星用蓄電池組發(fā)射前擱置自放電率預(yù)估分析

吳振葦，楊 波，王君召，韓業(yè)華，金仁淑

(上?？臻g電源研究所，上海 200245)

微納衛(wèi)星具有質(zhì)量輕、功率小等特點(diǎn)，且采取的發(fā)射方式多為一箭多星。但在火箭的設(shè)計(jì)過(guò)程中，未預(yù)留微納衛(wèi)星蓄電池組地面充電接口，使其裝星后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)蓄電池組補(bǔ)充充電。擱置狀態(tài)下，發(fā)射任務(wù)對(duì)蓄電池組自放電率是有苛刻要求的[1-2]，在微納衛(wèi)星裝箭到火箭發(fā)射這段時(shí)間內(nèi)，務(wù)必保證蓄電池組的容量不低于特定閾值。

蓄電池組可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配等環(huán)節(jié)，使自放電率最低。蓄電池組裝星后，需要考慮所有與蓄電池組互連單機(jī)的影響，對(duì)可能導(dǎo)致蓄電池組自放電的設(shè)備、潛回路進(jìn)行細(xì)致分析，采取措施，使其影響最小化。在15 d擱置期內(nèi)，將電池組自身自放電、分系統(tǒng)中電池組外圍設(shè)備或潛回路導(dǎo)致的自放電考慮在內(nèi)，應(yīng)保證蓄電池組自放電率不超過(guò)5%。若靜態(tài)擱置15 d后蓄電池組剩余容量偏低，星箭分離自啟上電后，整星無(wú)法上電或整星初次上電容量偏低，造成整星發(fā)射任務(wù)失敗[3-4]。

1 前期蓄電池組低自放電率

1.1 指標(biāo)要求

在(20±5)℃環(huán)境溫度下，整星系統(tǒng)正常連接狀態(tài)，擱置15 d后，10 Ah額定容量的蓄電池組，其容量應(yīng)不小于擱置前容量的95%，即自放電率不大于5%。

1.2 蓄電池組本身自放電率

根據(jù)蓄電池組測(cè)試記錄可知，蓄電池單體自放電率最大不超過(guò)3.6%。由于該蓄電池組由7節(jié)同類蓄電池單體串聯(lián)組成，因此蓄電池組自放電率最大不超過(guò)3.6%。同時(shí)，在蓄電池組組裝前進(jìn)行同批次單體電池的開(kāi)路電壓-SOC曲線測(cè)試，為后續(xù)驗(yàn)證該自放電率是否滿足指標(biāo)要求提供依據(jù)。

1.3 整星連接狀態(tài)下，其余各單機(jī)對(duì)蓄電池組放電率影響

如圖1所示，整星連接狀態(tài)下，與蓄電池組直接互連的單機(jī)只有電源控制器。通過(guò)一次母線配電開(kāi)關(guān)間接相連的單機(jī)主要為整星其余負(fù)載單機(jī)，包括整星負(fù)載單機(jī)、姿軌控單機(jī)、熱控單機(jī)等[5]。在發(fā)射前，配電開(kāi)關(guān)均為斷開(kāi)，只有直供電單機(jī)，即綜合計(jì)算機(jī)與一次母線直接相連。電源控制器中，單體采樣開(kāi)關(guān)及放電開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)；分離使能開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)；行程開(kāi)關(guān)處于壓緊閉合狀態(tài)，將分離自啟上電所用的PMOS管IRF5M5210的柵極與源極短接，使PMOS管處于斷開(kāi)，保證整星處于無(wú)電狀態(tài)。特別說(shuō)明，發(fā)射后，星箭分離時(shí)將行程開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，PMOS管通過(guò)電阻分壓后導(dǎo)通，完成整星自主上電[6]。

圖1 整星連接狀態(tài)下蓄電池組接口示意圖

在除分離自啟使能開(kāi)關(guān)閉合，其余開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)的前提下，與蓄電池組電接口互連的電路只有單體均衡電路、分離自啟電路、放電開(kāi)關(guān)電路、續(xù)流充電電路。為保證互連后對(duì)蓄電池組放電率的最小化，需要對(duì)各互連接口對(duì)蓄電池組造成的靜態(tài)漏電流進(jìn)行評(píng)估。

