導(dǎo)航衛(wèi)星鎳鈷鋁酸鋰電池組在軌自主管理及特性分析

習(xí)成獻(xiàn) 孔陳杰 李銳

(中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203)

能源系統(tǒng)作為衛(wèi)星的重要組成部分，承擔(dān)著整星的供配電任務(wù)，能源系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行是衛(wèi)星正常運(yùn)行的重要保障，對(duì)提高衛(wèi)星性能、增強(qiáng)衛(wèi)星在軌運(yùn)行壽命起著決定作用[1-2]。鋰離子蓄電池是能源系統(tǒng)的重要組成部分，為衛(wèi)星的儲(chǔ)能電源，擔(dān)負(fù)著在衛(wèi)星發(fā)射主動(dòng)段、地影期間以及光照期太陽(yáng)電池陣供電不足時(shí)為星上負(fù)載供電的任務(wù)。鎳鈷鋁酸鋰(NCA)體系鋰離子蓄電池為新一代高比能量鋰電，采用高容量石墨材料，儲(chǔ)存特性和循環(huán)壽命相比于第一代鈷酸鋰(LCO)體系鋰離子蓄電池更加優(yōu)異，因此對(duì)NCA體系鋰離子蓄電池的在軌管理以及在軌特性進(jìn)行分析就顯得尤為重要[3-7]。

本文針對(duì)中高軌道衛(wèi)星所處空間電磁環(huán)境較復(fù)雜[8]，地影季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，并且不可測(cè)控弧段時(shí)間較長(zhǎng)的特點(diǎn)，提出了NCA鋰離子蓄電池組在軌自主管理技術(shù)[9-10]，并在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)詳細(xì)的在軌數(shù)據(jù)特性分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確性和有效性，為NCA體系鋰離子蓄電池進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)以及后續(xù)其它型號(hào)鋰離子蓄電池的在軌自主運(yùn)行提供經(jīng)驗(yàn)[11]。

1 NCA蓄電池組在軌自主管理設(shè)計(jì)

衛(wèi)星采用兩組蓄電池組并聯(lián)供電，單體電池采用25 Ah的NCA鋰離子蓄電池，采用3并9串的結(jié)構(gòu)形式，形成75 Ah鋰離子蓄電池組。蓄電池組設(shè)計(jì)主備兩路加熱回路，每個(gè)蓄電池組內(nèi)設(shè)置3個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量溫度對(duì)電池組實(shí)施主動(dòng)控溫，以保證蓄電池組溫度滿足熱設(shè)計(jì)要求。

1.1 充電控制

蓄電池組的充電調(diào)節(jié)電路具備恒流/恒壓充電能力，充電電流以0.5 A為步長(zhǎng)在0～8 A之間由指令進(jìn)行16檔調(diào)節(jié)選擇，充電電壓以0.5 V為步長(zhǎng)在30～38 V之間由指令進(jìn)行16檔調(diào)節(jié)選擇，可同時(shí)滿足壽命初期、末期及蓄電池組單體失效模式下的不同充電需求。

1.2 均衡策略

均衡方式分為下位機(jī)軟件均衡、硬件均衡，軟件、硬件均衡均可實(shí)現(xiàn)在軌自主均衡，默認(rèn)軟件自主均衡使能。采用定電壓差均衡方式，通過(guò)均衡算法找出最大最小單體電壓并標(biāo)記，若兩者壓差大于60 mV，判讀其余單體電壓與最小電壓的壓差，當(dāng)差值大于20 mV時(shí)，開(kāi)啟對(duì)應(yīng)單體電池的分流開(kāi)關(guān)，若最大單體電壓與最小單體電池電壓的壓差小于10 mV則停止均衡，再次開(kāi)啟均衡需重新開(kāi)始循環(huán)判斷，從而實(shí)現(xiàn)自主均衡管理功能。

1.3 蓄電池進(jìn)出影管理

依據(jù)軌道太陽(yáng)角自主判斷衛(wèi)星進(jìn)出影時(shí)間，整星設(shè)置進(jìn)出影標(biāo)志，進(jìn)出影標(biāo)志決定蓄電池組在軌工作方式。蓄電池組進(jìn)出影自主管理運(yùn)行設(shè)置使能/禁止指令。

