高軌衛(wèi)星鋰離子蓄電池組自主管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔波 陳世杰 李旭麗 朱立穎

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

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高軌衛(wèi)星鋰離子蓄電池組自主管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔波 陳世杰 李旭麗 朱立穎

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

針對高軌衛(wèi)星鋰離子蓄電池組在軌管理問題，文章在分析鋰離子蓄電池組特性及在軌使用需求的基礎(chǔ)上，提出了鋰離子蓄電池組自主管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在某高軌衛(wèi)星上進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)在軌數(shù)據(jù)，從工作模式轉(zhuǎn)換、充放電管理、均衡管理、擱置管理等方面對管理系統(tǒng)的驗(yàn)證情況進(jìn)行總結(jié)。提出的自主管理系統(tǒng)可為后續(xù)高軌衛(wèi)星鋰離子蓄電池組自主管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

鋰離子蓄電池組；自主管理設(shè)計(jì)；在軌驗(yàn)證

1 引言

鋰離子蓄電池作為新一代的空間儲(chǔ)能裝置，相比于傳統(tǒng)的鎘鎳蓄電池組和氫鎳蓄電池組，具有比能量高、自放電小、充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，在國外的高軌衛(wèi)星上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[2]，僅以法國SAFT公司為例，截至目前，發(fā)射入軌的衛(wèi)星安裝鋰離子蓄電池組已有350組，總瓦時(shí)數(shù)超過200萬。

鋰離子蓄電池組在充放電管理、長光照期擱置管理等方面，相對于以往蓄電池組存在很多的不同[3]，特別是在高軌航天器上的應(yīng)用更是如此。國外在這方面已經(jīng)累積了大量的工程經(jīng)驗(yàn)，相應(yīng)的控制策略、計(jì)算分析模型等都已經(jīng)相當(dāng)成熟[4]。國內(nèi)高軌衛(wèi)星應(yīng)用的鋰離子蓄電池組目前處于起步階段[5]，陸續(xù)有采用鋰離子蓄電池組的衛(wèi)星發(fā)射，但蓄電池組在軌管理系統(tǒng)方面研究還較少，相應(yīng)的在軌驗(yàn)證數(shù)據(jù)也還比較缺乏。本文在充分考慮鋰離子蓄電池組特性及在軌使用要求的基礎(chǔ)上，提出高軌衛(wèi)星鋰離子蓄電池組自主管理系統(tǒng)，介紹了該管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的因素及在設(shè)計(jì)中采取的應(yīng)對措施，并結(jié)合實(shí)際的在軌數(shù)據(jù)對具體的驗(yàn)證情況進(jìn)行了說明。

2 高軌衛(wèi)星鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)需求分析

在進(jìn)行高軌衛(wèi)星上的鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合鋰離子蓄電池組的特點(diǎn)，充分考慮高軌相關(guān)的環(huán)境因素對電池的影響，在保障航天器穩(wěn)定安全運(yùn)行的同時(shí)盡量減小電池組的衰降。

2.1 地影時(shí)間及次數(shù)對蓄電池組的影響

高軌衛(wèi)星由于其軌道特點(diǎn)，地影時(shí)間較長，但整個(gè)壽命期內(nèi)的地影次數(shù)較少。以地球同步軌道(GEO)為例，每年在春分、秋分前后兩個(gè)地影季，總地影次數(shù)約為92次，最長地影約為72 min。按照在軌12年工作考慮，整個(gè)壽命期的總地影次數(shù)為1104次。與之相比，通常的低軌衛(wèi)星的地影長度都在30 min左右，全壽命期的地影次數(shù)動(dòng)輒上萬次。更少的充放電循環(huán)次數(shù)決定了蓄電池組可以采用更大放電深度的工作制度，通常設(shè)計(jì)時(shí)保證在壽命末期一節(jié)單體失效條件下放電深度不大于80%，即可保證蓄電池組在全壽命期內(nèi)的供電能力滿足衛(wèi)星需求。