1.3.1 單體均衡電路分析

如圖2所示，每個(gè)單體的均衡電路通過(guò)電纜與蓄電池組各單體進(jìn)行直接相連[7]，此時(shí)為發(fā)射前擱置，整星處于無(wú)電狀態(tài)，均衡指令為高阻狀態(tài)，蓄電池單體N的電壓通過(guò)三極管Q1與電阻RE25與電阻R26上拉至三極管Q17集電極，選用低漏電流的三極管有助于降低Ic+I漏的值。

選用的三極管Q17型號(hào)為2N2222AUB，在最大N=7時(shí)，最大電壓不超過(guò)30 V，即Q17的VCE最大為30 V，其I漏最大不超過(guò)0.05 mA；而此時(shí)若Ib有電流通過(guò)，則必然導(dǎo)致Q1的基極與發(fā)射極之間的壓降為0.7 V，導(dǎo)致IN=0.7 V/200 kΩ=3.5 μA＞＞0.05 μA；因此靜態(tài)擱置狀態(tài)下流經(jīng)Q17的漏電流I漏均由單體N通過(guò)電阻RE25和RE26提供。

圖2 單體N均衡電路示意圖

根據(jù)各單體N的電壓均不超過(guò)4.2 V，因此Q1的VCE最大不超過(guò)4.2 V。根據(jù)2N3637的手冊(cè)可知，Q1的最大電流ICEO不超過(guò)10 μA，故圖2中Ic最大為10 μA。因此單體N經(jīng)均衡電路造成的放電電流最大不超過(guò)：I均衡=I漏+Ic=0.05 μA+10 μA=10.05 μA。

特別地，如圖3所示，對(duì)于單體1，其余各單體的I漏均流經(jīng)單體1，因此各單體I均衡的最大電流為單體1的I均衡，即：I均衡=N×I漏+Ic=7×0.05 μA+10 μA=10.35 μA。

1.3.2 分離自啟電路分析

如圖4所示，發(fā)射前擱置期間行程開(kāi)關(guān)處于壓緊狀態(tài)；分離使能開(kāi)關(guān)處于接通狀態(tài)，蓄電池組電壓按照最大不超過(guò)30 V計(jì)算，可知I行程=30 V/510 kΩ=58.8 μA；而衛(wèi)星各用電單機(jī)均處于連接狀態(tài)，通過(guò)PMOS管漏電流最大不超過(guò)100 μA，可知I母線=100 μA×2=200 μA。因此，蓄電池組靜態(tài)放電電流最大為I自啟=I母線+I行程=258.8 μA。

圖3 各單體因單體均衡電路引起靜態(tài)電流的流向示意圖

圖4 蓄電池組因分離自啟電路引起靜態(tài)電流的流向圖

1.3.3 放電電路分析

由于發(fā)射前，放電開(kāi)關(guān)始終處于斷開(kāi)狀態(tài)，因此該電路對(duì)蓄電池組無(wú)靜態(tài)放電電流。

1.3.4 續(xù)流充電電路分析

如圖5所示，續(xù)流充電電路只有兩只并聯(lián)的二極管35CGQ100SCV，該二極管在最大反向電壓不超過(guò)30 V時(shí)，反向漏電流最大不超過(guò)70 μA，因此I續(xù)流=140 μA。

圖5 蓄電池組因續(xù)流充電電流引起的靜態(tài)電流流向圖

綜上，發(fā)射前擱置狀態(tài)下，由于互連造成的蓄電池組靜態(tài)放電電流最大不超過(guò)I總=I均衡+I自啟+I續(xù)流=10.35 μA+258.8 μA+140 μA=409.15 μA。在靜態(tài)擱置 15 d后，造成蓄電池組容量損失為409.15 μA×24 h/d×15 d=0.147 Ah。所選用蓄電池組額定容量為10 Ah，該互連電路造成蓄電池組的放電率為0.147 Ah/10 Ah×100%=1.47%。

依據(jù)1.2節(jié)和1.3節(jié)，發(fā)射前擱置15 d后，蓄電池組總自放電率最大不超過(guò)3.6%+1.47%=5.07%，設(shè)計(jì)的自放電率與不大于5%的指標(biāo)存在偏差；而與蓄電池互連單機(jī)的各功能電路的器件選型已為最優(yōu)，無(wú)法繼續(xù)優(yōu)化，需要后續(xù)實(shí)測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)校核。