當(dāng)進(jìn)出影標(biāo)志由“0”變?yōu)椤?”時(shí)，衛(wèi)星將在3天內(nèi)進(jìn)影，星務(wù)能源管理按照進(jìn)影前模式對(duì)蓄電池組進(jìn)行操作，以使蓄電池組在較高溫度工作并進(jìn)行滿充和均衡管理設(shè)置，充電終止電壓為36.45 V(初期)，根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)間可通過(guò)地面管理調(diào)整充電終止電壓延長(zhǎng)蓄電池組的壽命。

當(dāng)進(jìn)出影標(biāo)志由“1”變?yōu)椤?”時(shí)，衛(wèi)星出影。星務(wù)能源管理按照出影后模式對(duì)蓄電池組進(jìn)行操作，蓄電池組進(jìn)行擱置和電壓電流檔位設(shè)置，進(jìn)入長(zhǎng)光照擱置期管理。

1.4 長(zhǎng)光照管理

衛(wèi)星進(jìn)入長(zhǎng)光照期，蓄電池組一般無(wú)功率輸出，為保證蓄電池組壽命，蓄電池以近半荷電態(tài)的擱置狀態(tài)進(jìn)行管理。在確保衛(wèi)星功率需求前提下，結(jié)合衛(wèi)星用電安全和壽命要求，初期時(shí)擱置荷電態(tài)為72.5%～80%，對(duì)應(yīng)蓄電池組電壓范圍為34.2～35.1 V。衛(wèi)星在長(zhǎng)光照期蓄電池?cái)R置狀態(tài)下，如果檢測(cè)到蓄電池組電壓低于34.2 V(單體電壓3.80 V)時(shí)，就需要對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電操作(充電電流1 A)，當(dāng)蓄電池組電壓到35.1 V(單體電壓3.90 V)時(shí)停止充電。

1.5 熱控管理

為確保蓄電池組的在軌壽命和最佳工作性能，需對(duì)蓄電池組進(jìn)行熱控管理，以保證蓄電池組溫度滿足熱設(shè)計(jì)要求。衛(wèi)星進(jìn)地影前3天，按照地影溫度閾值對(duì)蓄電池組進(jìn)行加熱，6 h后蓄電池組溫度范圍控制在15～25 ℃內(nèi)，以便蓄電池組地影期的充放電操作；衛(wèi)星進(jìn)入長(zhǎng)光照擱置期的前3天，按照長(zhǎng)光照擱置溫度閾值對(duì)蓄電池組進(jìn)行設(shè)置，將蓄電池溫度控制在0～15 ℃內(nèi)，以便蓄電池組進(jìn)行擱置期管理。

1.6 蓄電池組自主安全管理

中高軌衛(wèi)星地影時(shí)間較長(zhǎng)，此外受地面測(cè)控站的地域限制，多數(shù)情況下地面站不可能對(duì)衛(wèi)星全程實(shí)時(shí)跟蹤，如果能源系統(tǒng)在不可測(cè)弧段內(nèi)發(fā)生故障，可能危及整星安全。因此，在衛(wèi)星整個(gè)壽命周期內(nèi)對(duì)蓄電池的自主健康狀態(tài)和自主運(yùn)行能力進(jìn)行提升，有助于提高衛(wèi)星的可靠性和安全性。

電池過(guò)放電管理是電池管理的重要內(nèi)容，主要分蓄電池組報(bào)警和單體電壓過(guò)放報(bào)警，由星務(wù)電源管理模塊判讀判斷，也可通過(guò)地面進(jìn)行相關(guān)處理。地面可以向星載計(jì)算機(jī)注入電壓閥值，隨著壽命的進(jìn)行，過(guò)放電報(bào)警閾值可進(jìn)行調(diào)整，初期報(bào)警信號(hào)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 蓄電池過(guò)放電壓閥值Table 1 Batteries voltage threshold settings of over-discharge