同時(shí)，對于高軌衛(wèi)星而言，在同一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，充電時(shí)間十分充裕。以GEO為例，最長地影72 min，軌道周期約24 h，充電時(shí)間與放電時(shí)間的比值最小也有19倍左右。充裕的充電時(shí)間決定了高軌衛(wèi)星可以采用更小的充電電流完成蓄電池組充電，這樣，一方面可以避免大電流充電導(dǎo)致的蓄電池組容量的損失，另一方面也可以降低充電對太陽電池陣功率的需求，同時(shí)減小充電調(diào)節(jié)器的規(guī)模。

在工作溫度方面，參考鋰離子蓄電池組的特點(diǎn)，在地影季宜采取20 ℃左右的溫度以保障蓄電池組獲得最佳的充放電性能。特別要避免低溫條件下的大電流充電，在低溫下充電時(shí)鋰離子難以嵌入負(fù)極而相對較易從負(fù)極中脫出，低溫充電中極化增大易導(dǎo)致金屬鋰在電極表面沉積，沉積的金屬鋰與電解液發(fā)生反應(yīng)后的產(chǎn)物覆蓋在負(fù)極表面，致使固體電解質(zhì)中間相膜(SEI)增厚，進(jìn)而導(dǎo)致電池組性能衰降[3]。

2.2 長光照期擱置對蓄電池組的影響

除了每年兩次的地影季和偶爾出現(xiàn)的月影以外，高軌衛(wèi)星通常都工作在太陽電池陣供電狀態(tài)。在長光照期，雖然蓄電池組不參與供電，但對于鋰離子蓄電池組來講，擱置同樣會(huì)導(dǎo)致電池組的容量衰降。對于高軌衛(wèi)星的鋰離子蓄電池組，由于充放電循環(huán)使用導(dǎo)致的容量衰降與由于擱置導(dǎo)致的容量衰降處于相同的量級。

蓄電池組的擱置荷電態(tài)、擱置溫度都對其擱置期的衰降速度有顯著影響，在相對較低的環(huán)境溫度下，采用半荷電態(tài)進(jìn)行擱置，蓄電池組的容量衰降速率可以得到顯著的改善。但對于實(shí)際的應(yīng)用而言，在長光照期蓄電池組也承擔(dān)著衛(wèi)星應(yīng)急供電確保安全的功能，擱置的荷電態(tài)需要在蓄電池組的衰降和衛(wèi)星的應(yīng)急供電需求間尋求平衡。

此外，在擱置期蓄電池組實(shí)際并不是工作在完全的開路狀態(tài)，與其連接的充放電調(diào)節(jié)器、均衡管理器等設(shè)備，都可能導(dǎo)致蓄電池組的小電流持續(xù)放電。由于擱置時(shí)間很長，這些小電流放電，可能會(huì)對蓄電池組的擱置荷電態(tài)、單體荷電態(tài)的均衡度等產(chǎn)生影響。

3 高軌衛(wèi)星鋰離子蓄電池組自主管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 蓄電池組分模式管理

針對高軌衛(wèi)星蓄電池組的工作特點(diǎn)，單一的管理模式無法同時(shí)滿足地影季蓄電池組充放電和長光照期蓄電池組擱置對管理?xiàng)l件的需求，分模式的管理成為了設(shè)計(jì)的首選。

針對地影季蓄電池組的充放電工作條件，設(shè)計(jì)對應(yīng)的地影季模式：控制蓄電池組工作在更高的溫度(10～30 ℃)，以利于蓄電池組的充放電；在每次地影放電后將蓄電池組充電至滿荷電態(tài)，確保蓄電池組在地影期有足夠的能量保證衛(wèi)星的正常工作。針對長光照期的擱置需求，設(shè)計(jì)對應(yīng)的長光照期模式：將蓄電池組工作溫度控制在較低范圍(0～10 ℃)，同時(shí)將荷電狀態(tài)保持在半荷電態(tài)，確保電池組的擱置衰降在可接受范圍內(nèi)。

