月球衛(wèi)星氫鎳蓄電池在軌管理技術及性能分析

蔡曉東 劉治鋼 葉培建

（1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2 中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

嫦娥一號和嫦娥二號衛(wèi)星作為我國的月球衛(wèi)星先后飛抵月球并成功繞月飛行，拍攝了我國的第一幅月球全息影像圖，實現(xiàn)了各項工程目標和科學探測任務。月球衛(wèi)星與地球衛(wèi)星任務不同，它們雖面臨著比近地軌道衛(wèi)星更復雜的空間環(huán)境，但這兩顆月球衛(wèi)星的可展開的太陽電池陣和可再充電的氫鎳電池工作良好、性能可靠。該氫鎳電池除了在環(huán)月階段陰影期支持整星工作外，還須按要求在最初的發(fā)射階段提供功率，允許對飛往月球巡航期間衛(wèi)星姿態(tài)出現(xiàn)的異常情況進行調(diào)整，并支持近月制動、環(huán)月、月食階段的供電，同時還須要考慮長光照期間電池荷電保持。由于電池的性能衰降關系到衛(wèi)星的壽命，而充電控制方法對蓄電池的性能有著十分重要的影響［1］，因此必須制定行之有效的電池在軌管理策略。

本文針對月球衛(wèi)星氫鎳蓄電池應用的特點，提出了電子電量計控制與硬件壓力控制相結合的氫鎳蓄電池在軌自主管理技術，包括充電控制模式、多模式多速率充電管理、全光照期充電管理和月食充電管理等，并給出了我國月球衛(wèi)星氫鎳蓄電池在軌測試情況，證實了在軌管理技術合理、有效。

2 月球衛(wèi)星電池工作特點

地球同步軌道衛(wèi)星每年分別在春分和秋分前后有兩個地影季，每個地影季約45d，最長地影時間一般為72min，光照時間在22h以上，可供蓄電池充電的時間長，充電倍率一般為C／10［2］，電池放電深度大，一般為70%～80%，充放電循環(huán)次數(shù)少，設計壽命為8～15a，除地影季外，衛(wèi)星長期處于光照期，須要考慮電池光照期的管理，長光照期涓流電流一般選擇為C／80～C／100［3］。太陽同步軌道衛(wèi)星大部分的軌道運行周期僅有90～95min，最大陰影時間則超過運行周期的1／3，衛(wèi)星頻繁地進出地影，電池1年充放電循環(huán)次數(shù)約為5 500次，放電深度淺，充電時間短，充電倍率大，無長光照期［4］。

月球衛(wèi)星從起飛到環(huán)月的過程中，衛(wèi)星一般要經(jīng)歷調(diào)相、月地轉移、近月制動、環(huán)月等多個飛行階段，在環(huán)月軌道衛(wèi)星每年都要經(jīng)歷兩個長光照季和兩次月食，其它時間則處于光照、月影循環(huán)中。因此，月球衛(wèi)星既有地球同步軌道衛(wèi)星特點：地影時間短、光照時間長（且有長光照期）；又具有太陽同步軌道衛(wèi)星特點：循環(huán)周期短、充電電流大和充放電循環(huán)次數(shù)多；此外，特有的月食期間超長的月影期也嚴重威脅到月球衛(wèi)星的安全。以嫦娥一號衛(wèi)星為例，其環(huán)月軌道高度為200km，軌道傾角90°，隨著太陽與軌道面夾角的變化，太陽電池陣入射角也不斷變化，其軌道的主要特點有：①軌道周期為127min，最長月影時間為48 min；②每年兩個全光照季，光照季持續(xù)時間約45d；③每年2次月食，月食全過程的總時間均在5h以上，有效陰影時間一般在3h左右。

3 氫鎳蓄電池在軌管理及性能分析

充電終止控制對于保持蓄電池的性能十分重要，充電太少，將引起相當快速的電池容量衰減，不能滿足衛(wèi)星可靠供電的要求，充電太多，將導致蓄電池性能衰降甚至提前終止其壽命。空間蓄電池常用的充電終止控制方法有［1］：第三電極控制、溫度補償電壓限制（T-V 曲線控制）、電子電量計控制、壓力控制、多倍率充電電流控制、地面遙控指令控制等，目前地球軌道衛(wèi)星多采用單一充電終止控制方法；而由于月球衛(wèi)星飛行程序復雜、工作模式較多，采用單一充電終止控制方法具有局限性。