此外，該蓄電池組的額定容量為10 Ah，15 d后因互連電路引起蓄電池組的放電率為1.47%，后續(xù)衛(wèi)星因整星功率增加及在軌工作模式變化，相應(yīng)的蓄電池組額定容量為15 Ah或更高。在其他條件不變時(shí)，擱置15 d后，自放電率滿足要求，發(fā)射飛行時(shí)電池組電能充裕，保障發(fā)射任務(wù)成功。具體計(jì)算如下：若蓄電池組額定容量為15 Ah，則該互連電路引起的蓄電池組的放電率最大不超過(guò)0.147 Ah/15 Ah=0.98%，則蓄電池組自放電率最大為0.98%+3.6%=4.58%，滿足5%的指標(biāo)要求。

2 蓄電池組組裝前開(kāi)路電壓-SOC曲線

對(duì)組成蓄電池組的同批次單體進(jìn)行容量測(cè)試和開(kāi)路電壓測(cè)試，測(cè)試溫度為10℃，容量約為11 Ah。對(duì)充滿電單體進(jìn)行0.2C放電，每放電10%容量進(jìn)行開(kāi)路1 h，測(cè)量其電壓，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1所示，測(cè)試結(jié)果擬合曲線如圖6所示。

表1 10 Ah單體自放電率測(cè)試結(jié)果

圖6 10 Ah單體自放電率測(cè)試結(jié)果擬合曲線

3 蓄電池組靜置放電實(shí)測(cè)情況

3.1 靜置放電實(shí)驗(yàn)環(huán)境

根據(jù)前述，整星按照?qǐng)D1的示意圖進(jìn)行連接。

3.2 靜置放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2018年10月26日至2018年11月15日XX-1衛(wèi)星進(jìn)行了整星的自放電率測(cè)試，將整星斷電后對(duì)蓄電池開(kāi)路電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，衛(wèi)星放置于總裝廠房?jī)?nèi)，環(huán)境溫度約為20℃。具體測(cè)試描述如下：

(1)在蓄電池組恒壓充電狀態(tài)下，充電電流小于0.5 A時(shí)，靜置2 h后進(jìn)行擱置前測(cè)試，記錄蓄電池組整組電壓。重復(fù)測(cè)試，記錄3次，取中間值。

(2)靜置15 d后，進(jìn)行蓄電池組電壓再次測(cè)量，記錄整組電壓。重復(fù)測(cè)試，記錄3次，取中間值。此外按照總體要求，加測(cè)5 d擱置實(shí)驗(yàn)，使累計(jì)擱置時(shí)間達(dá)20 d。

(3)通過(guò)靜置前后的蓄電池組電壓，計(jì)算蓄電池組的實(shí)際自放電率，判讀是否滿足分系統(tǒng)下5%自放電率的指標(biāo)。

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，20 d內(nèi)蓄電池組電壓共下降23 mV，單體電壓下降3.3 mV。

從圖6中可以看到，前10%容量范圍內(nèi)容量與壓降為線性關(guān)系。從表2測(cè)試數(shù)據(jù)可知，滿電態(tài)放電10%(即1.11 Ah)，電壓下降約73 mV，根據(jù)線性關(guān)系推算3.3 mV壓降對(duì)應(yīng)容量損失約為51 mAh，即總?cè)萘康?.46%?？紤]測(cè)試溫度及其他因素影響，本次靜置實(shí)驗(yàn)，室溫下20 d后，自放電率實(shí)際不超過(guò)0.8%。具體各測(cè)試時(shí)間點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的當(dāng)前容量相對(duì)于靜置前的容量百分比及自放電率如表3所示。

3.3 實(shí)測(cè)小結(jié)

綜上，20 d靜置環(huán)境下蓄電池組自放電率為0.8%，滿足整星連接狀態(tài)下，15 d后蓄電池組自放電率不大于5%的指標(biāo)。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差異性比較分析

4.1 蓄電池組單體自放電率測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明

單體生產(chǎn)階段對(duì)單體進(jìn)行了15 d自放電率測(cè)試，即15 d自放電率約為3.5%，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，該值遠(yuǎn)大于蓄電池組自放電率為0.8%。