兩種模式間需要在星上自主完成切換，切換控制方面采用蓄電池組的放電電流作為控制信號(hào)。在地影季模式下，若連續(xù)24 h沒有監(jiān)測到蓄電池組放電，則認(rèn)為衛(wèi)星進(jìn)入了長光照期，控制模式切換為長光照期模式，按照長光照管理模式完成相關(guān)管理項(xiàng)配置；在長光照期模式下，若連續(xù)6 min監(jiān)測到蓄電池組放電，則認(rèn)為衛(wèi)星進(jìn)入了地影季，控制模式切換為地影季模式，按照地影季管理模式完成相關(guān)管理項(xiàng)配置。模式切換的流程如圖1所示。

采用放電電流作為模式切換信號(hào)的設(shè)計(jì)，其原理簡單可靠，同時(shí)在衛(wèi)星出現(xiàn)故障導(dǎo)致蓄電池組放電時(shí)，能源管理系統(tǒng)也能自動(dòng)切換到地影季模式，將蓄電池組調(diào)整到正常使用時(shí)的工作狀態(tài)。但采用放電電流也有其相應(yīng)的缺點(diǎn)，主要是模式切換有一定的遲滯，即在第一個(gè)地影到來后才會(huì)完成切換。

3.2 充電調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

相比鎘鎳蓄電池組、氫鎳蓄電池組的多階段充電制度不同，鋰離子蓄電池組通常都需要采用恒流-恒壓充電模式[6]。即在蓄電池組容量較少時(shí)，采用恒流充電的模式；當(dāng)蓄電池組電壓達(dá)到恒壓點(diǎn)后，改為控制蓄電池組端口電壓，充電電流按指數(shù)趨勢逐漸下降直至將蓄電池組充滿[7]。

為同時(shí)滿足壽命初期、末期及蓄電池組由單體失效模式下的不同充電需求，設(shè)計(jì)了一種16個(gè)恒流電流檔位、16個(gè)恒壓電壓檔位的充電調(diào)節(jié)器。電壓電流檔位依靠電源控制器的下位機(jī)進(jìn)行切換，同時(shí)為了考慮下位機(jī)的可靠性可能對充電功能的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)硬件電流檔和一個(gè)硬件電壓檔，在下位機(jī)失效的情況下可以使用硬件檔完成充電工作。

為保證恒流-恒壓充電控制電路的可靠性，該電路在設(shè)備內(nèi)部采用了“三取二表決”的設(shè)計(jì)方式，任何一路失效都不會(huì)對蓄電池組的充電造成影響。相比于采用星務(wù)軟件實(shí)現(xiàn)的恒流-恒壓充電方式，本文介紹的設(shè)計(jì)方案即便在上位機(jī)、下位機(jī)工作失效的情況下，仍然可以保證蓄電池組的正常充放電，具有更好的可靠性和故障適應(yīng)能力。

3.3 自主均衡管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

雖然電池組在進(jìn)行組裝時(shí)，都會(huì)進(jìn)行篩選以盡量保持單體間性能的一致性。但隨著鋰離子蓄電池組的在軌長期使用，單體間仍然會(huì)由于自身性能或使用環(huán)境的差異，逐漸地產(chǎn)生性能離散[8]。同時(shí)，為了對蓄電池組各單體的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，還需要引入電壓測量電路，而它的引入則會(huì)加速這一離散過程。這種離散如果惡化到一定程度，則可能會(huì)導(dǎo)致性能較差的單體在電池組充放電過程中發(fā)生過充或者過放，直至相應(yīng)的單體容量迅速衰降乃至損壞。為了確保電池組能夠滿足整個(gè)壽命期內(nèi)的性能要求，通常高軌衛(wèi)星的蓄電池組都需要配置相應(yīng)的均衡管理系統(tǒng)完成電池組的均衡操作。