蓄電池組電壓來(lái)自電源控制器(總線數(shù)據(jù))Vbat1、星務(wù)計(jì)算機(jī)(直接測(cè)量)Vbat2以及單體電壓(均衡器總線數(shù)據(jù))的加值Vbat3。如果連續(xù)3次檢測(cè)到蓄電池電壓Vbat1、Vbat2和Vbat3中有2個(gè)超閾值，則產(chǎn)生過(guò)放電報(bào)警信號(hào)，并依下述條件執(zhí)行操作。

(1)Vbati(i=1 to 3)小于VBOD1時(shí)，發(fā)出“整組過(guò)放電1”報(bào)警信號(hào)。此時(shí)星務(wù)計(jì)算機(jī)依照一定的順序?qū)d荷單機(jī)進(jìn)行關(guān)機(jī)操作。

(2)Vbati(i=1 to 3)小于VBOD2時(shí)，發(fā)出“整組過(guò)放電2”報(bào)警信號(hào)。此時(shí)整星進(jìn)入安全模式；蓄電池組按地影期進(jìn)行設(shè)置，星務(wù)計(jì)算機(jī)按照安全模式關(guān)閉相關(guān)單機(jī)以降低負(fù)載電流。

(3)Vbati(i=1 to 3)小于VBOD3時(shí)，發(fā)出“整組過(guò)放電3”報(bào)警信號(hào)。此時(shí)由地面進(jìn)行判斷發(fā)送指令斷開(kāi)蓄電池組，但太陽(yáng)電池陣可以對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電。

(4)任一蓄電池單體電壓(均衡器總線數(shù)據(jù))連續(xù)3次小于VCOD1時(shí)，產(chǎn)生“單體過(guò)放電”報(bào)警信號(hào)，由地面作相關(guān)判斷。

2 NCA鋰離子蓄電池在軌特性分析

2.1 長(zhǎng)光照充放電分析

北斗導(dǎo)航某顆MEO衛(wèi)星在軌運(yùn)行已滿2年，截取其中最近半年(存在光照期和地影期)的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入長(zhǎng)光照期時(shí)，蓄電池組為擱置狀態(tài)，如果檢測(cè)到蓄電池組電壓低于34.2 V(單體電壓3.80 V)時(shí)，就需要對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電操作，充電方式為小電流1 A充電，當(dāng)蓄電池組電壓到35.1 V(單體電壓3.90 V)時(shí)停止充電。蓄電池組電壓及充電電流遙測(cè)數(shù)據(jù)如圖1和圖2所示。

圖1 A/B蓄電池組長(zhǎng)光照期電壓曲線Fig.1 Diagram of A/B battery voltage curve during photoperiodic seasons

圖2 A/B蓄電池組長(zhǎng)光照期充電電流曲線Fig.2 Diagram of A/B battery charge current curve during photoperiodic seasons

由圖1和圖2可知，當(dāng)蓄電池組電壓降至34.2 V時(shí)，對(duì)蓄電池組進(jìn)行1 A的小電流充電；當(dāng)電壓充至35.1 V時(shí)，蓄電池組停止充電。充電起始荷電態(tài)為72.5%，充電結(jié)束荷電態(tài)為80%，補(bǔ)充充電周期約為26.5天，蓄電池組充電情況符合長(zhǎng)光照期充電管理設(shè)計(jì)，NCA體系電池荷電保持能力較LCO體系大幅提升。

2.2 長(zhǎng)光照溫度分析

為保證蓄電池組長(zhǎng)壽命高可靠性工作，蓄電池組光照擱置期的溫度范圍為0～+15 ℃，同一蓄電池組內(nèi)各單體電池溫差小于3 ℃，不同蓄電池組間的溫差小于5 ℃。蓄電池組長(zhǎng)光照期的溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3所示。

圖3 A/B蓄電池組長(zhǎng)光照期溫度曲線Fig.3 Diagram of A/B battery temperature curve during photoperiodic seasons

