延長(zhǎng)鋰離子電池的循環(huán)壽命；（2）鋰離子電池在長(zhǎng)光照期擱置期間，以近似半荷電態(tài)保持在－10～10 ℃條件下，容量衰降最小，可延長(zhǎng)蓄電池的日歷壽命；（3）低溫（10 ℃以下）不利于鋰離子電池可逆容量的保持，衛(wèi)星用鋰離子電池需要采取主動(dòng)溫控措施，保證電池在10 ℃以上的環(huán)境下工作，這是保證和延長(zhǎng)電池工作壽命的關(guān)鍵因素之一。

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