均衡管理從其操作的時(shí)機(jī)來講，可以分為充電均衡、放電均衡、擱置期均衡；按均衡的原理也可以分為能量傳遞、能量耗散等方式[9]。就均衡時(shí)機(jī)而言，對于高軌衛(wèi)星，在擱置期蓄電池組長期處于不充電不放電的狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)行均衡操作不僅時(shí)間充裕，電壓測量電路也不受充放電的影響，因此可以作為優(yōu)選的方案；按均衡的原理，耗散型的均衡電路簡單可靠，同時(shí)高軌衛(wèi)星對均衡操作的時(shí)間限制并不嚴(yán)格，因此耗散電流也可以設(shè)計(jì)得較小，相應(yīng)的設(shè)備質(zhì)量、熱耗等也都可以有效得到控制。

以某高軌衛(wèi)星為例，其采用了通斷單體對應(yīng)的分流電阻的耗散型均衡方案，并將均衡時(shí)機(jī)選擇在蓄電池組的擱置期。其基本策略為：選取電池組內(nèi)電壓最低的單體電池，將其他單體的電壓依次與該單體電壓相比，若電壓差大于均衡開關(guān)接通閾值(設(shè)置為0.06 V，可調(diào)整)，則接通均衡開關(guān)直至電壓差小于均衡開關(guān)斷開閾值(設(shè)置為0.01 V，可調(diào)整)。在實(shí)際的操作中，考慮到均衡設(shè)備發(fā)熱的問題，設(shè)計(jì)了同時(shí)可接通開關(guān)的上限，當(dāng)均衡開關(guān)接通數(shù)量達(dá)到上限時(shí)，還尚未進(jìn)行均衡的單體保留在等待隊(duì)列中，待前序單體的操作完成后再進(jìn)入均衡狀態(tài)。

由于該方案采用蓄電池組單體電壓的遙測值來進(jìn)行均衡操作，避免由于遙測電路故障導(dǎo)致的誤操作就尤為重要。主要采取的措施包括：①對單體電壓遙測的合理性進(jìn)行自動(dòng)判斷，如果某個(gè)單體電壓遙測值明顯偏低于擱置狀態(tài)電壓值，則在進(jìn)行均衡時(shí)剔除該單體；②均衡管理器設(shè)計(jì)單體組合電壓的遙測(例如，在測量單體1、2、3電壓的同時(shí)，還測量了單體1～3的組合電壓)，通過各單體電壓遙測值之和與對應(yīng)組合電壓遙測值的差值判斷均衡管理器的健康狀態(tài)，若測量差值超過閾值，則不進(jìn)行均衡管理操作。

3.4 長光照期的蓄電池組擱置管理

擱置期的衰降對高軌衛(wèi)星的鋰離子蓄電池組的影響非常顯著[10]，表1為在不同擱置溫度及不同荷電態(tài)(SOC)下，根據(jù)某型空間應(yīng)用鋰離子蓄電池單體的地面擱置試驗(yàn)的結(jié)果推至12年，電池組容量相比擱置前的變化。

表1 不同荷電態(tài)不同溫度擱置12年容量衰降Table 1 Capacity loss after 12 years storage at different SOC and temperature

從數(shù)據(jù)可以看出，與半荷電態(tài)擱置相比，高荷電態(tài)下和放電態(tài)下擱置，蓄電池組的容量衰減更大；與10℃擱置相比，20℃條件下擱置的容量衰降也明顯更大。相對設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的電池組額定容量10%的設(shè)計(jì)裕度而言，擱置衰降的影響在電池組的使用中占了很大的比例。

擱置容量的選取，除了考慮蓄電池組的衰降以外，還須考慮衛(wèi)星在出現(xiàn)故障時(shí)的應(yīng)急處理的時(shí)間。如果在軌出現(xiàn)太陽電池陣無法供電的故障(例如衛(wèi)星姿態(tài)失控，太陽電池陣無法對太陽定向)，將轉(zhuǎn)入蓄電池組供電的工作模式，若擱置容量過低則可能由于沒有足夠的應(yīng)急處理時(shí)間導(dǎo)致衛(wèi)星掉電。