3．1 月球衛(wèi)星電池在軌管理策略

3．1．1 充電控制模式

根據(jù)月球衛(wèi)星的工作特點，其配置的氫鎳電池的充電終止控制，采用了電子電量計控制作為主要控制手段，此外，依據(jù)月球衛(wèi)星地面測控弧段短的特點，為防止在電子電量計控制失效的故障情況下，由于過充電造成蓄電池的性能衰降，利用氫鎳電池壓力信號作為輔助控制手段，以電池的壓力保護信號作為正常壓力控制電路的自動啟動信號［5］，通過設置過充電保護功能，完成主動和輔助控制的自主切換。因此，月球衛(wèi)星電池充電終止控制方式以電子電量計控制為主、壓力控制為輔。

3．1．2 多模式多速率充電策略

月球衛(wèi)星在調(diào)相、月地轉移和近月制動飛行階段，長期處于對日定向姿態(tài)，陰影期短、光照期長，衛(wèi)星在經(jīng)歷短暫放電后，具有充足的充電時間；在環(huán)月飛行階段，月球衛(wèi)星處于對月定向姿態(tài)，衛(wèi)星頻繁地進出月影，且月影時間隨著太陽與衛(wèi)星軌道面的夾角的變化而變化，充電時間短，此外，由于衛(wèi)星載荷開機不確定，衛(wèi)星的放電量范圍較大。因此，將衛(wèi)星的電子電量計控制方式分為調(diào)相充電模式、環(huán)月充電模式。根據(jù)衛(wèi)星所運行的軌道不同（即運行軌道期間的充、放電時間的不同），采用不同的充電模式，大大提高了充電效率，改善蓄電池性能、增加蓄電池壽命。電子電量計的工作原理［6-7］為：在放電時通過對放電電流積分獲得累計放電量Q放，在充電時通過對充電電流積分獲得累計充電量Q充，當Q充與Q放滿足Q充≥K·Q放關系時，即停止對蓄電池充電或將轉為涓流充電模式，其中K為充放電比值（C／D），為可調(diào)整參數(shù)。下文中K1～K4都為不同的充放電比參數(shù)，可通過遙控指令進行設置。

“國際空間站”氫鎳電池的充電控制就是采用多速率充電策略模式的一個范例。一般情況下，其充電速率選擇3種或3種以上［8］數(shù)值。表1為“國際空間站”氫鎳電池多速率充電的充電電流值，在電池充電過程中采用了6種不同充電電流。

表1 “國際空間站”氫鎳電池充電速率Table 1 Nickel-hydrogen battery charging rate of ISS

針對月球衛(wèi)星調(diào)相充電模式、環(huán)月充電模式，分別設計了充電管理制度，規(guī)定適應各種模式下的充電電流、充放電比值K。根據(jù)電池放電量的不同（即電池荷電態(tài)）選擇最佳的充電電流，以保證電池在可充電時間內(nèi)即滿足充放電平衡，又能最大限度地降低充電電流，減小充電應力，通過采用分段多速率充電方法，先恒流充電到一定荷電態(tài)，再分多個階段逐步減小充電電流，直至達到設定的充放電比值，這種充電模式可以有效地降低電池的工作應力，延長電池壽命。

調(diào)相充電模式是針對調(diào)相軌道、地月轉移軌道段設計的，主要充電流程如下：當放電電流大于1A時，接通所有的充電陣回路，并用電量計開始累計放電量Q放；當充電電流大于1A 時，用電量計開始累計充電量Q充，同時將充電電流設置在11～16A 范圍內(nèi)，當C／D 比值達到設定值K1時，充電電流將轉為8～13A，當C／D 比值達到設定值K4時，斷開所有的充電陣回路，并將充放電量清零。

環(huán)月充電模式是針對環(huán)月軌道段設計的，主要流程如下：當放電電流大于1A 時，接通所有的充電陣回路，并用電量計開始累計放電量Q放；當充電電流大于1A 時，用電量計開始累計充電量Q充，若放電量Q放＞25Ah時，采用9～14A 充電電流至充電量Q充≥6Ah，充電電流轉為20～25A，當C／D 比值達到設定值K4時，斷開所有的充電陣回路，并將充放電量清零；若放電量10Ah＜Q放≤25Ah，首先采用20～25A 至C／D 比值達到設定值K1時，充電電流轉為16～21 A，當C／D 比值達到設定值K2時，充電電流轉為12～17A，當C／D 比值達到設定值K3時，充電電流轉為10～15A，當C／D 比值達到設定值K4時，斷開所有的充電陣回路，并將充放電量清零；若Q放≤10 Ah，采用12～17 A 充電至C／D比值達到設定值K2時，充電電流轉為7～12A，當C／D比值達到設定值K4時，斷開所有的充電陣回路，并將充放電量清零。