由圖3可知，光照擱置期蓄電池組的溫度范圍為3～10 ℃，蓄電池組溫度一致性較好，同一組蓄電池單體最大偏差小于2 ℃，兩組之間小于3 ℃，蓄電池組長(zhǎng)光照期的溫度管理符合全光照期儲(chǔ)存溫度管理設(shè)計(jì)。

2.3 地影期充放電分析

地影期蓄電池組的充電采用先恒流后恒壓的滿充充電控制方式。先以4 A的電流恒流充電，充電截止電壓36.45 V時(shí)轉(zhuǎn)恒壓充電，充電電流連續(xù)20幀小于0.25 A時(shí)，停止充電。蓄電池地影期的電壓、充放電和充電規(guī)律如圖4～圖8所示。

圖8 B蓄電池組單體電壓及單體最大壓差曲線Fig.8 Diagram of B battery single cell voltage and max voltage difference

圖4 A/B蓄電池組地影期電壓曲線Fig.4 Diagram of A/B battery voltage curve during eclipse seasons

從圖中可以看出，A/B兩組蓄電池組地影期放電過(guò)程中，最低放電電壓為33.52 V與33.21 V，最大放電深度約為33%。最低單體放電電壓約為3.72 V，各單體放電一致性良好，電池組內(nèi)最大偏差均為14.65 mV。最大放電深度時(shí)恒流充電時(shí)間為5 h，恒壓充電時(shí)間為35 min。蓄電池組充電情況符合地影期充電管理設(shè)計(jì)。

圖5 A蓄電池組地影期充放電電流曲線Fig.5 Diagram of A battery charge and discharge current curve during eclipse seasons

圖6 B蓄電池組地影期充放電電流曲線Fig.6 Diagram of B battery charge and discharge current curve during eclipse seasons

2.4 地影期溫度分析

衛(wèi)星進(jìn)地影前3天，按照地影溫度閾值對(duì)蓄電池組進(jìn)行加熱，6 h后蓄電池組溫度范圍控制在15～25 ℃內(nèi)，以便蓄電池組地影期的充放電操作。衛(wèi)星進(jìn)入地影期蓄電池組的溫度變化情況見(jiàn)圖9所示。

圖9 A/B蓄電池組地影期溫度曲線Fig.9 Diagram of A/B battery Temperature curve during Eclipse Seasons

由圖9可知，蓄電池組地影期的工作溫度范圍為15.5～20.5 ℃，蓄電池組溫度一致性較好，同一組蓄電池單體最大偏差小于2 ℃，兩組之間小于2 ℃，控溫周期約20～30 min。蓄電池組地影期的溫度管理符合溫度管理設(shè)計(jì)。

2.5 均衡和自主故障

由圖7和圖8可知，衛(wèi)星在軌運(yùn)行2年，蓄電池組最大放電深度約為33%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于85%的過(guò)放閾值，此外蓄電池組電壓表現(xiàn)出較高的一致性，單體電池電壓最大壓差小于15 mV，單體電池電壓一致性良好，滿足初期小于60 mV的要求，不存在均衡問(wèn)題和在軌自主安全管理問(wèn)題。

圖7 A蓄電池組單體電壓及單體最大壓差曲線Fig.7 Diagram of A battery single cell voltage and max voltage difference

3 結(jié)束語(yǔ)

蓄電池組的在軌穩(wěn)定運(yùn)行是能源系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要前提。鎳鈷酸鋰體系鋰離子蓄電池作為新一代高比能量鋰電池，儲(chǔ)存特性和循環(huán)壽命相比于第一代鈷酸鋰體系鋰離子蓄電池更加優(yōu)異。本文針對(duì)中高軌道衛(wèi)星所處空間電磁環(huán)境較復(fù)雜，地影季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且不可測(cè)控弧段時(shí)間較長(zhǎng)的特點(diǎn)，提出的NCA鋰離子蓄電池組在軌自主管理技術(shù)，成功地應(yīng)用在北斗導(dǎo)航MEO衛(wèi)星中，對(duì)衛(wèi)星近半年的蓄電池在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，可為后續(xù)大規(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)支持，也可為后續(xù)其它航天器鋰離子蓄電池的在軌自主運(yùn)行提供參考。