在進(jìn)入長光照期模式時(shí)，需要將電池組調(diào)整至擱置荷電態(tài)。具體的操作策略通常有兩種：第一種為在最后幾個(gè)地影調(diào)整充電終壓，出地影后直接將蓄電池組僅充電至目標(biāo)荷電態(tài)；第二種為正常完成電池組充電，在確認(rèn)進(jìn)入長光照期后通過放電設(shè)備完成電池組荷電態(tài)調(diào)整。第一種方法直接調(diào)整電池到目標(biāo)荷電態(tài)，但其實(shí)現(xiàn)須要對地影結(jié)束時(shí)間進(jìn)行預(yù)測，對月影等偶發(fā)事件導(dǎo)致的模式切換適應(yīng)性也不強(qiáng)；第二種方法的缺點(diǎn)是須要對電池進(jìn)行放電，操作時(shí)間較長且對電池組單體測量的精度依賴程度較大。

在某高軌衛(wèi)星上，實(shí)際采用了第二種方案。在進(jìn)入長光照期后，通過均衡管理器的單體電能耗散功能，將已經(jīng)充滿電的蓄電池組荷電態(tài)調(diào)整至80%。該操作對電池組所有單體進(jìn)行放電，直至其單體電壓變?yōu)?.95 V。這一操作除了實(shí)現(xiàn)了半荷電態(tài)擱置功能，實(shí)際上還對蓄電池組完成了一次均衡調(diào)整，這對于電池組的運(yùn)行也有一定好處。

4 在軌驗(yàn)證情況

4.1 地影模式與長光照模式間的切換

在某高軌衛(wèi)星實(shí)際的在軌運(yùn)行中，選取了15 ℃作為地影季的控溫中心點(diǎn)，選取了5 ℃作為長光照期的控溫中心點(diǎn)。雖然選擇20 ℃可能對于蓄電池組的工作性能更為有利，但是在進(jìn)行蓄電池組熱控設(shè)計(jì)還需要兼顧高低溫差帶來的控溫措施的代價(jià)。過高的溫度差，意味著在長光照期需要更大的散熱面積和地影季更高的控溫加熱功耗，因此實(shí)際的選擇中需要在兩者之間尋求平衡。

圖2為該高軌衛(wèi)星在進(jìn)入地影季時(shí)，第一個(gè)地影前后的放電、充電及蓄電池組溫度變化情況。從圖2中可以看到，蓄電池組放電后衛(wèi)星迅速轉(zhuǎn)入地影季模式，蓄電池組溫度迅速上升，出影后衛(wèi)星按照地影季的充電倍率(4 A左右，電池組容量為75 Ah)完成蓄電池組充電。

4.2 充電調(diào)節(jié)器

充電檔位選擇，根據(jù)軌道充電時(shí)間充裕的特點(diǎn)，某高軌衛(wèi)星選取了4 A的恒流電流檔位；充電電壓檔位選取，選取了對應(yīng)單體4.05 V(電池組89.1 V)的檔位，其一個(gè)放電-充電周期的典型情況如圖3所示。

從圖3中可以看到，在地影期內(nèi)隨著蓄電池組放電，蓄電池組的電壓逐漸下降。在衛(wèi)星出影后，蓄電池組開始恒流充電(4 A左右)，充電電壓逐漸上升至恒壓點(diǎn)后，蓄電池組電壓轉(zhuǎn)為恒定，充電電流呈指數(shù)下降，電池組電壓將持續(xù)保持恒定狀態(tài)，直至蓄電池組下次進(jìn)入地影。

4.3 自主均衡管理系統(tǒng)

進(jìn)行均衡操作的時(shí)機(jī)，由于進(jìn)入擱置期時(shí)進(jìn)行半荷電態(tài)處理時(shí)已經(jīng)實(shí)際完成了一次均衡，因此可選取每次進(jìn)入地影前的半個(gè)月左右，視電池組的電壓離散程度決定是否開展均衡管理。