壓力控制方式是為電量計控制出現(xiàn)故障時設計的，當充電結束后，如果電量計控制失效，就會造成電池過充，當出現(xiàn)故障時，充電控制方式將自動切換為壓力控制方式，當電池壓力到達設定閾值后自動斷開所有的充電陣回路。

3．1．3 全光照期充電策略

在地月轉移軌道，由于衛(wèi)星處于對日巡航姿態(tài)，在飛往月球的4～5天內(nèi)衛(wèi)星都處于全光照期。在環(huán)月軌道，衛(wèi)星1年內(nèi)一般有100多天的全光照期。為了減少長光照期對蓄電池壽命的影響，一般將蓄電池調(diào)整到較低荷電態(tài)，由于氫鎳電池自放電較大，為了保證氫鎳電池在全光照期維持一定的荷電量，在長光照期需要對電池進行涓流充電，涓流電流值大小的選取與電池的溫度有關，若電池溫度較低，涓流充電電流值過大，就會造成電池過充電；若電池溫度較高，涓流充電值過小，就會造成電池欠充電。因此在全光照期，需要依據(jù)電池的壓力值判斷電池荷電態(tài)，通過接通或斷開涓流充電將電池調(diào)整到理想狀態(tài)。

嫦娥一號和嫦娥二號衛(wèi)星在全光照期所選取的涓流充電電流為C／200，當單體電池電壓低于1．35V時，采用小電流對電池進行涓流充電。當檢測到電池容量為滿荷電態(tài)的80%時，停止充電。當單體電池電壓高于1．5V 時，對電池進行放電調(diào)整，當電池容量為滿荷電態(tài)的80%時，停止放電。

3．1．4 月食期充電策略

由于在軌飛行過程中月球衛(wèi)星將會經(jīng)歷地球衛(wèi)星不曾出現(xiàn)過的月食過程，連續(xù)無光照時間將達到3h，加上月食前后軌道已有的陰影過程，月食全過程的總時間均大于5h。月食階段對衛(wèi)星最主要的影響是星上能源維持的能力，此外，受到多種因素的制約，長時間的陰影期將影響到蓄電池溫度的維持。針對月食期間長達3h的月影時間對電池的影響，制定了月食期衛(wèi)星充電策略。

在月食期間，一方面所有的星上負載要由蓄電池放電提供，另一方面由于月食期間整星能源受到嚴重限制，星上熱控系統(tǒng)無法為蓄電池提供理想的放電溫度環(huán)境；因此，要求蓄電池在月食期間相對低溫的環(huán)境下，具有良好的放電性能。

該充電策略是根據(jù)氫鎳電池的充放電特點，在進入月食前，將電池的充電管理模式切換到月食模式，在特定的階段對電池的容量和充放電比值進行調(diào)整。

根據(jù)整星功率平衡分析，適當調(diào)整月食前后整星負載，以確保整星在月食期間的能源平衡。首先，在衛(wèi)星進入月食前，將衛(wèi)星充電模式調(diào)整為月食工作模式，即通過調(diào)整充放電比參數(shù)，在進入月食前一個光照期對蓄電池適當進行過充電，確保星上蓄電池處于滿充狀態(tài)，為了使蓄電池在壽命周期內(nèi)仍保證良好的充放電性能，避免大電流充電、放電，根據(jù)光照期、陰影期將整星的功耗限制在一定范圍內(nèi)，在此期間通過不同時段增減加熱功率為衛(wèi)星加熱升溫，使衛(wèi)星能保持較高的溫度水平進入月食。其次，根據(jù)在軌測試期間的整星負載情況，在月食期間，衛(wèi)星各分系統(tǒng)設置為最小功耗模式。最后，在衛(wèi)星出月食后，由于電池從深放電到充電不能立刻以大電流進行充電，必須及時調(diào)整電池充電電流和充放電比，以小電流對蓄電池進行淺充電，以確保蓄電池的壽命。