由于單體測(cè)試自放電在2018年3月進(jìn)行，時(shí)間較早，在單體生產(chǎn)結(jié)束后進(jìn)行，此時(shí)單體內(nèi)部SEI膜尚未完全穩(wěn)定，自放電測(cè)試過(guò)程中包含了單體的老化過(guò)程，因此其自放電率也較高。通過(guò)老化后，單體內(nèi)部SEI膜逐漸趨于穩(wěn)定[8]，后續(xù)單體自放電率會(huì)明顯降低，即蓄電池組本身的自放電率在后續(xù)老化完成后自放電率會(huì)低于表4的初期實(shí)測(cè)值，滿足20 d自放電率不大于5%的要求。

4.2 互連單機(jī)對(duì)蓄電池組自放電率的影響

根據(jù)1.3節(jié)分析可知，影響蓄電池組自放電率的只有均衡電路、分離自啟電路及續(xù)流充電電路三部分。

均衡電路三極管2N3637在發(fā)射極與集電極之間外加4.5 V電壓，通過(guò)10只2N3637并聯(lián)實(shí)測(cè)，如圖7所示。實(shí)測(cè)總電流不超過(guò)0.01 mA，實(shí)際每只三極管ICEO=1 μA。

圖7 2N3637的發(fā)射極與集電極之間漏電流的實(shí)物測(cè)試框圖

分離自啟電路所用的PMOS管IRF5M5210在常溫，VDS=－100 V時(shí)，漏電流最大為25 μA。復(fù)核復(fù)算時(shí)，漏電流按100 μA，整星擱置實(shí)驗(yàn)條件為常溫常壓，且D、S兩端壓差最大不超過(guò)30 V。實(shí)際兩只PMOS管并聯(lián)遠(yuǎn)小于前期設(shè)計(jì)所用的200 μA。

續(xù)流充電電路用二極管35CGQ100實(shí)際反向電壓最大不超過(guò)30 V，依據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的反向電壓-漏電流曲線圖可知，室溫時(shí)漏電流為50 μA，小于設(shè)計(jì)的最大值70 μA。

上述分析整理后如表5所示。

表5 實(shí)際自放電率與復(fù)核復(fù)算自放電率

綜上，復(fù)核復(fù)算時(shí)考慮裕量較大，靜置15 d自放電率為1.47%；實(shí)際按照器件手冊(cè)，常溫靜置15 d自放電率不超過(guò)0.32%。

5 結(jié)論

根據(jù)前期復(fù)核復(fù)算，靜置15 d后蓄電池組自放電率超過(guò)5.07%；而整星連接狀態(tài)實(shí)測(cè)蓄電池組自放電率為0.8%。其中：

(1)互連的其他單機(jī)：考慮裕量較大，包括關(guān)鍵器件的參數(shù)選擇均按照手冊(cè)給出的最大值進(jìn)行復(fù)核，計(jì)算出電源控制器對(duì)蓄電池組自放電率的影響為1.47%，而實(shí)際蓄電池組容量大于10 Ah，造成此部分自放電率進(jìn)一步偏大；

(2)蓄電池組：由于單體測(cè)試自放電時(shí)機(jī)較早，通常在單體生產(chǎn)結(jié)束后進(jìn)行，此時(shí)單體內(nèi)部SEI膜尚未建立穩(wěn)定，自放電測(cè)試過(guò)程中包含了單體老化過(guò)程，其自放電率也較高，故前期測(cè)試數(shù)據(jù)表征蓄電池組自放電率為3.6%。單體老化后內(nèi)部SEI膜趨于穩(wěn)定，后續(xù)自放電率會(huì)明顯降低，因此實(shí)際靜置實(shí)驗(yàn)(20 d)，計(jì)算蓄電池組自放電率為0.8%。

綜上在整星狀態(tài)下，蓄電池組靜置15 d(實(shí)測(cè)20 d)后容量不小于擱置前容量的95%，滿足擱置要求。以及后續(xù)復(fù)核復(fù)算時(shí)，按真實(shí)狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)于偏差比較大的參數(shù)通過(guò)典型數(shù)據(jù)測(cè)試，進(jìn)行校核，避免過(guò)設(shè)計(jì)，造成不必要的成本浪費(fèi)。