目前，某高軌衛(wèi)星已在軌運(yùn)行近1年的時(shí)間，圖4為衛(wèi)星某一組蓄電池組在一個(gè)長光照周期內(nèi)的單體最高電壓與最低電壓差值間的變化，從圖4中可以看到整個(gè)擱置期電池組的離散度有所上升(圖中的電壓差存在周期性變化，這是由于同樣容量差異在不同的電壓段表現(xiàn)出的電壓差不同所致)，最大電壓差最終達(dá)到0.018 V左右，距離確定的啟動(dòng)自主均衡管理的0.06 V的電壓差閾值還有較大距離。因此，目前某衛(wèi)星在軌還未就自主均衡功能進(jìn)行過驗(yàn)證，但根據(jù)地面測試結(jié)果，采用在長光照期通過通斷單體對應(yīng)的分流電阻的耗散型均衡方案，在高軌衛(wèi)星上是可行的。

4.4 長光照期的蓄電池組擱置情況

在某高軌衛(wèi)星的應(yīng)用中，選擇的擱置策略為在進(jìn)入長光照期模式之后，一方面將控制電池組的荷電狀態(tài)至80%以下，同時(shí)充電調(diào)節(jié)器的恒壓檔位調(diào)至最低，停止對蓄電池組的補(bǔ)充充電； 另一方面將蓄電池組的控溫閾值調(diào)低至5 ℃左右。

在擱置期內(nèi)，當(dāng)蓄電池組的容量下降至60%左右時(shí)，即調(diào)高充電檔位對蓄電池組補(bǔ)充充電至其容量恢復(fù)至80%左右。由于容量在長光照期不易實(shí)現(xiàn)檢測，實(shí)際的控制采用單體的平均電壓作為信號(hào)源，采用了3.80 V的閾值對應(yīng)至容量60%，3.95 V的閾值對應(yīng)容量80%。實(shí)際在軌的單體典型電壓變化情況如圖5所示。

從圖5可以看出，補(bǔ)充充電的頻率約維持在40天左右，在約135天的長光照期內(nèi)僅需要進(jìn)行3次補(bǔ)充充電。更少的充電次數(shù)，也減少了在較低溫度下補(bǔ)充充電對電池性能造成的影響。在進(jìn)行與蓄電池組相連的設(shè)備接口設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在保證相關(guān)功能性能的前提下，盡量減小其導(dǎo)致的蓄電池組功耗，避免造成電池組在擱置期過于頻繁的補(bǔ)充充電，導(dǎo)致蓄電池組的額外損耗。

5 結(jié)束語

本文針對鋰離子蓄電池組在高軌衛(wèi)星上應(yīng)用的特點(diǎn)，完成了其管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效解決了鋰離子蓄電池組充放電管理、長光照期擱置管理等問題。相關(guān)設(shè)計(jì)在某高軌衛(wèi)星上得到了成功應(yīng)用，蓄電池組在軌運(yùn)行穩(wěn)定。本文可供后續(xù)采用鋰離子蓄電池組作為儲(chǔ)能裝置的高軌衛(wèi)星研制時(shí)參考。

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(編輯：李多)

Self-management System Design for Lithium-ion Battery in High Orbit Satellite

CUI Bo CHEN Shijie LI Xuli ZHU Liying

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

The paper investigates the problems of management of lithium-ion batteries in China. Furthermore, the characteristics of lithium-ion battery and on-orbit requirements are analyzed. The self-management system of lithium-ion battery is designed and the verification is given on a high-orbit satellite. According to the in-orbit data, the verification of the management system is obtained, and the concluded situation are based on the work mode conversion, charge and discharge management, balanced management and shelving management. The self-management system proposed in the paper can provide the reference for the design of the self-management system of the lithium-ion battery of the high-orbit satellite.

lithium-ion batteries;self-management design;flight validation

2016-12-28；

2017-01-09

國家自然科學(xué)基金(51407008)

崔波，男，碩士，高級工程師，從事航天器供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。Email：triton12@gmail.com。

423.44

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.010