3．2 氫鎳電池在軌性能

3．2．1 衛(wèi)星發(fā)射至環(huán)月軌道段氫鎳蓄電池組數(shù)據(jù)分析

月球衛(wèi)星從發(fā)射到正式進入環(huán)月飛行之前，氫鎳蓄電池采用調(diào)相軌道充電模式進行充電，例如：嫦娥一號衛(wèi)星從2007年10月24日發(fā)射到2007年11月7日進入環(huán)月軌道，衛(wèi)星在調(diào)相軌道經(jīng)歷了10次充放電循環(huán)，在地月轉移軌道經(jīng)歷2次充放電循環(huán)，在近月制動段經(jīng)歷了10次充放電循環(huán)。對衛(wèi)星調(diào)相模式充電期間的在軌數(shù)據(jù)進行了分析，包括蓄電池組放電電流、蓄電池組電壓等參數(shù)，如圖1～2所示。

圖1 衛(wèi)星發(fā)射段蓄電池組放電電流、電壓曲線Fig．1 Curve of battery discharging current，voltage，during launching phase

圖2 衛(wèi)星調(diào)相軌道蓄電池組放電電流、電壓Fig．2 Curve of battery discharging current，voltage during phasing orbit

嫦娥一號衛(wèi)星入軌段實際放電時間為75min，蓄電池放電深度為19．5%。在衛(wèi)星進入調(diào)相軌道、地月轉移軌道和近月制動軌道段時，蓄電池最大充電電流為22．4A、最大放電電流為26．3A，蓄電池最大放電深度為22．5%，蓄電池電壓在22．5～27．1V 之間，滿足此軌段放電深度小于40%的要求，蓄電池組各項工作參數(shù)正常。

3．2．2 環(huán)月軌道段氫鎳蓄電池組數(shù)據(jù)分析

嫦娥一號衛(wèi)星從2007年11月7日開始進入127min的環(huán)月軌道，到2008年6月3日衛(wèi)星環(huán)月2 375圈，考慮52天的全光照期，蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)約2 000次。對衛(wèi)星環(huán)月初期和環(huán)月2 375圈后蓄電池組充放電在軌數(shù)據(jù)進行了分析，包括蓄電池組的放電電流、電池電壓、工作溫度及壓力，如圖3～6所示。 由圖3、圖5可以看出，蓄電池組最大工作壓力不超過5．5 MPa，最大充電電流為19．7A、最大放電電流為21．6A，平均放電深度為20%～32%，蓄電池組電壓在22～25V 之間，月食期間蓄電池組最大放電深度為66．5%；由圖4、圖6可以看出，蓄電池工作溫度環(huán)境在0～12℃；經(jīng)以上分析，蓄電池組各項工作參數(shù)正常。

嫦娥一號衛(wèi)星從發(fā)射至成功撞月，在軌運行時間為16個月，其中環(huán)月飛行約5 560圈，安全渡過三次月食，最長月食時間168min。嫦娥二號衛(wèi)星從發(fā)射至今，在軌運行時間已有2年，其中環(huán)月飛行約2 480圈，安全渡過長達181min的月食。在月球衛(wèi)星在軌期間，蓄電池組還為多次變軌和軌道維持提供服務。

圖3 蓄電池組放電曲線（壽命初期）Fig．3 Curve of battery charging（BOL）

圖4 蓄電池組放電溫度曲線（壽命初期）Fig．4 Curve of battery temperature during discharging period（BOL）

圖5 蓄電池組放電曲線（2 000次循環(huán)后）Fig．5 Curve of battery discharging（after 2 000circles）

圖6 蓄電池組放電曲線（2000次循環(huán)后）Fig．6 Curve of battery temperature during discharging period（after 2 000circles）

4 結束語

月球衛(wèi)星針對大容量氫鎳蓄電池組快速充電的需求，通過提高充放電自主管理能力及適應能力，實現(xiàn)了多模式、多速率、大電流快速充電。在月球衛(wèi)星氫鎳電池在軌管理中采用電子電量計為主，壓力控制為輔的充電管理策略，并實現(xiàn)了自主切換與管理，在整個任務飛行過程中，氫鎳電池以優(yōu)異的性能在軌運行，圓滿完成了月球工程前期任務目標，實踐證明氫鎳電池在軌管理技術合理有效。此電池在軌管理技術還可為月球工程及其它地球軌道衛(wèi)星的研制提供借鑒。

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